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 ZrO_2.
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 MA_2, 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. 

Kliknij tutaj dla uzyskania ogólnych informacji o membranach ceramicznych i tu o technicznych specyfikacjach membran ceramicznych.

Czuj się swobodnie aby się z nami skontaktować w celu uzyskania bardziej szczegółowych informacji o membranach.