В процессах нанофильтрации удаление растворенных веществ зависит как от размера молекулы, так и от эффектов Доннана, которые обусловлены кислотными группами, например, карбоновыми или сульфокислотными группами. Равновесие между заряженной мембраной и объемным раствором характеризуется электрическим потенциалом, называемым потенциалом Доннана. При этом многовалентные заряженные ионы, меньшие, чем размер пор, не проходят через мембрану из-за исключения Доннана.

Нанофильтрационные мембраны относятся к тонкопленочным композитным мембранам.

Тонкопленочные композитные мембраны (ТКМ, англ. thin-film composite membranes, TFC или TFM) представляют собой полупроницаемые мембраны, применяемые в основном в системах очистки или опреснения воды (нанофильтрационные или обратноосмотические). Также они широко применяются в химическом инжиниринге, для производства тонкопленочных батарей и топливных элементов.

Нанофильтрационные и обратноосмотические мембраны обычно изготавливают из тонкого полиамидного слоя (<200 нм), нанесенного поверх полиэфирсульфонового или полисульфонового пористого слоя (около 50 мкм) поверх несущего листа из нетканого материала. Нанофильтрационные мембраны обычно плосколистовые или половолоконные.

Средний размер пор НФ-мембран составляет 2 нм, что находится между размерами ОО- и УФ-мембран. Диапазон рабочих давлений также находится между значениями для ОО и УФ; например, НФ работает при более низком давлении и более высоком расходе, чем RO солоноватой воды: 40-45 л/м²*ч при 5 бар для нанофильтрации вместо 20– 25 л/м²*ч при 15 бар для RO.

Характеристики степени разделения на нанофильтрационных мембранах (по сравнению с обратным осмосом):

– одновалентные ионы (Na, K, Cl, NO₃): отделяются >98% для ООС, >50% для НФ;

– двухвалентные ионы (Ca, Mg, SO₄, CO₃): >99% для ООС, >95% для НФ;

– микрорастворы (микросолюты) (с молекулярной массой >100 Да): >90% для ООС, >50% для НФ;

– микрорастворы (микросолюты) (с молекулярной массой >100 Да): 0-90% для ООС, 0-50% для НФ;

– бактерии, вирусы: более 99% для ООС, менее 99% для НФ.

В зависимости от заряда нанофильтрационных мембран в водной среде может быть выполнено разделение различных видов солей по их свойствам:

– нейтральные нанофильтрационные мембраны – удаление солей зависит от размера молекулы, Na₂SO₄ > CaCl₂ > NaCl;

– анионные нанофильтрационные мембраны – положительные заряды отталкивают катионы, особенно двухвалентные, такие как Mg²⁺, и притягивают анионы, особенно SO₄^2-. Степень отделения солей зависит от размера и заряда катиона и падает с в следующем ряду: CaCl₂ > NaCl > Na₂SO₄.

– катионные нанофильтрационные мембраны – отрицательные заряды поверхности отталкивают анионы, такие как SO₄^2-, одновременно привлекая катионы, особенно Ca²⁺. Степень удаления солей зависит от размера и заряда аниона: Na₂SO₄ > NaCl > CaCl₂.

Несколько преимуществ нанофильтрации перед ООС и УФ:

– благодаря своей способности избирательно удалять низкомолекулярные органические соединения и двухвалентные соединения, нанофильтрация является лучшей альтернативой обратному осмосу и ультрафильтрации для очистки сточных вод, например, при обессоливании сырной сыворотки, удалении тяжелых металлов и разделении красителей и красящих соединений в текстильной промышленности;

– отделение солей с одновалентными ионами от органических веществ в диапазоне молекулярных масс от 200 до 1000 Дальтон;

– при очистке отбеливающих сточных вод целлюлозно-бумажных заводов нанофильтрация заметно дешевле, чем обратный осмос, который имеет более низкий поток (флюкс, flux) и более высокие энергозатраты;

– при очистке от низкомолекулярных токсичных хлорированных соединений нанофильтрация заметно эффективнее, чем ультрафильтрация;

Области применения нанофильтрации включают:

– частичное умягчение воды;

– селективное удаление многовалентных ионов из соляных растворов (в т.ч. из морской воды);

– очистка загрязненных поверхностных (ливневых) вод;

– очистка сточных вод, содержащих тяжелые металлы и нефтепродукты;

– селективное удаление солей и органических соединений для установок на шельфе. Нефтяных платформ;

– очистка сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности для удаления цветности;

– в процессах химического меднения (без электролиза);

– очистка молочной сыворотки, отделение белков и солей для производства мягких сыров;

– очистка растворов в производстве дрожжей;

– очистка потоков в фармацевтике;

– очистка потоков в пищевой промышленности;

– очистка сточных вод горнорудной и гальванической промышленности с извлечением катионов металлов;

– удаление следовых количеств небольших органических молекул и канцерогенных соединений из питьевой воды без изменения показателей физиологической полноценности;

– процесс нанофильтрации может одновременно концентрировать соединения с высокой молекулярной массой и удалять одновалентные соли.

Наибольшее применение нанофильтрация находит в умягчении воды.

Помимо удаления жесткости, нанофильтрация также используется для удаления цветности (органических соединений вызывающих окраску) и предшественников тригалометанов (ТГМ), таких как гуминовые кислоты.

Мембраны НФ предназначены для удаления прекурсоров общего органического углерода (ООУ, англ. TOC) и тригалометанов (ТГМ, англ. THM) со средним или высоким содержанием солей для очистки поверхностных и подземных вод, где требуется хорошее удаление органических веществ с частичным умягчением для поддержания физиологически минимального уровня жесткости, полноценности состава, хороших органолептических свойств, уменьшения количества концентратов и сохранности водных источников.

Состав нанофильтрационных установок в целом аналогичен установкам ультрафильтрации.

Опросный лист вы можете просмотреть и скачать по ссылке ниже:

Опросн.лист_мембранные технологии pdf 597,2 КБ