Quelles sont les applications de l’ultrafiltration ?

Applications techniques de l’ultrafiltration UF

Le principe de fonctionnement de l'ultrafiltration (UF) :

Ultrafiltration (UF) La technologie est une technologie avancée de séparation par membrane développée ces dernières années en s'appuyant sur la science des matériaux et a été largement utilisée dans divers domaines de la construction industrielle et municipale.

L'ultrafiltration (UF) est un processus de séparation par membrane piloté par pression qui utilise la capacité d'interception des matériaux poreux pour séparer les particules des fluides et des composants dissous. Les tailles de pores typiques des membranes d'ultrafiltration sont comprises entre 0,01 et 0,1 micromètres et offrent des taux d'élimination extrêmement élevés pour les bactéries et la plupart des virus, colloïdes, boues, etc. Plus la taille nominale des pores de la membrane est petite, plus le taux d'élimination est élevé. Les membranes d'ultrafiltration sont généralement constituées de polymères dont les propriétés fondamentales sont principalement hydrophobes. Des modifications hydrophiles telles que le mélange sont possibles. Le procédé fonctionne à température ambiante sans changement de phase ni contamination secondaire.

Ultrafiltration utilisant un matériau de fluorure de polyvinylidène (PVDF), le département de structure de fibres creuses à double couche de peau. Parmi les membranes d'ultrafiltration en PVDF utilisées dans les applications industrielles, l'ultrafiltration a la plus petite taille nominale de pores et est capable d'éliminer presque toutes les particules, les bactéries (taux d'élimination de 4 log), la plupart des virus et les colloïdes. Malgré sa petite taille de pores, sa porosité extrêmement élevée permet à l'UF d'obtenir des flux comparables à la microfiltration, ce qui en fait un meilleur choix que la microfiltration dans la plupart des cas.

L'ultrafiltration utilise une structure de pression externe qui ne se bouche pas facilement, offrant une capacité de rétention de saleté plus élevée, une zone de filtration plus grande et un nettoyage plus facile et plus approfondi. La conception à débit est basée sur une filtration à débit total, mais les éléments peuvent être facilement convertis en mode de filtration à débit décalé. Par rapport au débit échelonné, la filtration à plein débit consomme moins d’énergie et fonctionne sous une pression plus faible, ce qui entraîne des coûts d’exploitation inférieurs. La filtration à débit échelonné, en revanche, peut traiter des fluides contenant une plus grande quantité de matières en suspension. Le mode de fonctionnement spécifique est donc déterminé par la teneur en matières en suspension de l'eau d'alimentation.

L'ultrafiltration fonctionne généralement à débit constant et la pression transmembranaire différentielle (TMP) augmente progressivement au cours de la durée de fonctionnement, moment auquel la couche de contamination peut être éliminée par un lavage à contre-courant régulier ou un lavage des gaz, tandis que l'utilisation de biocides ou d'autres agents de nettoyage peut contrôler plus soigneusement la reproduction microbienne et éliminer les contaminants.

Dans le domaine du traitement de l'eau, l'ultrafiltration peut être utilisée pour purifier l'eau en éliminant les particules, les colloïdes, les bactéries, les virus, les sources de chaleur, les protéines et les matières organiques macromoléculaires.

Avantages et caractéristiques de l'ultrafiltration

Longue durée de vie : l'ultrafiltration adopte un matériau PVDF avec des performances spéciales et une modification hydrophile, qui présente une excellente résistance à l'oxydation et à la fatigue, une résistance anti-pollution et claire, prolongeant considérablement la durée de vie du filament de la membrane.

Haute qualité de production d'eau : la précision moyenne de filtration de l'ultrafiltration atteint 0,03 µm, la pression du point de bulle est plus élevée et le taux d'élimination des bactéries atteint 6 log, ce qui permet d'obtenir une meilleure qualité de production d'eau.

Large gamme d'applications : la structure de pression externe de l'ultrafiltration et la méthode de distribution d'eau brevetée, permettant une plus large gamme de teneur en matières en suspension à l'entrée, plus adaptée aux conditions d'application de mauvaise qualité de l'eau, et en même temps pour garantir un taux de récupération d'eau élevé.

Faible coût d'exploitation : le type d'ultrafiltration à pression externe peut adopter une méthode de nettoyage par mélange air-eau à faible coût, qui peut maintenir efficacement la stabilité à long terme du flux et économiser la consommation d'agent de nettoyage chimique.

Principales applications de l'ultrafiltration

Les applications de l'ultrafiltration concernent principalement trois aspects : les applications industrielles, la biochimie alimentaire et l'eau potable, qui sont décrites ci-dessous.

Les applications industrielles de ultrafiltration peut être divisé en trois types : (1) concentration (2) séparation des solutés à petites molécules (3) classification des solutés à grosses molécules.

La grande majorité des applications industrielles appartiennent à cet aspect de la concentration. La séparation des solutés de petites molécules peut être réalisée en combinant ou en complexant avec des macromolécules. La séparation du calcium libre et du calcium lié aux protéines en est un exemple. La séparation des petits solutés, telle que le dessalage et l'échange de sels, peut être réalisée par ultrafiltration ou en combinant l'ultrafiltration avec la dialyse. La classification des solutés macromoléculaires peut être effectuée à l'aide de membranes avec différentes valeurs de coupure de poids moléculaire, ou en utilisant un système combiné dans lequel plusieurs cellules d'ultrafiltration sont combinées afin que le liquide d'une cellule puisse passer à la suivante, les membranes de chaque cellule coupant progressivement un valeur de poids moléculaire décroissante.

Applications industrielles

-Récupération de peinture électrophorétique par ultrafiltration

-Récupération des eaux usées huileuses par ultrafiltration

-Traitement des eaux usées contenant des métaux lourds par ultrafiltration

-Autres applications industrielles

1 Une des applications industrielles de l'ultrafiltration —— Récupération de peinture électrophorétique par ultrafiltration

Au cours du processus de peinture électrophorétique sur métal, un objet métallique chargé électriquement est immergé dans une piscine de peinture chargée de manière opposée. En raison de l'attraction de charge opposée, la peinture forme un revêtement uniforme sur la surface métallique et l'objet métallique est retiré de la piscine et lavé pour éliminer la peinture qui a été appliquée avec lui. Afin de protéger l'environnement et d'économiser de l'énergie en boucle fermée, un processus d'ultrafiltration peut être utilisé pour retenir la résine polymère et les particules de pigment tout en permettant aux sels inorganiques, à l'eau et aux solvants de s'échapper à travers la membrane d'ultrafiltration. Les composants bloqués sont ensuite renvoyés vers le réservoir de stockage de peinture électrophorétique. Le filtrat est utilisé pour rincer les pièces nouvellement appliquées fraîchement retirées de la peinture par électrodéposition afin de récupérer l'excédent de peinture emprisonné dans la pièce.

Dès 1968, le brevet de la société américaine PPG proposait l’utilisation d’une combinaison de technologies d’ultrafiltration et d’osmose inverse pour traiter les eaux usées de peinture électrophorétique. À l'heure actuelle, la technologie a été largement utilisée dans les chaînes d'assemblage automatisées, des centaines de modules de membrane d'une superficie supérieure à 100 m2 ont été mis en service, principalement pour le type de tube. Comme la solution dans la piscine est chargée électriquement, une membrane avec la même charge en surface a été développée, qui ne se contamine pas facilement en raison d'une répulsion homogène. Le débit de perméat de la membrane pendant plusieurs mois pour rester supérieur à 1 m/j sans nettoyage, la durée de vie de la membrane est généralement supérieure à 2 ans.

2 applications industrielles d'ultrafiltration de la seconde – l'utilisation de l'ultrafiltration pour la récupération des eaux usées huileuses

L'émulsion huile-eau dans le processus d'usinage des métaux est largement utilisée comme outils et pièces à usiner à plusieurs reprises lors d'opérations d'étirage à froid et de formage de rouleaux de métal, de lubrification et de refroidissement des opérations de coupe, mais en raison de l'utilisation du processus, il est facile de se mélanger avec des débris métalliques. , les bactéries et le nettoyage des surfaces de travail des métaux de l'eau de rinçage, ce qui rend sa durée de vie très courte. Les molécules individuelles sur son poids moléculaire sont suffisamment petites pour passer à travers la membrane d'ultrafiltration, et ces eaux usées huileuses d'ultrafiltration peuvent être séparées avec succès de leur phase huileuse, car la tension interfaciale huile-eau est suffisante pour que les gouttelettes d'huile ne puissent pas passer à travers. la membrane a été mouillée par l'eau, après ultrafiltration de la concentration d'huile de perméat est généralement inférieure à 10 g/m3, a atteint la norme de décharge peut être déchargée dans la gouttière, et le concentré de la teneur finale en huile peut atteindre 30 % à 60 % peut être utilisé pour la combustion ou Il peut être utilisé pour la combustion ou à d’autres fins. Le processus de fonctionnement est illustré dans la figure ci-dessous. De plus, les bains de solutions nettoyantes alcalines sont souvent utilisés pour nettoyer les pièces métalliques huileuses ou sales. L'ultrafiltration peut également être utilisée pour traiter cette solution de nettoyage afin d'éliminer la graisse, l'huile et les particules sales et de récupérer la majeure partie de l'agent de nettoyage sous forme de filtrat.

3 Applications industrielles de l'ultrafiltration du troisième —- utilisation de l'ultrafiltration pour traiter les eaux usées contenant des métaux lourds

L'ultrafiltration améliorée par les micelles (MEIJF) est une méthode d'ultrafiltration récemment développée combinée à la technologie des tensioactifs. Son principe est illustré dans la figure ci-dessous. Dans les eaux usées industrielles, la concentration injectée est supérieure à la concentration critique de micelles de tensioactifs, l'extrémité hydrophobe de l'enchevêtrement vers l'intérieur, tandis que l'extrémité hydrophile chargée négativement de l'arrangement de la surface, rendant ainsi la surface des micelles avec une charge négative. Les cations métalliques présents dans les eaux usées y sont adsorbés en raison de l'effet électrostatique, et la membrane d'ultrafiltration avec un seuil de poids moléculaire inférieur au poids moléculaire des micelles peut permettre de retenir les ions métalliques.

Le tensioactif dodécylsulfate de sodium (SDS) a été ajouté aux eaux usées simulées pour séparer quatre ions, Cd2+, Zn2+, Cd+ et Ca2+, respectivement, et le taux de rétention était supérieur à 96 %, et le débit de perméat membranaire était le même que celui de l'eau pure, ce qui indique que l'application industrielle du MEUF est possible. Certains chercheurs ont également utilisé de l'acide désoxycholique naturel et de la lécithine comme tensioactifs, et les résultats montrent que son effet de séparation sur Ca2+, Pb2+, Cu2+, Ni2+, Zn2+ est meilleur que le SDS, avec un taux de rétention supérieur à 99,9 %. Étant donné que la concentration en tensioactif dans le MEUF doit être supérieure à la concentration critique de micelles pour former des micelles, le MEUF ne peut pas être utilisé pour la séparation des ions métalliques en faibles concentrations.

Même si une petite quantité ne sera pas dépolymérisée, le polyélectrolyte complété par la méthylcellulose (CMC) et l'acide polystyrène sulfonique (PSS) au lieu du tensioactif ajouté aux eaux usées, le polyélectrolyte qui est dissocié, le contre-ion (Na +) dans l'eau, le Le polymère est chargé négativement, les eaux usées contenant des ions de métaux lourds, tels que Cu2 + et une combinaison de polymères avec une coupure de poids moléculaire du polymère, peuvent être utilisées pour retenir les eaux usées Cu2 + dans la membrane d'ultrafiltration. Le Cu2+ dans les eaux usées peut être retenu par la membrane d'ultrafiltration avec un MWCO inférieur à celui du polymère. Ce MEUF amélioré est appelé ultrafiltration améliorée par polyélectrolytes (PEIJF), et la concentration de Cu2+ dans les eaux usées peut être réduite de 100 × 10-6 à 1 × 10-6 grâce à cette technique.

Il existe un processus d'ultrafiltration appelé IEIJF (Ion-Expulsion Ultrafiltration) qui utilise l'effet répulsif des ions pour la séparation. Il est bien connu que les micelles se lient moins que le nombre stoechiométrique de contre-ions dans l'eau et ont donc une charge proche d'une constante sur une large gamme de concentrations ioniques. L'IEUF utilise cette propriété des micelles pour séparer les ions ayant la même charge, et la figure suivante montre le diagramme schématique du processus IEUF. Selon le principe d'équilibre de Donnan, lorsque les anions et cations dissociés en solution sont en équilibre dans le perméat et se concentrent des deux côtés de la membrane, leurs produits d'activité ionique sont égaux et ainsi la concentration de chaque ion peut être calculée. Les calculs montrent que le Cr042- peut être concentré 21,5 fois dans le perméat lorsque l'équilibre est atteint.

Autres applications industrielles de l'ultrafiltration :

(1) Application de l'ultrafiltration dans la préparation d'eau de haute pureté

De nombreuses exigences industrielles en matière d'eau sont très strictes, en particulier dans l'industrie électronique, de nombreux endroits doivent utiliser de l'eau de haute pureté, ce qui joue un rôle important dans la garantie de la qualité des produits. Par exemple, dans les processus de découpage, de broyage, d'épitaxie, de diffusion et d'évaporation des dispositifs semi-conducteurs à circuits intégrés, qui doivent être nettoyés à plusieurs reprises avec de l'eau de haute pureté, les circuits intégrés dans une très petite zone, il existe de nombreux circuits entre les composants voisins qui ne mesurent que 0,002 mm environ. , donc les exigences en matière de nettoyage de l'eau sont très strictes. Exigences générales concernant les matières organiques sans ions et non solubles, sans corps bactérien et sans particules supérieures à 0,5 μm. Chaque usine IC dispose d'un système central de fabrication d'eau de haute pureté, qui est ensuite livrée au point d'utilisation via un système de distribution. Le processus de purification est le suivant :

Eau du robinet → préfiltration → ultrafiltration (ou microfiltration) → osmose inverse → lit mélangé de résines échangeuses d'anions et de cations → ultrafiltration → microfiltration du système de distribution → microfiltration au point d'utilisation → utilisation

L'ultrafiltration est principalement utilisée pour éliminer les colloïdes, les particules et les bactéries lors du processus de préparation d'eau de haute pureté. Les composants d'ultrafiltration utilisés pour la préparation de l'eau de haute pureté sont pour la plupart du type à fibres creuses, avec un débit de perméat membranaire pouvant atteindre 2 à 4 m/j.

(2) Contenant de l'amidon et du traitement des eaux usées enzymatiques.

Dans certaines industries de transformation des aliments, comme celle des pommes de terre, les eaux usées contiennent une faible concentration d'amidon, les rejets de l'industrie brassicole contiennent des enzymes, etc. L'ultrafiltration peut être utilisée pour récupérer l'amidon et les enzymes, et extraire les eaux usées qui peuvent être évacuées.

(3) Traitement des eaux de désencollage provenant de l'industrie textile.

Des matériaux d'encollage tels que l'amidon et les polymères hydrosolubles (alcool polyvinylique) sont souvent utilisés dans les procédés textiles pour faciliter le processus. Le tissu tissé est lavé pour éliminer le matériau d'encollage, ce qui donne une solution diluée contenant le matériau d'encollage. L'ultrafiltration peut être utilisée pour récupérer ce matériau d'encollage en vue de sa réutilisation et donne un filtrat aqueux de bonne qualité qui peut être évacué ou réutilisé.

(4) Concentration de l'émulsion.

Dans la fabrication et l'application du caoutchouc synthétique, l'eau de lavage des récipients, des réacteurs, etc. contient une solution d'émulsion diluée, qui est concentrée avec succès par le processus d'ultrafiltration.

(5) Traitement de la solution d'évacuation de la laine rincée.

Ce rejet contient des huiles et des graisses émulsionnées de type lanoline, émulsionnées par des détergents, qui peuvent être déshydratées par ultrafiltration (souvent combinée à une opération centrifuge).

(6) Traitement des rejets des usines de pâte à papier.

Ce rejet contient des lignosulfonates de haut poids moléculaire, qui peuvent être séparés et concentrés par ultrafiltration.

(7) Application dans le processus de préparation de la médecine chinoise.

À l’heure actuelle, le ministère chinois de la Santé a inclus la technologie de séparation par membrane parmi les méthodes de séparation et de raffinage de la médecine traditionnelle chinoise. La technologie d'ultrafiltration est principalement utilisée dans la préparation d'injections de médecine traditionnelle chinoise (telles que l'injection de composé danshen, l'injection de Yinhuo Huang, l'injection de boisson désinfectante Wumai, etc.), l'extraction d'ingrédients actifs (telle que l'extraction du test de huangling de huangling) et la préparation d'extraits médicinaux, etc. Ultrafiltration seule ou avec du charbon actif, l'osmose inverse est également utilisée pour éliminer efficacement les bactéries et les pyrogènes ; la préparation de solution buvable de médecine chinoise (solution buvable d'essence de ginseng, solution buvable de quatre essences de Hailong Haji), la préparation d'eau pure à usage pharmaceutique, de boissons de soins de santé.

Applications biochimiques alimentaires de l’ultrafiltration

Applications biochimiques alimentaires de l'ultrafiltration ——- Traitement laitier par ultrafiltration

Le processus de production de vinaigre de lait de l'industrie laitière produira une grande quantité de lactosérum. Selon les statistiques, seuls les États-Unis produisent chaque année 25 millions de m3 de lactosérum, ce qui fait que ce domaine est devenu le plus grand domaine d'applications d'ultrafiltration. Par ultrafiltration, le concentré contenant 10 % de protéines peut être obtenu, et s'il est séché par pulvérisation, on peut obtenir de la poudre de lactosérum contenant 65 % de protéines, qui peut être utilisée comme substitut à la poudre de lait écrémé dans les produits de boulangerie. S'il est davantage dessalé, on peut obtenir un produit avec une teneur en protéines supérieure à 80 %, qui peut être utilisé dans les aliments pour bébés. Et le perméat contenant du lactose peut être utilisé comme aliment pour animaux après concentration et séchage.

Traitement du lactosérum par procédé d'ultrafiltration

Dans l'ultrafiltration du lactosérum, différentes formes de modules sont utilisées, dont le plus grand contient une surface de membrane de 1 800 m2 et une capacité journalière de 1 000 m3 de lactosérum. il fonctionne généralement à 50°C. Le débit de perméat membranaire est initialement supérieur à 1 m3. Le débit de perméat membranaire est initialement supérieur à 1 m/j, mais lorsque le lactosérum est concentré d'un facteur 10, la viscosité est supérieure à 0,002Pas (0,02P), le débit de perméat membranaire chute à 0,5 m/j, et le La limite de concentration est donc largement déterminée par la contamination de la membrane et l'augmentation de la viscosité du concentré de lactosérum. L'ultrafiltration appliquée à l'industrie alimentaire constitue l'enjeu le plus important : le nettoyage et la stérilisation quotidiens. Généralement d'abord lavage alcalin, puis lavage acide, et enfin stérilisé avec une solution d'hypochlorite de sodium. La durée de vie de la membrane peut être supérieure à 1 an.

Un nouveau procédé de production de fromage consiste d'abord à concentrer le lait écrémé par ultrafiltration 3 à 4 fois, puis à utiliser son concentré pour la fermentation afin de produire du vinaigre de lait, qui est progressivement popularisé grâce à sa grande supériorité. Étant donné que le concentré traité est utilisé pour produire des enzymes laitières, son rendement peut être augmenté de plus de 20 %, ce qui, selon une estimation prudente, permet d'économiser 6 % de lait ; De plus, le lactose est éliminé du lait pour rendre le vinaigre de lait plus délicieux, ce qui réduit également la quantité de lactosérum transformé.

Applications biochimiques alimentaires de l’ultrafiltration —— Clarification des jus par ultrafiltration

Le jus frais extrait des pommes est trouble en raison de la présence de composés tels que la pectine. Les méthodes conventionnelles utilisent des enzymes, des saponines et de la gélatine pour les précipiter, puis le surnageant est prélevé et filtré pour obtenir du jus clarifié. Grâce à l'ultrafiltration ou à la microfiltration pour clarifier le jus, n'éliminer que partiellement la pectine d'abord, peut réduire la quantité d'enzyme, éliminant la saponine et la gélatine, économisant ainsi les matières premières et économisant du travail et du temps. Dans le même temps, le taux de récupération du jus a été amélioré, jusqu'à 98 % ~ 99 %. De plus, le traitement d'ultrafiltration de la qualité du jus a également été amélioré, avec une turbidité de seulement 0,4 ~ 0,6 NTU (procédé traditionnel pour 1,5 ~ 3,0 NTU). Et parce que l’ultrafiltration peut procéder à une élimination métathermique des bactéries présentes dans le jus, prolongeant ainsi la durée de conservation du jus.

Applications biochimiques alimentaires de l'ultrafiltration —- extraction de la sérumalbumine par ultrafiltration

L’isolement de l’albumine sérique du plasma implique une série complexe de processus. Une fraction traitée contenant 3 % d'albumine, 20 % d'éthanol et d'autres petites molécules est séparée de l'éthanol dans un processus en trois étapes à l'aide d'une membrane d'ultrafiltration avec un MWCO de 30 000. Au cours des première et deuxième étapes, le débit de perméat membranaire était de 0,5 à 0,7 m/j, et au cours de la dernière étape, il a diminué jusqu'à moins de 0,1 m/j. Selon le dernier rapport [appelé, l'utilisation d'une membrane métallique en zircone avec un poids moléculaire seuil de 10 000, qui a une durée de vie de membrane plus longue et plus d'énergie. Associé à l'utilisation d'un rétro-rinçage et d'une alimentation pulsée, il est possible de réduire la contamination de la membrane, le taux de perméation de la première et de la deuxième étape peut être augmenté de près de 1 fois et la concentration d'albumine dans le perméat est bien inférieure, généralement inférieure à 0,4 g/L.