Что такое нанофильтрация?

Кен Сазерленд, относительно недавнее развитие мембранных процессов, рассматривает быстро расширяющуюся область нанофильтрации, ее характеристики и применение.

Предыстория нанофильтрации

Всплеск фильтрации и деятельности, связанной с фильтрацией, последовавший за разработкой процесса обращения фаз для производства полимерных мембран в начале 1960-х годов, привел к созданию трех процессов мембранного разделения: обратного осмоса, ультрафильтрации и, в последнее время, микрофильтрация. Эти процессы увеличили спектр разделения от традиционного предела границы стандартной фильтрации около 0,01 мм (10 мкм) до мельчайших твердых частиц размером в несколько нанометров и позволили отделить большие молекулы из раствора. Фактические диапазоны размеров несколько различаются от источника к источнику, но существует общее мнение, что микрофильтрация охватывает диапазон от 10 мкм до 0,1 мкм, тогда как ультрафильтрация охватывает диапазон от 0,1 мкм до 0,005 мкм (5 нм) с точки зрения дискретных частиц или сокращения молекулярной массы. -Off (MWCO) цифры от 300 000 до примерно 300 Дальтон для растворенных материалов. Обратный осмос, конечно, был разработан так, чтобы удерживать очень маленькую молекулу хлорида натрия, что означало пропускание только воды.

Эти предполагаемые диапазоны размеров на самом деле все еще оставляли пробел в их охвате в нижней части диапазона ультрафильтрации (около 100–300 дальтон). Развитие мембран было довольно быстрым в 1970-е и 1980-е годы, что привело к созданию мембранного процесса «рыхлого обратного осмоса», которому в конце 1980-х годов было присвоено название «нанофильтрация».

В этом смысле нанофильтрация представляет собой довольно недавнюю разработку в области процессов мембранного разделения, которая включает верхний предел (в терминах размера разделения) обратного осмоса и нижний предел ультрафильтрации, охватывающий значения MWCO от 100 до 1000. Дальтоны. Он имеет дело с материалами, растворенными в жидкости, а не с отдельными частицами, взвешенными в жидкости. Разделение растворенного вещества и растворителя происходит за счет диффузии молекул растворителя через массу материала мембраны, обусловленной главным образом высоким трансмембранным давлением, а не через какое-либо физическое отверстие (пору) в мембране. Некоторые молекулы растворенного вещества также могут диффундировать через мембрану либо по замыслу разработчика процесса, либо потому, что растворенное вещество имеет конечный (хотя и очень малый) коэффициент диффузии в материале мембраны.

Ключевое различие между нанофильтрацией и обратным осмосом заключается в том, что последний удерживает одновалентные соли (например, хлорид натрия), тогда как нанофильтрация пропускает их, а затем удерживает двухвалентные соли, такие как сульфат натрия. Роберт Петерсон в своем предисловии к книге Elsevier «Нанофильтрация – принципы и применение» описывает обратный осмос (особенно в сфере очистки воды) как основное блюдо, возможно, стейк, в обед, тогда как нанофильтрация «подобна винной карте… возможность для творчество и исследование».

В предыдущих параграфах были описаны происхождение и природа общепринятого процесса, называемого нанофильтрацией, который представляет собой разделение жидкой фазы, удаляющее растворенные твердые вещества, осуществляемое с помощью мембран при относительно высоком трансмембранном давлении. Однако прогресс большей части фильтрационного бизнеса обусловлен требованиями к все более тонким точкам разделения как при фильтрации жидкости, так и газа, и эти требования в настоящее время удовлетворяются за счет использования соответственно более тонких волокон для изготовления фильтрующего материала. Все чаще эти волокна имеют диаметр значительно меньше одного микрометра и, следовательно, измеряются в нанометрах и становятся широко известными как нановолокна. Они используются для изготовления композитных фильтрующих материалов с сетью нановолокон, закрепленной на более грубой подложке.

Очень тонкая фильтрация, которая может быть достигнута с помощью этих нанотканых материалов, позволяет довести процесс разделения, который по сути является микрофильтрацией, до гораздо более низких точек разделения. Эти материалы также называют мембранами, хотя по формату они сильно отличаются от полупроницаемого пластикового листа, о котором все еще чаще всего думают, когда упоминают мембраны. Примечательно, что на 10-м Всемирном конгрессе по фильтрации (2007 г.) из почти 250 отдельных докладов и 85 стендовых докладов 12 были посвящены нанофильтрации, а 14 - о нановолокнах как фильтрующих материалах.