Каковы области применения ультрафильтрации?

Технические применения ультрафильтрации УФ

Принцип работы ультрафильтрации (УФ):

Ультрафильтрация (УФ) Технология представляет собой передовую технологию мембранного разделения, разработанную в последние годы на основе материаловедения и широко используемую в различных областях промышленного и муниципального строительства.

Ультрафильтрация (УФ) — это процесс мембранного разделения под давлением, в котором используется способность пористых материалов отделять твердые частицы от жидкостей и растворенных компонентов. Типичные размеры пор ультрафильтрационных мембран находятся в диапазоне 0,01-0,1 микрометра и обеспечивают чрезвычайно высокую скорость удаления бактерий и большинства вирусов, коллоидов, осадка и т. д. Чем меньше номинальный размер пор мембраны, тем выше скорость удаления. Мембраны для ультрафильтрации обычно изготавливаются из полимеров, основные свойства которых в основном гидрофобны. Возможны гидрофильные модификации, такие как смешивание. Процесс проводится при комнатной температуре без фазового перехода и вторичного загрязнения.

Ультрафильтрация с использованием поливинилиденфторидного (ПВДФ) материала, с отделением из полого волокна с двойным слоем кожи. Среди ультрафильтрационных мембран из ПВДФ, используемых в промышленности, ультрафильтрация имеет наименьший номинальный размер пор и способна удалять почти все частицы, бактерии (4-логарифмическая скорость удаления), большинство вирусов и коллоидов. Несмотря на небольшой размер пор, чрезвычайно высокая пористость позволяет УФ достигать потоков, сравнимых с микрофильтрацией, что в большинстве случаев делает его лучшим выбором, чем микрофильтрация.

В ультрафильтрации используется конструкция внешнего давления, которая не легко забивается, что обеспечивает более высокую грязеемкость, большую площадь фильтрации, а также более легкую и тщательную очистку. Конструкция потока основана на полнопоточной фильтрации, однако элементы можно легко переоборудовать в режим фильтрации с шахматным потоком. По сравнению со ступенчатым потоком полнопоточная фильтрация потребляет меньше энергии и работает при более низком давлении, что приводит к снижению эксплуатационных расходов. С другой стороны, фильтрация с ступенчатым потоком может обрабатывать жидкости с высоким содержанием взвешенных твердых частиц. Таким образом, конкретный режим работы определяется содержанием взвешенных веществ в питательной воде.

Ультрафильтрация обычно работает при постоянном потоке, и дифференциальное трансмембранное давление (TMD) постепенно увеличивается в течение времени работы, при этом слой загрязнения может быть удален путем регулярной обратной промывки или очистки газом, в то время как использование биоцидов или других чистящих средств может более тщательно контролировать размножение микробов и удалять загрязнения.

В области очистки воды ультрафильтрацию можно использовать для очистки воды путем удаления частиц, коллоидов, бактерий, вирусов, источников тепла, белков и макромолекулярной органики.

Преимущества и характеристики ультрафильтрации

Длительный срок службы: для ультрафильтрации используется материал ПВДФ с особыми характеристиками и гидрофильной модификацией, который обладает превосходной стойкостью к окислению и усталостной прочностью, защитой от загрязнения и прозрачностью, что значительно продлевает срок службы мембранной нити.

Высокое качество производства воды: средняя точность ультрафильтрации достигает 0,03 мкм, давление точки пузырька выше, а скорость удаления бактерий достигает 6-логарифмического, что позволяет получить более высокое качество производства воды.

Широкий спектр применения: структура внешнего давления ультрафильтрации и запатентованный метод распределения воды, позволяющий использовать более широкий диапазон содержания взвешенных веществ на входе, более подходящий для условий применения с водой низкого качества и в то же время обеспечивая высокую степень восстановления воды.

Низкие эксплуатационные расходы: ультрафильтрация с внешним давлением может использовать недорогой метод очистки смешиванием воздуха и воды, который может эффективно поддерживать долгосрочную стабильность флюса и экономить потребление химического чистящего средства.

Основные применения ультрафильтрации

Применение ультрафильтрации в основном затрагивает три аспекта: промышленное применение, биохимию пищевых продуктов и питьевую воду, которые описаны ниже.

Промышленное применение ультрафильтрация можно разделить на три типа: (1) концентрирование (2) разделение растворенных веществ малых молекул (3) классификация растворенных веществ крупных молекул.

Подавляющее большинство промышленных применений относится к этому аспекту концентрации. Разделение низкомолекулярных растворенных веществ может быть достигнуто путем объединения или образования комплекса с макромолекулами. Примером может служить разделение свободного кальция и кальция, связанного с белком. Отделение небольших растворенных веществ, такое как обессоливание и солевой обмен, можно осуществить с помощью ультрафильтрации или сочетания ультрафильтрации с диализом. Классификацию макромолекулярных растворов можно выполнить с использованием мембран с различными значениями отсечения молекулярной массы или с использованием комбинированной системы, в которой несколько ячеек ультрафильтрации объединяются так, что жидкость из одной ячейки может переходить в следующую, при этом мембраны в каждой ячейке постепенно разрезают уменьшение значения молекулярной массы.

Промышленное применение

-Электрофоретическое восстановление краски с помощью ультрафильтрации.

-Утилизация нефтесодержащих сточных вод методом ультрафильтрации.

-Очистка сточных вод, содержащих тяжелые металлы, методом ультрафильтрации

-Другие промышленные применения

1 Одно из промышленных применений ультрафильтрации —— Электрофоретическое восстановление краски путем ультрафильтрации

В процессе электрофоретической окраски металла электрически заряженный металлический предмет погружается в ванну с противоположно заряженной краской. Благодаря противоположно заряженному притяжению краска образует на поверхности металла равномерное покрытие, а металлический предмет вылавливают из бассейна и промывают, чтобы удалить нанесенную с него краску. Чтобы защитить окружающую среду и сэкономить энергию в замкнутом контуре, можно использовать процесс ультрафильтрации, чтобы удерживать частицы полимерной смолы и пигмента, позволяя при этом неорганическим солям, воде и растворителям проходить через ультрафильтрационную мембрану. Заблокированные компоненты затем возвращаются в резервуар для хранения электрофоретической краски. Фильтрат используется для промывки недавно нанесенных деталей, только что удаленных от электроосажденной краски, чтобы восстановить излишки краски, попавшие в деталь.

Еще в 1968 году в патенте американской компании PPG предлагалось использовать комбинацию технологий ультрафильтрации и обратного осмоса для очистки сточных вод от электрофоретической краски. В настоящее время эта технология широко используется на автоматизированных сборочных линиях, введены в эксплуатацию сотни мембранных модулей площадью более 100 м2, которые в основном предназначены для трубчатого типа. Поскольку раствор в бассейне электрически заряжен, на поверхности была создана мембрана с таким же зарядом, которую нелегко загрязнить из-за однородного отталкивания. Скорость потока пермеата мембраны в течение нескольких месяцев остается выше 1 м / день без очистки, срок службы мембраны обычно составляет более 2 лет.

2 ультрафильтрации промышленного применения второго – применение ультрафильтрации для восстановления нефтесодержащих сточных вод

Водомасляная эмульсия в процессе механической обработки металлов широко используется в качестве инструментов и заготовок, многократно при операциях холодной вытяжки и профилирования металла, смазке и охлаждении операций резки, но из-за использования в процессе легко смешивается с металлическим мусором. , бактерий и очистки металлообрабатывающих поверхностей промывной водой, в результате чего срок его службы становится очень коротким. Отдельные молекулы по своей молекулярной массе достаточно малы, чтобы пройти через ультрафильтрационную мембрану, и эти маслянистые сточные воды ультрафильтрацией могут быть успешно отделены от их масляной фазы, это связано с тем, что межфазное натяжение масло-вода достаточно, чтобы капли масла не могли пройти через Мембрана была смочена водой, после ультрафильтрации концентрация масла пермеата обычно составляет менее 10 г/м3, достигла стандарта сброса, может быть сброшена в желоб, а концентрат с конечным содержанием масла до 30–60 %. может использоваться для сжигания или может использоваться для сжигания или других целей. Процесс работы показан на рисунке ниже. Кроме того, ванны с щелочным чистящим раствором часто используются для очистки замасленных или грязных металлических деталей. Ультрафильтрацию также можно использовать для обработки этого чистящего раствора для удаления жира, масла и грязных частиц и восстановления большей части чистящего средства в виде фильтрата.

3 Промышленное применение ультрафильтрации третьего —- применение ультрафильтрации для очистки сточных вод, содержащих тяжелые металлы

Ультрафильтрация с мицеллярным усилением (MEIJF) — это недавно разработанный метод ультрафильтрации в сочетании с технологией поверхностно-активных веществ. Его принцип показан на рисунке ниже. В промышленные сточные воды вводят концентрацию, превышающую критическую концентрацию мицелл поверхностно-активных веществ, гидрофобный конец спутывается внутрь, а отрицательно заряженный гидрофильный конец образует поверхность, таким образом делая поверхность мицелл отрицательно заряженной. Катионы металлов в сточных водах адсорбируются на ней за счет электростатического эффекта, а ультрафильтрационная мембрана с отсечкой молекулярной массы меньше молекулярной массы мицелл может задерживать ионы металлов.

Поверхностно-активное вещество додецилсульфат натрия (SDS) добавляли к моделируемым сточным водам для разделения четырех ионов, Cd2+, Zn2+, Cd+ и Ca2+ соответственно, при этом степень удерживания превышала 96%, а скорость потока пермеата через мембрану была такой же, как и у чистая вода, что указывает на возможность промышленного применения МЕУФ. Некоторые исследователи также использовали природную дезоксихолевую кислоту и лецитин в качестве поверхностно-активных веществ, и результаты показывают, что ее эффект разделения на Ca2+, Pb2+, Cu2+, Ni2+, Zn2+ лучше, чем SDS, со степенью удерживания выше 99,9%. Поскольку для образования мицелл концентрация ПАВ в МЕУФ должна быть выше критической концентрации мицелл, МЕУФ нельзя использовать для разделения ионов металлов в низких концентрациях.

Даже если небольшое количество не будет деполимеризовано полиэлектролитом, дополненной метилцеллюлозой (КМЦ) и полистиролсульфоновой кислотой (ПСС), добавляемыми в сточные воды вместо поверхностно-активного вещества, полиэлектролит диссоциирует, противоион (Na+) попадает в воду, Полимер заряжен отрицательно, сточные воды содержат ионы тяжелых металлов, таких как Cu2+, и сочетание полимеров с отсечкой молекулярной массы полимера может быть использовано для удержания сточных вод Cu2+ в ультрафильтрационной мембране. Cu2+ в сточных водах может удерживаться ультрафильтрационной мембраной с меньшим значением MWCO, чем у полимера. Этот улучшенный MEUF называется ультрафильтрацией с полиэлектролитным усилением (PEIJF), и с помощью этого метода концентрацию Cu2+ в сточных водах можно снизить со 100 × 10-6 до 1 × 10-6.

Существует процесс ультрафильтрации, называемый IEIJF (ионно-вытесняющая ультрафильтрация), в котором для разделения используется отталкивающий эффект ионов. Хорошо известно, что мицеллы связывают меньше стехиометрического числа противоионов в воде и поэтому имеют заряд, близкий к константе в широком диапазоне концентраций ионов. IEUF использует это свойство мицелл для разделения ионов с тем же зарядом, что и она, и на следующем рисунке показана схематическая диаграмма процесса IEUF. Согласно принципу равновесия Доннана, когда диссоциированные анионы и катионы в растворе находятся в равновесии в пермеате и концентрируются по обе стороны мембраны, продукты их ионной активности равны, и, таким образом, можно рассчитать концентрацию каждого иона. Расчеты показывают, что при достижении равновесия Cr042- может быть сконцентрирован в пермеате в 21,5 раза.

Другие промышленные применения ультрафильтрации:

(1) Применение ультрафильтрации при подготовке воды высокой чистоты.

Многие промышленные требования к воде очень строгие, особенно в электронной промышленности, во многих местах приходится использовать воду высокой чистоты, которая играет важную роль в обеспечении качества продукции. Например, в процессах нарезки, шлифования, эпитаксиального, диффузионного и испарения полупроводниковых устройств интегральной схемы, которые необходимо многократно очищать водой высокой чистоты, интегральные схемы занимают очень небольшую площадь, между соседними компонентами имеется множество схем, расстояние между соседними компонентами составляет всего 0,002 мм или около того. , поэтому требования к очистке воды очень строгие. Общие требования к не содержащим ионов, нерастворимым органическим веществам, отсутствию бактериальных тел и частиц размером более 0,5 мкм. На каждом заводе IC имеется центральная система производства воды высокой чистоты, которая затем доставляется к месту использования через распределительную систему. Процесс очистки выглядит следующим образом:

Водопроводная вода → предварительная фильтрация → ультрафильтрация (или микрофильтрация) → обратный осмос → смешанный слой анионов и катионообменных смол → ультрафильтрация → микрофильтрация в системе распределения → микрофильтрация в месте использования → использование

Ультрафильтрацию в основном используют для удаления коллоидов, частиц и бактерий в процессе подготовки воды высокой чистоты. Компоненты ультрафильтрации, используемые для подготовки воды высокой чистоты, в основном представляют собой полые волокна со скоростью потока пермеата через мембрану до 2 ~ 4 м / день.

(2) Очистка сточных вод, содержащая крахмал и ферменты.

В некоторых отраслях пищевой промышленности, таких как переработка картофеля, сточные воды содержат низкую концентрацию крахмала, сбросы пивоваренной промышленности содержат ферменты и так далее. Ультрафильтрацию можно использовать для восстановления крахмала и ферментов, а также для получения сточных вод, которые можно сливать.

(3) Очистка воды от расшлихтовки в текстильной промышленности.

Проклеивающие материалы, такие как крахмал и водорастворимые полимеры (поливиниловый спирт), часто используются в текстильных процессах для облегчения процесса. Тканую ткань промывают для удаления проклеивающего материала, в результате чего получается разбавленный раствор, содержащий проклеивающий материал. Ультрафильтрацию можно использовать для извлечения этого проклеивающего материала для повторного использования, в результате чего получается водный фильтрат хорошего качества, который можно выгружать или повторно использовать.

(4) Концентрация эмульсии.

При производстве и применении синтетического каучука промывная вода емкостей, реакторов и т. д. содержит разбавленный эмульсионный раствор, который успешно концентрируется с помощью процесса ультрафильтрации.

(5) Обработка сливным раствором промытой шерсти.

Эти выделения содержат эмульгированные масла и жиры ланолинового типа, эмульгированные моющими средствами, которые можно обезвоживать путем ультрафильтрации (часто в сочетании с центрифугированием).

(6) Очистка выбросов целлюлозного завода.

Этот сброс содержит высокомолекулярные лигносульфонаты, которые можно отделить и сконцентрировать ультрафильтрацией.

(7) Применение в процессе подготовки китайской медицины.

В настоящее время Министерство здравоохранения Китая включило технологию мембранного разделения в качестве одного из методов разделения и очистки для традиционной китайской медицины. Технология ультрафильтрации в основном используется при приготовлении инъекций традиционной китайской медицины (например, составных инъекций даньшэнь, инъекций Иньхуо Хуан, инъекций дезинфицирующих напитков Умай и т. д.), экстракции активных ингредиентов (например, экстракции теста хуанлин из хуанлинга) и приготовление лекарственных экстрактов и так далее. Ультрафильтрация отдельно или с активированным углем, обратный осмос также используется для эффективного удаления бактерий и пирогенов; приготовление перорального раствора китайской медицины (пероральный раствор с эссенцией женьшеня, пероральный раствор с четырьмя эссенциями Hailong Haji), приготовление чистой воды для фармацевтического использования, медицинских напитков.

Пищевое биохимическое применение ультрафильтрации

Пищевое биохимическое применение ультрафильтрации ——- Очистка молочных продуктов путем ультрафильтрации

Процесс производства молочного уксуса в молочной промышленности будет производить большое количество сыворотки, согласно статистике, только в Соединенных Штатах ежегодно производится 25 миллионов м3 сыворотки, поэтому эта область стала крупнейшей областью применения ультрафильтрации. Путем ультрафильтрации можно получить концентрат, содержащий 10% белка, а при распылительной сушке можно получить сухую сыворотку, содержащую 65% белка, которую можно использовать в качестве заменителя сухого обезжиренного молока в хлебобулочных изделиях. При дальнейшем обессоливании можно получить продукт с содержанием белка более 80%, который можно использовать в детском питании. А пермеат, содержащий лактозу, после концентрирования и сушки можно использовать в качестве корма для животных.

Очистка сыворотки методом ультрафильтрации

При ультрафильтрации сыворотки используются различные формы модулей, самый большой из которых имеет площадь мембраны 1800 м2 и суточную производительность 1000 м3 сыворотки. обычно он работает при температуре 50°C. Скорость потока мембранного пермеата первоначально превышает 1 м3. Скорость потока мембранного пермеата изначально превышает 1 м/день, но когда сыворотка концентрируется в 10 раз, вязкость превышает 0,002Па·с (0,02P), скорость потока мембранного пермеата падает до 0,5 м/день, и Таким образом, предел концентрации во многом определяется загрязнением мембраны и увеличением вязкости сывороточного концентрата. Ультрафильтрация, применяемая в пищевой промышленности, является наиболее важным вопросом ежедневной очистки и стерилизации. Обычно сначала промывают щелочью, затем кислотой и, наконец, стерилизуют раствором гипохлорита натрия. Срок службы мембраны может составлять более 1 года.

Новый процесс производства сыра заключается в том, чтобы сначала 3-4 раза концентрировать обезжиренное молоко путем ультрафильтрации, а затем использовать его концентрат для ферментации для получения молочного уксуса, который постепенно популяризируется благодаря своему большому превосходству. Поскольку обработанный концентрат используется для производства молочного фермента, его выход можно увеличить более чем на 20%, по самым скромным оценкам можно сэкономить 6% молока; Кроме того, из-за удаления лактозы из молока вкус молочного уксуса становится более вкусным, и, наконец, также снижается объем обработки сыворотки.

Пищевое биохимическое применение ультрафильтрации —— Осветление сока ультрафильтрацией

Свежий сок, извлеченный из яблок, мутный из-за присутствия таких соединений, как пектин. Обычные методы используют ферменты, сапонины и желатин для их осаждения, а затем надосадочную жидкость отбирают и фильтруют для получения осветленного сока. Посредством ультрафильтрации или микрофильтрации для осветления сока сначала удаляют пектин лишь частично, можно уменьшить количество фермента, устранить сапонин и желатин, сэкономить сырье, а также сэкономить труд и время. В то же время степень восстановления сока была улучшена до 98–99%. Кроме того, ультрафильтрационная обработка качества сока также была улучшена: мутность составляет всего 0,4 ~ 0,6 NTU (традиционный процесс для 1,5 ~ 3,0 NTU). А потому, что ультрафильтрация может быть метатермическим удалением бактерий из сока, тем самым продлевая срок хранения сока.

Пищевое биохимическое применение ультрафильтрации —- экстракция сывороточного альбумина ультрафильтрацией

Выделение сывороточного альбумина из плазмы включает сложную серию процессов. Обработанная фракция, содержащая 3% альбумина, 20% этанола и другие небольшие молекулы, отделяется от этанола в трехэтапном процессе с использованием ультрафильтрационной мембраны с MWCO 30 000. На первом и втором этапах скорость потока мембранного пермеата составляла 0,5-0,7 м/сут, а на последнем этапе она снижалась до уровня ниже 0,1 м/сут. Согласно последнему отчету [названо использование мембраны из металлического диоксида циркония с предельной молекулярной массой 10 000, которая имеет более длительный срок службы мембраны и большую энергию. В сочетании с использованием обратной промывки и импульсной подачи можно уменьшить загрязнение мембраны, скорость проникновения на первой и второй ступени может быть увеличена почти в 1 раз, а концентрация альбумина в пермеате значительно ниже, обычно менее 0,4 г/л.