Введение
Физический процесс, при котором жидкость пропускается через специальную мембрану с определенным размером пор.
Микрофильтрация – это тип физического процесса фильтрации, при котором загрязненная жидкость пропускается через специальный мембранный фильтр с определенным размером пор для отделения микроорганизмов и взвешенных частиц от технологической жидкости. Она обычно используется в сочетании с различными другими процессами разделения, такими как ультрафильтрация и обратный осмос, для получения продукта, не содержащего нежелательных примесей.
Общие принципы
Микрофильтрация обычно используется в качестве предварительной обработки для других процессов разделения, таких как ультрафильтрация, и последующей обработки после фильтрации через гранулярные среды. Типичный размер частиц, используемых в микрофильтрации, составляет от 0,1 до 10 мкм. В пересчете на приблизительную молекулярную массу, эти мембраны способны отделять макромолекулы с молекулярной массой, как правило, менее 100 000 г/моль. Фильтры, применяемые в процессе микрофильтрации, специально разработаны для удержания частиц, таких как осадок, водоросли, простейшие или крупные бактерии, предотвращая их прохождение через фильтр. Более мелкие, атомные или ионные вещества, такие как вода (H2O), одновалентные ионы, например, натрия (Na+) или хлорида (Cl−), растворенные или природные органические соединения, а также мелкие коллоиды и вирусы, все еще могут проходить через фильтр. Жидкость, находящаяся во взвешенном состоянии, пропускается через фильтр с относительно высокой скоростью – около 1–3 м/с, при низком или умеренном давлении (около 100–400 кПа) параллельно или тангенциально к полупроницаемой мембране, которая может быть выполнена в виде листа или трубки. К оборудованию обычно подключается насос, обеспечивающий прохождение жидкости через мембранный фильтр. Существуют две конфигурации насосов: напорные и вакуумные. Для измерения перепада давления между входным и выходным потоками обычно используется дифференциальный или обычный манометр. Общая схема установки представлена на рисунке 1. Наиболее широкое применение микрофильтрационные мембраны находят в водоподготовке, пищевой и биотехнологической промышленности (см. ниже). Выходной поток после обработки микрофильтром имеет степень извлечения, которая обычно составляет от 90 до 98%.
Обработка воды
Возможно, наиболее значимое применение микрофильтрационных мембран связано с очисткой питьевой воды. Мембраны являются ключевым этапом первичной дезинфекции поступающего потока воды. Этот поток может содержать патогены, такие как простейшие Cryptosporidium и Giardia lamblia, являющиеся причиной многочисленных вспышек заболеваний. Оба вида демонстрируют нарастающую устойчивость к традиционным дезинфицирующим средствам (например, хлору). Использование МФ-мембран обеспечивает физический метод разделения (барьер) в отличие от химических альтернатив. В этом смысле фильтрация и дезинфекция происходят одновременно, что позволяет избежать дополнительных расходов на дозирование химикатов и соответствующего оборудования (необходимого для обращения и хранения). Аналогично, МФ-мембраны используются для очистки вторичных сточных вод для удаления мутности, а также для подготовки к дезинфекции. На этом этапе коагулянты (железо или алюминий) могут быть добавлены для осаждения таких веществ, как фосфор и мышьяк, которые в противном случае оставались бы в растворенном состоянии.
Стерилизация
Еще одно важное применение МФ-мембран – холодная стерилизация напитков и фармацевтических препаратов. Ранее для стерилизации таких напитков, как соки, вино и пиво, широко использовался нагрев, однако это приводило к заметной потере вкусовых качеств. Аналогично, было установлено, что нагревание снижает эффективность фармацевтических препаратов. В этих отраслях МФ-мембраны применяются для удаления бактерий и других нежелательных примесей из жидкостей, что позволяет проводить так называемую "холодную стерилизацию" без использования тепла.
Рафинирование нефти
Кроме того, микрофильтрационные мембраны находят все более широкое применение в таких областях, как нефтепереработка, где особое внимание уделяется удалению частиц из дымовых газов. Ключевыми задачами/требованиями для этой технологии являются способность мембранных модулей выдерживать высокие температуры (то есть сохранять стабильность), а также такая конструкция, обеспечивающая очень тонкую мембрану (толщина менее 2000 ангстрем) для увеличения производительности. Помимо этого, модули должны обладать низкой склонностью к загрязнению и, что наиболее важно, быть недорогими для обеспечения экономической целесообразности системы.
Переработка молока
Помимо вышеуказанных применений, мембраны микрофильтрации (МФ) широко используются в ключевых областях молочной промышленности, в частности, при переработке молока и сыворотки. Мембраны МФ способствуют удалению бактерий и спор из молока, задерживая прохождение вредных микроорганизмов. Это также является этапом подготовки к пастеризации, что позволяет увеличить срок годности продукта. Однако наиболее перспективным применением мембран МФ в данной области является разделение казеина от сывороточных белков (то есть белков сыворотки молока). В результате образуются два потока продуктов, пользующихся высоким спросом у потребителей: концентрат, богатый казеином, используемый для производства сыра, и поток сывороточных белков, который подвергается дальнейшей обработке (с использованием ультрафильтрации) для получения концентрата сывороточных белков. Поток сывороточного белка проходит дополнительную фильтрацию для удаления жира, что позволяет достичь более высокого содержания белка в конечном продукте – порошках концентрата сывороточных белков (WPC) и изолята сывороточных белков (WPI).
Характеристики основного процесса
Процессы мембранной фильтрации можно различать по трем основным характеристикам: движущей силе, потоку ретентата и потокам фильтрата. Микрофильтрация – это процесс, приводимый в действие давлением, где в качестве ретентата используются взвешенные частицы и вода, а в качестве фильтрата – растворенные вещества и вода. Использование гидравлического давления ускоряет процесс разделения, увеличивая скорость потока (флюс) жидкости, но не влияет на химический состав компонентов в потоках ретентата и продукта. Важной характеристикой, ограничивающей эффективность микрофильтрации или любой мембранной технологии, является процесс, известный как обрастание. Обрастание описывает осаждение и накопление компонентов исходной среды, таких как взвешенные частицы, непроницаемые растворенные вещества или даже проницаемые вещества, на поверхности мембраны и/или внутри пор мембраны. Обрастание мембраны в процессе фильтрации снижает флюс и, следовательно, общую эффективность процесса. Это проявляется в увеличении перепада давления до определенного уровня. Оно происходит даже при постоянных рабочих параметрах (давление, скорость потока, температура и концентрация). Обрастание в основном необратимо, хотя часть слоя обрастания может быть устранена кратковременной очисткой.
Конфигурации мембран
Микрофильтрационные мембраны обычно работают в одной из двух конфигураций. Фильтрация с перечным потоком: при которой жидкость проходит вдоль мембраны, касательно ее поверхности. Часть исходного потока, содержащего очищенную жидкость, собирается под фильтром, а часть воды проходит через мембрану необработанной. Фильтрацию с перечным потоком следует рассматривать как единичную операцию, а не как процесс. Общая схема процесса представлена на рисунке 2. Фильтрация с тупиковым потоком: весь поток обрабатываемой жидкости и все частицы, размер которых превышает размер пор мембраны, задерживаются на ее поверхности. Вся подаваемая вода обрабатывается одновременно, что приводит к образованию осадка. Этот процесс в основном используется для периодической или полунепрерывной фильтрации низкоконцентрированных растворов. Общая схема этого процесса представлена на рисунке 3.
Экологические вопросы, безопасность и регулирование
Хотя воздействие мембранных фильтрационных процессов на окружающую среду различается в зависимости от области применения, общепринятым методом оценки является анализ жизненного цикла (LCA) – инструмент для анализа экологической нагрузки мембранных фильтрационных процессов на всех этапах, учитывающий все виды воздействия на окружающую среду, включая выбросы в почву, воду и воздух. В отношении процессов микрофильтрации необходимо учитывать ряд потенциальных экологических последствий. К ним относятся потенциал глобального потепления, потенциал образования фотооксидантов, потенциал эвтрофикации, потенциал токсичности для человека, потенциал экотоксичности для пресных вод, потенциал экотоксичности для морской среды и потенциал экотоксичности для наземных экосистем. В целом, потенциальное воздействие процесса на окружающую среду в значительной степени зависит от производительности и максимального трансмембранного давления, однако другие рабочие параметры также необходимо учитывать. Невозможно однозначно указать, какая конкретная комбинация рабочих условий обеспечит минимальную нагрузку на окружающую среду, поскольку для каждого применения потребуется своя оптимизация. В общем, мембранные фильтрационные процессы относятся к операциям с относительно "низким риском", то есть вероятность возникновения опасных ситуаций невелика. Тем не менее, следует учитывать несколько важных аспектов. Все процессы фильтрации, основанные на давлении, включая микрофильтрацию, требуют создания определенного давления в потоке исходной жидкости, а также сопряжены с электротехническими рисками. Другие факторы, влияющие на безопасность, зависят от параметров процесса. Например, переработка молочных продуктов приводит к образованию бактерий, которые необходимо контролировать для соответствия требованиям безопасности и нормативным стандартам.
Сравнение с аналогичными процессами
Мембранная микрофильтрация по своей сути не отличается от других методов фильтрации, использующих распределение размеров пор для физического разделения частиц. Она аналогична другим технологиям, таким как ультра/нанофильтрация и обратный осмос, однако различие заключается лишь в размере удерживаемых частиц и осмотическом давлении. Основные из них описаны ниже:
Ультрафильтрация
Ультрафильтрационные мембраны имеют размеры пор в диапазоне от 0,1 мкм до 0,01 мкм и способны задерживать белки, эндотоксины, вирусы и диоксид кремния. УФ находит широкое применение, от очистки сточных вод до фармацевтики.
Нанофильтрация
Нанофильтрационные мембраны имеют поры размером от 0,001 мкм до 0,01 мкм и фильтруют многовалентные ионы, синтетические красители, сахара и определенные соли. По мере уменьшения размера пор от микрофильтрации (MF) к нанофильтрации (NF) требуется большее осмотическое давление.
Обратная осмоса
Обратный осмос (RO) — это наиболее тонкий процесс мембранного разделения, доступный на сегодняшний день, размеры пор которого варьируются от 0,0001 мкм до 0,001 мкм. Обратный осмос способен задерживать практически все молекулы, кроме воды, и из-за размеров пор требуемое осмотическое давление значительно выше, чем при микрофильтрации. Как обратный осмос, так и нанофильтрация принципиально отличаются от микрофильтрации тем, что поток идет против градиента концентрации, поскольку в этих системах давление используется для принудительного перемещения воды из области низкого осмотического давления в область высокого осмотического давления.
Последние события
Недавние достижения в области микрофильтрации (МФ) были сосредоточены на производственных процессах для создания мембран и добавок, способствующих коагуляции и, следовательно, снижению обрастания мембран. Поскольку микрофильтрация (МФ), ультрафильтрация (УФ), нанофильтрация (НФ) и обратный осмос (ОО) тесно связаны, эти достижения применимы к множеству процессов, а не только к МФ. Недавние исследования показали, что предварительное окисление разбавленным перманганатом калия (KMnO4) в сочетании с FeCl3 способствует коагуляции, что приводит к снижению обрастания, в частности, предварительное окисление KMnO4 продемонстрировало эффект, уменьшающий необратимое обрастание мембран. Аналогичные исследования были проведены в области создания нанофибровых мембран из поли(триметилентерефталата) (PTT) с высокой пропускной способностью, направленные на увеличение производительности. Специализированная термическая обработка и производственные процессы, влияющие на внутреннюю структуру мембраны, показали результаты, указывающие на 99,6% удержание частиц TiO2 при высокой производительности. Результаты свидетельствуют о том, что данная технология может быть применена к существующим областям применения для повышения их эффективности за счет использования мембран с высокой пропускной способностью.