Membran teknolojisi - Membrane technology
Membran teknolojisi, geçirgen membranlar yardımıyla maddelerin iki fraksiyon arasında taşınmasına yönelik tüm mühendislik yaklaşımlarını kapsar . Genel olarak, gaz veya sıvı akımlarını ayırmak için mekanik ayırma prosesleri membran teknolojisini kullanır.
Uygulamalar
Membran ayırma işlemleri ısıtma olmadan çalışır ve bu nedenle damıtma, süblimasyon veya kristalleştirme gibi geleneksel termal ayırma işlemlerinden daha az enerji kullanır . Ayırma işlemi tamamen fizikseldir ve her iki fraksiyon ( permeat ve retentat ) kullanılabilir. Membran teknolojisini kullanan soğuk ayırma, gıda teknolojisi, biyoteknoloji ve ilaç endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır . Ayrıca, membranların kullanılması, termal ayırma yöntemleri kullanılarak imkansız olan ayırmaların gerçekleşmesini sağlar. Örneğin, izomorfik kristaller oluşturan azeotropik sıvıların veya çözünen maddelerin bileşenlerini damıtma veya yeniden kristalleştirme yoluyla ayırmak imkansızdır, ancak bu tür ayırmalar membran teknolojisi kullanılarak elde edilebilir. Membranın tipine bağlı olarak, belirli bireysel maddelerin veya madde karışımlarının seçici olarak ayrılması mümkündür. Önemli teknik uygulamalar arasında ters ozmoz ile içme suyu üretimi yer almaktadır . En büyük RO tuzdan arındırma tesisi Sorek, İsrail'dedir ve günde 624.000 metreküp (137.000.000 imp gal) üretime sahiptir. Diğer kullanımlar arasında gıda endüstrisindeki filtrasyonlar, petro-kimyasal buhar geri kazanımı gibi organik buharların geri kazanılması ve klor üretimi için elektroliz yer alır .
Gelen atık su arıtma, membran teknolojisi giderek daha önemli hale gelmektedir. Ultra / mikrofiltrasyon yardımı ile partiküllerin, kolloidlerin ve makromoleküllerin uzaklaştırılması mümkündür, böylece atık su bu şekilde dezenfekte edilebilir. Atık su, özellikle temaslı su sporları ve rekreasyon amaçlı hassas sulara boşaltılıyorsa bu gereklidir.
Pazarın yaklaşık yarısı böyle tarafından zehirli maddelerin arındırılması için yapay böbrek kullanımı gibi tıbbi uygulamalarda olduğu hemodiyaliz gibi yapay akciğer oksijen kabarcıksız temini için kan .
Çevre koruma alanında membran teknolojisinin önemi artmaktadır ( NanoMemPro IPPC Veritabanı ). Modern enerji geri kazanım tekniklerinde bile, örneğin yakıt hücrelerinde ve ozmotik enerji santrallerinde membranlar giderek daha fazla kullanılmaktadır .
Kütle Transferi
Membran yoluyla kütle transferi için iki temel model ayırt edilebilir:
- Çözelti-difüzyon modeli ve
- hidrodinamik modeli .
Gerçek membranlarda, bu iki taşıma mekanizması, özellikle ultra filtrasyon sırasında kesinlikle yan yana gerçekleşir.
Çözelti-difüzyon modeli
Çözelti difüzyon modelinde taşıma sadece difüzyonla gerçekleşir . Taşınması gereken bileşen önce membranda çözülmelidir. Çözelti-difüzyon modelinin genel yaklaşımı, sıvı ve membran fazlarındaki kimyasal potansiyel için uygun ifadelerin çözeltide eşitlenebilmesi için besleme ve nüfuz eden akışkanların kimyasal potansiyelinin bitişik membran yüzeyleri ile dengede olduğunu varsaymaktır. -membran arayüzü. Bu ilke, ters ozmoz ve yakıt hücrelerinde kullanılanlar gibi doğal gözenekleri olmayan yoğun membranlar için daha önemlidir . Filtrasyon işlemi sırasında membran üzerinde bir sınır tabakası oluşur. Bu konsantrasyon gradyanı, zardan geçemeyen moleküller tarafından oluşturulur . Etki, konsantrasyon polarizasyonu olarak adlandırılır ve süzme sırasında meydana gelen, azaltılmış bir transmembran akışına ( akı ) yol açar . Konsantrasyon polarizasyonu, prensipte, ilk akışın neredeyse tamamen geri yüklenmesiyle sonuçlanan membranın temizlenmesiyle tersine çevrilebilir. Membrana teğetsel bir akış kullanmak (çapraz akışlı filtrasyon) konsantrasyon polarizasyonunu da en aza indirebilir.
hidrodinamik model
Gözenekler yoluyla taşıma – en basit durumda – konvektif olarak yapılır . Bu, gözeneklerin boyutunun iki ayrı bileşenin çapından daha küçük olmasını gerektirir. Bu prensibe göre çalışan membranlar esas olarak mikro ve ultrafiltrasyonda kullanılır. Ayrı için kullanılan makro moleküller ile ilgili çözümler, koloitler, bir gelen dispersiyon ya da kaldırma bakteri. Bu işlem sırasında tutulan partiküller veya moleküller, zar üzerinde hamursu bir kütle ( filtre keki ) oluşturur ve zarın bu tıkanması filtrasyonu engeller. Bu tıkanıklık, çapraz akış yöntemi ( çapraz akışlı filtrasyon ) kullanılarak azaltılabilir . Burada filtre edilecek sıvı, membranın önü boyunca akar ve membranın önü ve arkası arasındaki basınç farkı ile önde retentat (akan konsantre) ve arkada permeate (filtrat) olarak ayrılır . Ön taraftaki teğetsel akış, filtre kekini kıran ve kirlenmeyi azaltan bir kesme gerilimi yaratır .
Membran operasyonları
Operasyonun itici gücüne göre şunları ayırt etmek mümkündür:
- Basınca dayalı işlemler
- Konsantrasyon odaklı operasyonlar
- Elektrik potansiyeli gradyanındaki işlemler
- elektrodiyaliz
- membran elektrolizi, örneğin kloralkali prosesi
- elektroiyonizasyon
- elektrofiltrasyon
- yakıt hücresi
- Sıcaklık gradyanındaki işlemler
Membran şekilleri ve akış geometrileri
Membran proseslerinin iki ana akış konfigürasyonu vardır: çapraz akış (veya teğet akış) ve çıkmaz filtrasyonlar. Çapraz akışlı filtrasyonda, besleme akışı membranın yüzeyine teğettir, filtre edilmeyen madde aynı taraftan daha aşağı akış yönünde çıkarılırken, süzüntü akışı diğer tarafta izlenir. Çıkmaz filtrasyonda sıvı akışının yönü membran yüzeyine normaldir. Her iki akış geometrisi de bazı avantajlar ve dezavantajlar sunar. Genellikle, laboratuvar ölçeğinde fizibilite çalışmaları için çıkmaz filtrasyon kullanılır. Çıkmaz membranların imalatı nispeten kolaydır, bu da ayırma işleminin maliyetini düşürür. Çıkmaz membran ayırma işleminin uygulanması kolaydır ve işlem genellikle çapraz akışlı membran filtrasyonundan daha ucuzdur. Çıkmaz filtrasyon işlemi genellikle, filtreleme çözeltisinin membran cihazına yüklendiği (veya yavaşça beslendiği) ve daha sonra itici güce tabi bazı parçacıkların geçişine izin verdiği toplu tip bir işlemdir. Çıkmaz bir filtrasyonun ana dezavantajı, yoğun membran tıkanması ve konsantrasyon polarizasyonudur . Kirlenme genellikle daha yüksek itici kuvvetlerde daha hızlı indüklenir. Besleme solüsyonunda membran tıkanması ve partikül tutulması ayrıca bir konsantrasyon gradyanları ve partikül geri akışı (konsantrasyon polarizasyonu) oluşturur. Teğetsel akış cihazları daha maliyetli ve emek yoğundur, ancak süpürme etkileri ve geçen akışın yüksek kesme hızları nedeniyle kirlenmeye karşı daha az hassastırlar. En yaygın olarak kullanılan sentetik membran cihazları (modüller) düz levhalar/levhalar, spiral sargılar ve içi boş liflerdir .
Düz plakalar genellikle çıkmaz geometri modüllerinde kullanılmak üzere dairesel ince düz membran yüzeyler olarak oluşturulur. Spiral yaralar, benzer yassı zarlardan yapılır, ancak oldukça gözenekli bir destek plakası ile ayrılmış iki zar tabakası içeren bir "cep" şeklindedir. Bu tür birkaç cep daha sonra teğetsel bir akış geometrisi oluşturmak ve membran tıkanmasını azaltmak için bir borunun etrafına sarılır. içi boş fiber modüller, yoğun cilt ayırma katmanlarına sahip kendi kendini destekleyen fiberlerin bir birleşiminden ve basınç değişimlerine dayanmaya ve yapısal bütünlüğü korumaya yardımcı olan daha açık bir matristen oluşur. İçi boş fiber modüller, çapları 200 ila 2500 μm arasında değişen 10.000'e kadar fiber içerebilir; İçi boş fiber modüllerin ana avantajı, kapalı bir hacim içinde çok geniş yüzey alanıdır ve ayırma işleminin verimliliğini arttırır.
Disk boru modülü, çapraz akışlı bir geometri kullanır ve bir basınç borusu ve merkezi bir germe çubuğu tarafından tutulan hidrolik disklerden ve iki disk arasında uzanan membran yastıklarından oluşur.
Membran performansı ve yöneten denklemler
Hedeflenen bir ayırma işlemi için sentetik membranların seçimi genellikle birkaç gereksinime dayanır. Membranlar, büyük miktarlarda besleme akışını işlemek için yeterli kütle transfer alanı sağlamalıdır. Seçilen membran, belirli partiküller için yüksek seçicilik ( reddetme ) özelliklerine sahip olmalıdır; kirlenmeye karşı dayanıklı ve yüksek mekanik stabiliteye sahip olmalıdır. Aynı zamanda tekrarlanabilir olması ve düşük üretim maliyetlerine sahip olması gerekir. Sabit basınç düşüşünde çıkmaz filtreleme için ana modelleme denklemi Darcy yasası ile temsil edilir:
burada V p ve Q sırasıyla süzüntü hacmi ve hacimsel akış hızıdır (besleme akışının aynı özellikleriyle orantılıdır), μ sızan sıvının dinamik viskozitesidir, A membran alanıdır, R m ve R ilgili dirençlerdir membran ve tıkayıcıların büyüyen tortusu. R, m, çözücünün (su) geçişine karşı bir membran direnci olarak yorumlanabilir. Bu direnç, zarın kendine özgü bir özelliğidir ve oldukça sabit olması ve itici güç Δp'den bağımsız olması beklenir. R, membran tıkayıcısının tipi, filtreleme solüsyonundaki konsantrasyonu ve tıkayıcı-membran etkileşimlerinin doğası ile ilgilidir. Darcy yasası, belirli koşullarda hedeflenen bir ayırma için zar alanının hesaplanmasına izin verir. Çözünen eleme katsayısı aşağıdaki denklem ile tanımlanır:
burada C f ve C p besleme içindeki eriyen madde konsantrasyonu ve sırasıyla nüfuz etmektedir. Hidrolik geçirgenlik, direncin tersi olarak tanımlanır ve aşağıdaki denklemle temsil edilir:
burada J permeat olan akı membran, birim alan başına hacimsel akış hızıdır. Çözünen eleme katsayısı ve hidrolik geçirgenlik, sentetik membran performansının hızlı bir şekilde değerlendirilmesini sağlar.
Membran ayırma işlemleri
Membran ayırma prosesleri ayırma endüstrisinde çok önemli bir yere sahiptir. Bununla birlikte, 1970'lerin ortalarına kadar teknik olarak önemli kabul edilmediler. Membran ayırma işlemleri, ayırma mekanizmalarına ve ayrılan parçacıkların boyutuna göre farklılık gösterir. Yaygın olarak kullanılan membran prosesleri arasında mikrofiltrasyon, ultrafiltrasyon, nanofiltrasyon, ters ozmoz, elektroliz, diyaliz, elektrodiyaliz, gaz ayırma, buhar geçirgenliği, pervaporasyon, membran damıtma ve membran kontaktörleri bulunur. Pervaporasyon dışındaki tüm işlemler faz değişikliği içermez. Elektrodiyaliz dışındaki tüm işlemler basınçla yürütülür. Mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyon, yiyecek ve içecek işlemede (bira mikrofiltrasyonu, elma suyu ultrafiltrasyonu), biyoteknolojik uygulamalarda ve ilaç endüstrisinde ( antibiyotik üretimi, protein arıtma), su arıtma ve atık su arıtmada, mikroelektronik endüstrisinde ve diğerlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır . Nanofiltrasyon ve ters ozmoz membranları esas olarak su arıtma amacıyla kullanılmaktadır. Yoğun membranlar (CO çıkarılması gaz ayırma için kullanılmaktadır 2 N ayırma, doğal gazdan 2 hava, hava ya da azot akışı organik Buhar giderme elde edilmiş) ve bazen de membran damıtmada. Sonraki işlem, damıtma işlemlerinin maliyetlerini azaltan azeotropik bileşimlerin ayrılmasına yardımcı olur.
Gözenek boyutu ve seçicilik
Teknik membranların gözenek boyutları üreticiye bağlı olarak farklı şekilde belirtilir. Ortak bir ayrım, nominal gözenek boyutudur . Maksimum gözenek boyutu dağılımını tanımlar ve bir zarın tutma kapasitesi hakkında yalnızca belirsiz bilgiler verir. Membranın dışlama limiti veya "kesme" genellikle NMWC (nominal moleküler ağırlık kesme veya MWCO, Dalton cinsinden birimlerle moleküler ağırlık kesme) biçiminde belirtilir . Membran tarafından %90'a kadar tutulan küresel bir molekülün minimum moleküler ağırlığı olarak tanımlanır . Yönteme bağlı olarak kesme, daha sonra bir metrik birim olarak ifade edilen D 90'a dönüştürülebilir . Pratikte, zarın MWCO'su, ayrılacak molekülün moleküler ağırlığından en az %20 daha düşük olmalıdır.
İz kazınmış mika membranları kullanarak Beck ve Schultz, gözeneklerdeki moleküllerin engellenmiş difüzyonunun Renkin denklemi ile tanımlanabileceğini gösterdi.
Filtre membranları gözenek boyutuna göre dört sınıfa ayrılır:
|Gözenek büyüklüğü||Moleküler kütle||İşlem||filtreleme||Kaldırılması|
|> 10||"Klasik" filtre|
|> 0.1 um||> 5000 kDa||mikrofiltrasyon||< 2 çubuk||daha büyük bakteri, maya, parçacıklar|
|100-2 nm||5-5000 kDa||ultrafiltrasyon||1-10 bar||bakteriler, makromoleküller, proteinler, daha büyük virüsler|
|2-1 nm||0.1-5 kDa||nanofiltrasyon||3-20 bar||virüsler, 2 değerlikli iyonlar|
|< 1 deniz mili||< 100 Da||ters osmoz||10-80 bar||tuzlar, küçük organik moleküller|
Membran gözeneklerinin şekli ve şekli, üretim sürecine büyük ölçüde bağlıdır ve genellikle belirtilmesi zordur. Bu nedenle karakterizasyon için test filtrasyonları yapılır ve gözenek çapı membrandan geçemeyen en küçük partiküllerin çapını ifade eder.
Reddetme çeşitli şekillerde belirlenebilir ve gözenek boyutunun dolaylı bir ölçümünü sağlar. Bir olasılık makromoleküllerin (sıklıkla dekstran, polietilen glikol veya albümin ) süzülmesidir, diğeri ise jel geçirgenlik kromatografisi ile kesmenin ölçülmesidir . Bu yöntemler esas olarak ultrafiltrasyon uygulamaları için membranları ölçmek için kullanılır. Başka bir test yöntemi, tanımlanmış boyuttaki parçacıkların filtrasyonu ve bunların bir parçacık boyutlandırıcı veya lazer kaynaklı parçalanma spektroskopisi (LIBS) ile ölçülmesidir . Canlı bir karakterizasyon, dekstran mavisi veya diğer renkli moleküllerin reddedilmesini ölçmektir. Bakteriyofaj ve bakterilerin tutulması, sözde "bakteriye meydan okuma testi" de gözenek boyutu hakkında bilgi sağlayabilir.
|Nominal gözenek boyutu||mikroorganizma||ATCC kök numarası|
|0.1 um||Acholeplasma laylawii||23206|
|0,3 mikron||Bacillus subtilis sporları||82|
|0,5 um||Pseudomonas diminuta||19146|
|0.45 um||Serratia marcescens||14756|
|0,65 um||Lactobacillus brevis|
Gözenek çapını belirlemek için porozimetri (cıva, sıvı-sıvı porozimetresi ve Kabarcık Noktası Testi) gibi fiziksel yöntemler de kullanılır, ancak gözeneklerin belirli bir formu ( silindirik veya sıralı küresel delikler gibi) varsayılır. Bu tür yöntemler, gözenek geometrisi idealle eşleşmeyen membranlar için kullanılır ve membranı karakterize eden ancak gerçek filtrasyon davranışını ve seçiciliğini yansıtmayan "nominal" gözenek çapını elde ederiz.
Seçicilik, büyük ölçüde ayırma işlemine, membranın bileşimine ve gözenek boyutuna ek olarak elektrokimyasal özelliklerine bağlıdır. Yüksek seçicilik ile nükleer mühendislikte izotoplar zenginleştirilebilir (uranyum zenginleştirme) veya nitrojen gibi endüstriyel gazlar geri kazanılabilir ( gaz ayırma ). İdeal olarak, rasemikler bile uygun bir zar ile zenginleştirilebilir.
Membranları seçerken seçicilik, yüksek geçirgenliğe göre önceliğe sahiptir, çünkü modüler bir yapı ile filtre yüzeyi artırılarak düşük akışlar kolayca dengelenebilir. Gaz fazı filtrasyonunda, membranın gözenek boyutunun altındaki boyutlara sahip partiküllerin de tutulabilmesi için farklı biriktirme mekanizmaları çalışır.
Ayrıca bakınız
Notlar
Referanslar
- Osada, Y., Nakagawa, T., Membran Science and Technology, New York: Marcel Dekker, Inc, 1992.
- Zeman, Leos J., Zydney, Andrew L., Mikrofiltrasyon ve Ultrafitrasyon, İlkeler ve Uygulamalar., New York: Marcel Dekker, Inc, 1996.
- Mulder M., Membran Teknolojisinin Temel Prensipleri, Kluwer Academic Publishers, Hollanda, 1996.
- Jornitz, Maik W., Steril Filtrasyon, Springer, Almanya, 2006
- Van Reis R., Zydney A. Biyoproses membran teknolojisi. J Mem Sci . 297(2007): 16-50.
- Templin T., Johnston D., Singh V., Tumbleson ME, Belyea RL Rausch KD Mısır işleme akışlarından katıların membran ayrımı. Biores Tech . 97(2006): 1536-1545.
- Ripperger S., Schulz G. Biyoteknik uygulamalarda mikro gözenekli membranlar. Biyoproses Müh . 1(1986): 43-49.
- Thomas Melin, Robert Rautenbach, Membranverfahren, Springer, Almanya, 2007, ISBN 3-540-00071-2 .
- Münir Cheryan, Handbuch Ultrafiltrasyon, Behr, 1990, ISBN 3-925673-87-3 .
- Eberhard Staude, Membranen ve Membranprozesse, VCH, 1992, ISBN 3-527-28041-3 .