Membrany ceramiczne

W odniesieniu do systemów membranowych ważne są głównie następujące aspekty: stabilność procesu, dostępność membran, niskie wymagania oczyszczania wstępnego, minimalna potrzeba utrzymywania i konserwacji systemu. W przeciwieństwie do membran polimerowych, membrany ceramiczne spełniają wszystkie wyżej wymienione wymagania. Są one chemicznie i fizycznie stabilne, mają wysoką zdolność separacji oraz cechują się trwałością. Materiały ceramiczne są ogólnie bardzo trwałe pod względem chemicznym, termicznym i mechanicznym oraz biologicznym. Dlatego właśnie są one idealne w szerokim spektrum zastosowań; w przemyśle chemicznym i farmaceutycznym oraz w procesach oczyszczania wody. Oczyszczana ciecz przepływa przez kanały w membranie. Cząsteczki są zatrzymywane jeśli ich wielkość przewyższa średnice porów w membranach; w ten sposób powstaje przepływ skoncentrowany (concentrate). Pozostała część cieczy przepływa przez pory (tzw. permeat) i może być dalej oczyszczana lub wykorzystana w procesie .

Membrany ceramiczne mają wiele zalet; umożliwiają separacje cząsteczek stałych od cieczy w sposób fizyczny. Są one przyjazne dla środowiska i często stosowane w procesach oczyszczania wody. W systemach membran ceramicznych nie ma potrzeby stosowania żadnych dodatkowych substancji chemicznych a temperatura procesu separacji nie jest ograniczona. Filtracja przy użyciu membran ceramicznych jest łagodnym, wysoce selektywnym procesem bez zastosowania związków chemicznych. Koszty bieżące systemu są zredukowane dzięki zamkniętemu cyklowi i ciągłości procesu. Membrany ceramiczne mają następujące zalety: chemiczna, mechaniczna oraz termiczna stabilność możliwość sterylizacji za pomocą pary wodnej oraz płukania zwrotnego (back flushing); wysoka odporność na uszkodzenia; wysokie wartości przepływu; wysoka trwałość; odporność na działanie bakterii; możliwość odnowienia membran; przechowywanie w stanie suchym po wypłukaniu Wadami tego rodzaju membran są: duża waga oraz znaczne koszty produkcji ceramicznych elementów. Jednakże koszty te są kompensowane przez długi czas ich użytkowania (trwałość).

Membrany zbudowane są z tlenku a-glinu lub silikum-karbidu. Maja strukturę porowatą. Materiał ten zapewnia nie tylko maximum przepuszczalność, ale również zapewnia mechaniczną odporność. Membrany ceramiczne występują w formie albo pojedynczych kanałów albo wielo-kanałowych konstrukcji. Warstwa membranowa o określonej teksturze i grubości kilku mm jest aplikowana do wnętrza kanałów w tak zwanym procesie "sandwich-type". Zastosowanie: Początkowo membrany ceramiczne używane były w technologiach oczyszczania ścieków. Obecnie, zastosowanie tych membran w procesach filtracji pokrywa szerokie spektrum: Przemysł chemiczny: - separacja produktu i oczyszczanie - koncentracja zawiesin polimerowych i roztworów wodorotlenków metali - separacja katalizatorów - odzyskiwanie farb i tuszy - odsalanie produktów - oczyszczanie i recyrkulacja rozpuszczalników organicznych Przemysł metaliczny i podobne: - recykling i składowanie "kąpieli" odtłuszczających i wody z płukania - oczyszczanie emulsji typu woda/olej - odzyskiwanie metali ciężkich - oczyszczanie ścieków z procesów szlifowania - oczyszczanie ścieków z produkcji szkła i włókna szklanego Tekstylia / Produkcja papieru: - koncentracja, dzielenie na frakcje, odseparowywanie i sterylizacja antybiotyków, enzymów, protein, aminokwasów oraz witamin - separacja, koncentracja i odwadnianie biomasy i alg - składowanie emulsji tłuszczowych - separacja drożdży - odsalanie Przemysł spożywczy: - klarowanie piwa i soków - koncentracja soków - sterylizacja mleka i serwatki - separacja i wydzielanie frakcji składników mleka i serwatki - odsalanie serwatki - odwadnianie produktów - oczyszczanie wody pitnej Recykling i środowisko: - redukcja BZT i ChZT - separacja olej/woda - odzyskiwanie farmaceutyków i pestycydów - separowanie mikroorganizmów - gromadzenie metali ciężkich i elementów radioaktywnych - recykling wody z basenów - oczyszczanie kanałów doprowadzających i urządzeń traktujących ścieki

Badania nad zastosowaniem nowych membran ceramicznych

Nowe ceramiczne membrany nanofiltracji Nanofiltracja staje się coraz ważniejszą metodą w oczyszczaniu ścieków, jako separacja za pomocą membran kierowanych siła sprawczą ciśnienia. Ograniczenia w zastosowaniu membran polimerowych pojawiają się kiedy stabilność chemiczna, termalna oraz mechaniczna membran jest przekroczona przez medium, które ma być traktowane. Długoterminowa odporność membran polimerowych nawet z największą odpornością chemiczną i mechaniczną, została dowiedziona jako nie wystarczająca w problemach separacji na poziomie przemysłowym. Membrany ceramiczne mają połączoną zaletę wysokiej chemicznej, mechanicznej i termalnej odporności, i z tego powodu wiele firm oraz instytutów badawczych pracuje nad rozwojem membran ceramicznych od wielu lat. W artykule 'Characteristics and application of new ceramic nanofiltration membranes' ("Charakterystyka i zastosowanie nowych ceramicznych membran do nanofiltracji"), Weber at Al. opisuje pewne testy przeprowadzone z ceramicznymi pojedynczymi lub wielokanałowymi membranami z warstwą aktywną wykonaną z TiO2 lub ZrO2. Zakres potencjału Zeta oraz znak polarność pozwalają na wyciągniecie wniosków o ładunku na powierzchni membrany. Potencjał Zeta ceramicznych membran nanofiltracji został określony na podstawie metody "streaming potential", jedynej metody odpowiedniej do scharakteryzowania płaskiej powierzchni membran. Ultrafiltracja i mikrofiltracja są faktycznie charakteryzowane na podstawie określenia trans-membranowego "strumieniowego potencjału" (streaming potential), który jest indukowany kiedy elektrolit przechodzi przez pory w membranie. "Streaming potential" w tym badaniu był zmierzony kiedy elektrolit był przepompowany stycznie przez powierzchnie membrany. Jednostka testowa membrany była użyta w eksperymentach nad właściwościami filtracji membran ceramicznych nanofiltracji. Działanie separowania i właściowości ładunku pięciu komercyjnych membran ceramicznych jak również nowo wytworzonych ceramicznych membran nanofiltracji zrobionych z TiO2 zostały scharakteryzowane. Rezultaty przepuszczalności wody czystej pokazały, że poziom przepuszczalności wszystkich membran ceramicznych badanych był znacznie wyższy niż poziom obecnie dostępnych membran polimerowych. Test w celu określenia wagi cząsteczkowej zatrzymanej na membranie pokazał, że nowe membrany ceramiczne z TiO2 mogą być jasno zdefiniowane jako membrany nanofiltracji. Dla porównania, retencja membran określona dla wszystkich innych komercyjnych membran ceramicznych była wyraźnie gorsza, w czasie gdy przepuszczalność była podobna lub nawet niższa. Retencja soli była kontrolowana poprzez ładunek na membranie. Ładunek ten został określony poprzez pomiar potencjału Zeta w rożnych pH. Jedynie nieznaczne wartości retencji soli zostały zanotowane dla ceramicznych membranach nanofiltracji w pH 6.5 (punkt izoelektryczny), podczas gdy retencja w wyższych zakresach ładunku, np. w wysokich i niskich wartościach pH, wzrastała znacznie. Retencja elektrolitu wzrasta, gdy ciśnienie rośnie od 6 do 15 bar. Poza zależnością od pH, retencja membran była również mocno zależna od stężenia elektrolitu we wszystkich badanych roztworach elektrolitu. Kiedy stężenie wzrastało w roztworze NaCl od 0.01 do 0.1 mol/l, retencja membrany spadała zauważalnie. Testy udowodniły, że było możliwe stworzenie membrany ceramicznej, która może być zaklasyfikowana jako membrana nanofiltracji ze względu na swoje właściwości retencyjne związków organicznych. W przeciwieństwie, test porównawczy nad wszystkimi innymi membranami komercyjnymi pokazał, że mieszczą się one w kategorii pośredniej ultrafiltracji a nanofiltracji, znacząco ponad 1000 g/mol. Retencja soli jest kontrolowana przez ładunek na membranie i zależy, w dużym stopniu, od rodzaju soli, stężenia soli jak również wartości pH roztworu. Ponieważ ceramiczne membrany nanofiltracji są ogólnie droższe niż standardowe komercyjne membrany polimerowe, ich użycie powinno skupić się na zastosowaniach w terenie, które wymagają większej odporności termicznej i chemicznej. Użycie nowych ceramicznych membran nanofiltracji było badane dla kilku zastosowań dla prawdziwych mediów, skupiając się na dekoloryzacji wody ściekowej z przemysłu tekstylnego, oczyszczaniu gorących roztworów alkalicznych z maszyn do mycia butelek oraz oczyszczaniu roztworów z "kąpieli" z przemysłu metalicznego. Wysokie poziomy przepuszczalności, dobra retencja związków organicznych jak również niska tendencja do zagniwania ("fouling") na membranie zostały potwierdzone szczególnie w przypadku nowo rozwiniętych typów membran ceramicznych. Zalety tych membran w porównaniu z komercyjnymi membranami polimerowymi i komercyjnymi membranami ceramicznymi dają dobry argument do przemysłowego zastosowania nowo rozwiniętych ceramicznych membran, szczególnie w traktowaniu wody zanieczyszczonej z przemysłu tekstylnego zawierającej farby, jak również w traktowaniu roztworów alkalicznych z maszyn do mycia butelek. Jednakże, retencja soli spada mocno kiedy stężenie elektrolitu rośnie podczas traktowania roztworów z "pickling bath" ("kąpiele trawienne") z przemysłu metalicznego, więc zastosowanie membran ceramicznych nanofiltracji w tym zakresie nie jest wszechstronną opcją. Użycie ceramicznych membran ultra i nanofiltracji w odsalaniu Woda słodka jest bardzo ważna w każdym aspekcie życia. Oczyszczanie wody zanieczyszczonej, słonawej lub morskiej jest dobrym rozwiązaniem jako źródło wody słodkiej. Wśród wszystkich technik odsalania, osmoza odwrócona jest znana jako klasyczny proces; nanofiltracja i ultrafiltracja mogą być również użyte. Rezultat odsalania zależy od stężenia jonów i skomplikowania medium traktowanego, ale również od rodzaju materiału membrany. W artykule naukowym 'Use of ultra nad nanofiltration ceramic membranes for desalination' ("Użycie ceramicznych membran ultra i nanofilracji w odsalaniu") Condom, Larbot et Al. dyskutują na temat efektów z rezultatów otrzymanych z filtracji rożnych roztworów solnych używając kilku membran ceramicznych przygotowanych przez "sol-gel route". Membrany testowane były zbudowane z g glinu, CoAl2O4 oraz TiO2/ZnAl2O4. Eksperymenty filtracji były prowadzone na skale laboratoryjną pilotażową. Otrzymane rezultaty dla membran z g glinu pokazują, że stopień zatrzymania mocno zależy od natury soli filtrowanej. Najlepsze zatrzymanie było zaobserwowane dla soli MA2, słabe zatrzymanie dla soli M2A. Ładunek powierzchni materiału, który zależy od pH materiału filtrującego, jest ważnym parametrem kierującym wydajnością procesu przez membranę, zwłaszcza przy usuwaniu jonów. Zróżnicowanie stopnia zatrzymania rożnych soli zależy od pH roztworu filtrowanego, jako konsekwencja elektrycznych interakcji miedzy zachodzących jonami a ładunkiem powierzchni membrany. Kiedy pH roztworu sięga wartości pH gdzie ładunek na membranie wynosi zero, zatrzymanie jest bardzo niskie a następnie wzrasta dla wartości pH gdzie powierzchnia membrany jest naładowana ujemnie. Ogólnie, pomiar "potencjału strumieniowego" przez membranę wydaje się być dobrym parametrem do przewidywania stopnia zatrzymania soli zamiast metody "electrophoretic powder mobility" ("mobilność proszku elektroforetycznego"), która nie zawsze jest w zgodności ze stopniem zatrzymania.

Techniczna specyfikacja membran ceramicznych

Struktura Membrany ceramiczne mają zwykle strukturę asymetryczną składającą się z przynajmniej dwóch, zwykle trzech, rożnych poziomów porowatości. Przed aplikacją aktywnej, mikroporowatej warstwy wierzchniej, mezoporowata pośrednia warstwa jest często stosowana w celu zredukowania chropowatości powierzchni. Mikroporowata podpora zapewnia opór mechaniczny nanofiltra. Membrany ceramiczne są często tworzone jako asymetryczny, wielokanałowy element. Elementy te są pogrupowane w obudowach, i mogą one przeciwstawić się wysokim temperaturom, ekstremalnej kwasowości lub zasadowości i dużym ciśnieniom działania. To sprawia że są one odpowiednie do wielu zastosowań tam gdzie polimeryczne i inne nieorganiczne membrany nie mogą być użyte. Kilka wielkości porów membran jest dostępnych do określonych potrzeb filtracji biorąc pod uwagę zakres mikrofiltracji, ultrafiltracji i nanofiltracji (od 5 mm w dół do 1000 Daltonów). Materiał Membrany ceramiczne mogą być zbudowane z całej gamy materiałów od A do Z (od alfa glinu do cyrkonu = zircon). Najpowszechniejsze membrany zbudowane są z tlenków Al, Si, Ti lub Zr, z tlenkami Ti oraz Si bardziej stabilnymi niż tlenki Al lub Si. W niektórych przypadkach, Sn lub Hf są używane jako podstawowe elementy. Każdy tlenek ma rożny ładunek powierzchniowy w roztworze. Inne membrany mogą być zbudowane z mieszaniny tlenków dwóch wcześniej wymienionych związków lub powstają w wyniku dodatkowych komponentów obecnych w niewielkim stężeniu. Przepływ Membrany ceramiczne działają w trybie filtracji "cross flow". Tryb ten ma zaletę podtrzymywania wysokiego współczynnika filtracji membran w porównaniu z trybem filtracji przepływu bezpośredniego filtrów konwencjonalnych. Filtracja "cross flow" to ciągły proces, podczas którego doprowadzany strumień płynie równolegle (stycznie) do powierzchni filtracyjnej membrany i generuje dwa wychodzące strumienie. Niewielka frakcja wody doprowadzanej do filtra, zwana filtratem, jest separowana jako czysta ciecz przechodząca przez membranę. Frakcja pozostająca, zwana koncentratem, zawiera cząsteczki oddzielone przez membranę. Separacja jest wywoływana przez różnice ciśnień na membranie, lub ciśnienie trans-membranowe. Przepływ równoległy strumienia doprowadzanego do filtracji, w połączeniu z turbulencjami na warstwie granicznej powstałymi w wyniku prędkości "cross flow", stale zmiata cząsteczki i inne materiały, które w przeciwnym wypadku gromadziłyby się na powierzchni membrany.
Kształty elementów Membrany ceramiczne są dostępne od kilku producentów w różnych kształtach, głównie okrągłe i sześciokątne i z różnymi wielkościami średnic kanałów. Konstrukcja wielokanałowa umożliwia większa gęstość upakowania membran niż rurowy element o tej samej długości. Elementy membran ceramicznych mają uszczelnienia przymocowane na każdym końcu i są następnie umieszczane w obudowie dostępnej jako 316L SS, poliwinyl i rożne stopy metali. Typowa instalacja przemysłowa będzie posiadała kilka takich modułów zorganizowanych w serie lub/i równolegle konfiguracje.
Zastosowanie Membrany ceramiczne są coraz częściej używane w wielu gałęziach przemysłu takich jak biotechnologia i przemysł farmaceutyczny, mleczarski, spożywczy jak również chemiczny i petrochemiczny, mikroelektronika, wykończenie metali i generacja mocy (elektrownie). Każdy przemysł ma specyficzne wymagania i możliwości. Moduły membran mogą wytrzymać podwyższone temperatury, ekstremalne wartości pH (0 do 14) i wysokie ciśnienia działania do 10 bar (145 psi), bez zmartwień że dojdzie do ubicia membran, rozwarstwienia czy nabrzmienia elementów systemu. To sprawia że membrany są odpowiednie do wielu zastosowań gdzie polimeryczne i inne nieorganiczne membrany nie mogą być użyte. Dodatkowo, membrany ceramiczne są idealne do oczyszczania chemicznego in-situ w wysokich temperaturach, w czasie użycia sody kaustycznej, chloru, nadtlenku wodoru, ozonu i mocnych kwasów nieorganicznych, lub/i przy zastosowaniu sterylizacji parą. Zastosowania przemysłowe Klarowanie naturalnych soków owocowych, takich jak jabłkowy, porzeczkowy czy winogronowy jest jednym z najbardziej pomyślnych i szeroko praktykowanym zastosowan membran ceramicznych. W filtracji soku z trzciny cukrowej membrany ceramiczne mogą być użyte w kilku rożnych etapach w produkcji cukru uszlachetnionego (oczyszczonego) lub nieczyszczonego. Potrzeba kupna, użycia a następnie utylizacji filtra pomocniczego jest wyeliminowana. Membrany ceramiczne są używane w klarowaniu bulionu fermentacyjnego w wielu instalacjach na całym świecie, pomyślnie konkurując z innymi technologiami takimi jak membrany polimeryczne, "vacuum filtration" czy wirowanie (wirówki). Wreszcie, w wielu zastosowaniach w procesach chemicznych istnieje potrzeba oczyszczania nie tylko strumienia ścieków, ale również odzyskiwania i ponownego użycia związków chemicznych. Membrany ceramiczne mogą być zastosowane do tych celów, np. filtracja rozpuszczlników chemicznych, ścieków po produkcji i wykorzystaniu farb i pigmentu i wielu innych wód zanieczyszczonych zawierających detergenty, polimery i rozpuszczalniki organiczne. Przyszły rozwój Membrany ceramiczne i polimerowe to z pewnością dwa oddzielne rodzaje nowoczesnych membran nanofiltracji/ osmozy odwróconej, każdy ze swoimi szczególnymi cechami i możliwościami. Z obecną dominacją zastosowań z udziałem wody na rynku nanofiltracji/RO, pojawienie się nowych odpornych na rozpuszczalniki membran nanofiltracji otwiera nowe i ekscytujące możliwości w chemicznych procesach przemysłowych. Czasami trudne warunki napotykane w tych procesach sprzyjają użyciu membran ceramicznych. W celu naprowadzenia przyszłego postępu w tworzeniu membran dla obu odpornych na rozpuszczalniki i wodnych NR/RO, dobre rozpoznanie mechanizmu transportu przez membrany jest istotne. Podczas gdy wspólzależności typu polimer-woda są dobrze udokumentowane i zrozumiane, o wiele więcej pracy musi być wykonane w zastosowaniach odpornych na rozpuszczalniki

---