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. 

Kliknij na więcej informacji o badaniach nad membranami ceramicznymi.

Czuj się swobodnie aby się z nami skontaktować dla uzyskania dalszych informacji na temat membran.

Źródło: Rishi Sondhi, Ramesh Bhave and Gary Jung, 'Applications and benefits of ceramic membranes', Membrane Technology November 2003