Фильтрующая мембрана представляет собой среду, которая разделяет две разные фазы веществ под воздействием определенных движущих сил. Под действием движущей силы ионы, молекулы и некоторые частицы смешанного раствора могут разделяться за счет проницаемости мембраны.
По типу материала мембраны подразделяются на органические и неорганические. Органические мембраны были впервые внедрены и широко использовались при очистке воды благодаря их высокой эффективности разделения, простому оборудованию и легкому процессу формования. Однако им все же присущи недостатки, такие как короткий срок службы, плохая химическая стабильность, слабая устойчивость к микроорганизмам и плохая термическая стабильность.
Неорганические мембраны, особенно керамические, постепенно привлекли внимание. С 1990-х годов ежегодные темпы роста производства неорганических мембран достигли 30–35%, причем на долю керамических мембран приходится примерно 80% этого роста.
Эксплуатационные характеристики неорганических керамических мембран
Керамические мембраны представляют собой разновидность твердотельных мембран, основа которых состоит из пористых керамических материалов, а фильтрующий слой – из микропористых керамических мембран. Они могут быть трубчатыми, плоскими или многоканальными. Поверхность керамических мембран представляет собой равномерно расположенные микропоры с размером пор обычно от 0,004 до 15 мкм. Керамические мембраны, изготовленные из таких материалов, как Al2O3, TiO2, ZrO2 и SiO2, хорошо известны своей превосходной химической стабильностью, устойчивостью к высоким температурам и длительным сроком службы.
1. Устойчивость к высоким температурам
Неорганические керамические мембраны обладают превосходной термостойкостью, при этом большинство керамических мембран способны работать при температурах в диапазоне 1000–1300 ℃. Они подходят для разделения высокотемпературных и высоковязких жидкостей. В сценариях, когда химическая очистка невозможна, например, в пищевой, молочной и фармацевтической промышленности, или когда необходимо снизить вязкость материала за счет повышения температуры,
2. Хорошая химическая стабильность.
Неорганические керамические мембраны устойчивы к кислотной, щелочной и биологической коррозии, превосходя по коррозионной стойкости металлы и другие органические мембранные материалы. Их можно использовать для обработки материалов с экстремальными значениями pH, особенно щелочных материалов, а также они обладают отличными антибактериальными свойствами и устойчивостью к биоразложению.
3. Высокая селективность проникновения
Благодаря небольшому размеру пор пористые керамические мембраны обладают высокой селективностью проникновения и могут применяться для ультрафильтрации и микрофильтрации. Кроме того, керамические мембраны для нанофильтрации имеют разные характеристики разделения ионов, поэтому керамический материал можно выбирать в соответствии с целевыми ионами, которые необходимо отделить.
4. Отсутствие загрязнений, легкость очистки, длительный срок службы.
Керамические мембраны обладают превосходной химической стабильностью, без фазовых изменений или химических реакций в процессе разделения, поэтому жидкость не загрязняется.
Очистка керамической мембраны довольно проста: для удаления нерастворимых осадков, маслянистых веществ и белков с поверхности мембраны можно использовать кислотные, щелочные и ферментные чистящие средства, для стерилизации можно использовать пар и кипящую воду, а для удаления загрязнений с поверхности можно применить метод обратной промывки. поры мембраны, поскольку керамические мембраны имеют асимметричную структуру.
Керамические мембраны обладают превосходной долговечностью, типичный срок службы составляет 3-5 лет, а некоторые могут даже достигать 8-10 лет при соответствующем уходе.
5. Фотокатализ
Некоторые типы керамических мембран, например мембраны из TiO2, обладают сильными фотокаталитическими свойствами. Под ультрафиолетовым светом они могут убивать бактерии и другие микроорганизмы в исходном материале, что делает их пригодными для очистки воды, очистки воздуха и стерилизации.
Применение керамических мембран в очистке сточных вод
1. Керамические мембраны для сточных вод пищевой промышленности
обладают высокой термостойкостью, химической стабильностью и устойчивостью к кислоте, щелочи и биологической коррозии, поэтому они имеют широкий спектр применения в фильтрационной очистке сточных вод пищевой промышленности, в основном на заводах по производству фруктовых соков, пиво, соевый соус, уксус, вода гинкго, чай и т. д. также могут использоваться для фильтрации лекарственных трав.
2. Сточные воды текстильного и бумажного производства.
Сточные воды текстильного и бумажного производства характеризуются большим объемом, высокой окраской и сложным составом, содержат красители, примеси целлюлозы, волокон, тяжелые металлы и другие вещества, обладают высокой биологической токсичностью и вызывают сильное загрязнение. Керамические мембраны особенно эффективны для обработки нерастворимых красителей, а скорость удаления растворимых красителей можно значительно улучшить за счет добавления поверхностно-активного вещества.
3. Биохимические сточные воды.
Применение керамических мембран в области биохимической инженерии в последнее время привлекает большое внимание, включая области удаления клеток, производства стерильной воды, осветления низкомолекулярных органических соединений и мембран биореакторов. Использование керамических мембран для отделения бактерий от ферментационного бульона привело к появлению множества установок в промышленном масштабе, что не только повышает производительность продукта, снижает нагрузку на оборудование, но и значительно снижает сброс сточных вод.
4. Нефтесодержащие сточные воды.
Нефтесодержащие сточные воды происходят из различных источников, включая нефтехимические, нефтедобывающие, транспортные, машиностроительные, кожевенные, текстильные, пищевые и фармацевтические производства. Он химически требовательн к кислороду и содержит большое количество нефти, что приводит к серьезному загрязнению окружающей среды. Эффективное отделение нефтесодержащих сточных вод имеет решающее значение для восстановления окружающей среды, добычи нефти и повторного использования воды. Технология керамической мембранной фильтрации стала горячей точкой для исследований благодаря превосходному эффекту разделения и отсутствию вторичного загрязнения.
5. Бытовые и городские сточные воды.
Мембраны из глинозема можно использовать для очистки бытовых и городских сточных вод, микропоры нелегко блокировать, их легко чистить, захваченные загрязняющие вещества просто остаются на поверхности контрольного слоя. После очистки степень удерживания и доступный расход могут быть восстановлены почти на 100%. Мембранные трубки из оксида алюминия с размером пор контрольного слоя в диапазоне 0,1-0,35 мкм имеют степень удаления 83% для БПК5, 67% для ХПКкр и 100% для твердых взвешенных веществ размером более 0,1 мкм.
Применение керамических мембранных биореакторов в очистке воды
Применение керамических мембран при очистке воды особенно широко распространено при очистке сточных вод, в основном промышленных сточных вод, исследования и применение керамических мембран при очистке бытовых сточных вод все еще проводятся относительно редко. Основные области применения керамических мембран при очистке бытовых сточных вод можно разделить на два типа: мембранное разделение и керамические мембранные биореакторы (CMBR), которые сочетают мембранное разделение с биореакторной технологией. В настоящее время мембранное разделение реже встречается в прикладных исследованиях, при этом большая часть усилий сосредоточена на биореакторах с керамическими мембранами, преимущественно анаэробных процессах.
Мембранный биореактор (МБР) — это инновационная технология очистки воды, сочетающая в себе установки мембранного разделения и установки биологической очистки. Вторичный отстойник, который используется в традиционном методе активного ила, заменяется мембранным модулем, который обеспечивает высокоэффективное разделение, достигается беспрецедентное разделение грязи и воды и эффекты концентрации ила. Кроме того, мембрана эффективно задерживает взвешенные вещества, органику, болезнетворные микроорганизмы и вирусы из сточных вод, значительно улучшая качество очищаемой воды.
По сравнению с традиционными методами биохимической очистки, MBR имеет значительные преимущества, заключающиеся в высокой эффективности очистки, превосходном качестве воды, компактном оборудовании, небольшой площади, простой автоматизации, а также упрощении эксплуатации и управления. С 1980-х годов эта технология привлекает все большее внимание и становится горячей темой исследований в области очистки воды. В настоящее время мембранные биореакторы применяются более чем в десяти странах, включая США, Германию, Францию, Японию и Египет.
При централизованной очистке городских сточных вод большой объем очищаемой воды и относительно низкая концентрация загрязняющих веществ делают мембранную фильтрацию энергоемкой и экономически менее целесообразной. Однако биореакторы с керамической мембраной можно использовать для распределенной очистки бытовых сточных вод, например, для повторного использования сточных вод в жилом комплексе. Биореакторы с керамическими мембранами обеспечивают стабильную работу, минимальные требования к техническому обслуживанию, высокую механическую прочность, длительный срок службы и устойчивость к химической коррозии, что делает их весьма конкурентоспособными по сравнению с органическими мембранами.
Таким образом, биореакторы с керамической мембраной получили широкое признание в промышленной очистке воды благодаря своему длительному сроку службы, высокой надежности, стабильному эффекту очистки, меньшим требованиям к эксплуатации и техническому обслуживанию, а также имеют большие перспективы применения в распределенной очистке бытовых сточных вод.
