Filtratiemembraan verwijst naar een medium dat onder bepaalde drijvende krachten twee verschillende fasen van stoffen scheidt. Onder invloed van de drijvende kracht kunnen ionen, moleculen en sommige deeltjes in de gemengde oplossing worden gescheiden door de permeabiliteit van het membraan.
Afhankelijk van het materiaaltype worden membranen ingedeeld in organische membranen en anorganische membranen. Organische membranen werden voor het eerst geïntroduceerd en op grote schaal gebruikt in de waterbehandeling vanwege hun hoge scheidingsefficiëntie, eenvoudige apparatuur en gemakkelijke vormingsproces. Ze hebben echter nog steeds inherente nadelen, zoals een korte levensduur, slechte chemische stabiliteit, zwakke weerstand tegen micro-organismen en slechte thermische stabiliteit.
Anorganische membranen, met name keramische membranen, hebben geleidelijk de aandacht getrokken. Sinds de jaren negentig heeft de jaarlijkse groei van anorganische membranen 30% tot 35% bereikt, waarbij keramische membranen ongeveer 80% van deze groei voor hun rekening nemen.
Prestatiekenmerken van anorganische keramische membranen
Keramische membranen zijn een soort vaste-stofmembraan, waarbij de drager bestaat uit poreuze keramische materialen en de filterlaag bestaat uit microporeuze keramische membranen. Ze kunnen buisvormig, plat of meerkanaalsvormig zijn. Het oppervlak van keramische membranen heeft uniform gerangschikte microporiën met poriegroottes die doorgaans variëren van 0,004 tot 15 μm. Keramische membranen, vervaardigd uit materialen zoals Al2O3, TiO2, ZrO2 en SiO2, staan bekend om hun uitstekende chemische stabiliteit, hoge temperatuurbestendigheid en lange levensduur.
1. Weerstand op hoge temperatuur
Anorganische keramische membranen hebben een uitstekende hittebestendigheid, waarbij de meeste keramische membranen kunnen werken bij temperaturen van 1000-1300 ℃. Ze zijn geschikt voor de scheiding van vloeistoffen met een hoge temperatuur en hoge viscositeit. In scenario's is deze chemische reiniging niet haalbaar, zoals in de voedingsmiddelen-, zuivel- en farmaceutische industrie, of wanneer de materiaalviscositeit moet worden verlaagd door stijgende temperaturen.
2. Goede chemische stabiliteit
Anorganische keramische membranen zijn bestand tegen zuur-, alkali- en biologische corrosie en presteren beter dan metaal en andere organische membraanmaterialen in termen van corrosieweerstand. Ze kunnen worden gebruikt voor de omgang met materialen met extreme pH-waarden, vooral alkalische materialen, hebben bovendien uitstekende antibacteriële eigenschappen en zijn bestand tegen biologische afbraak.
3. Hoge permeatieselectiviteit
Door de kleine poriegroottes van poreuze keramische membranen hebben ze een hoge permeatieselectiviteit en kunnen ze worden toegepast voor ultrafiltratie en microfiltratie. Bovendien hebben keramische nanofiltratiemembranen verschillende scheidingseigenschappen voor ionen, zodat keramisch materiaal kan worden geselecteerd op basis van de beoogde ionen die moeten worden gescheiden.
4. Geen vervuiling, gemakkelijk schoon te maken, lange levensduur
Keramische membranen hebben een uitstekende chemische stabiliteit, zonder faseveranderingen of chemische reacties tijdens het scheidingsproces, waardoor er geen verontreiniging van de vloeistof ontstaat.
Het reinigen van keramische membranen is vrij eenvoudig; zure, alkalische en enzymatische reinigingsmiddelen kunnen worden gebruikt om onoplosbare neerslagen, olieachtige stoffen en eiwitten op het membraanoppervlak te verwijderen, stoom en kokend water kunnen worden gebruikt voor sterilisatie, en de terugspoelmethode kan worden toegepast om verontreinigingen uit het membraan te verwijderen. membraanporiën, omdat keramische membranen een asymmetrische structuur hebben.
Keramische membranen hebben een uitstekende duurzaamheid, de typische levensduur is 3-5 jaar en sommige kunnen zelfs oplopen tot 8-10 jaar met passend onderhoud.
5. Fotokatalyse
Bepaalde soorten keramische membranen, zoals TiO2-membranen, bezitten sterke fotokatalytische eigenschappen. Onder ultraviolet licht kunnen ze bacteriën en andere micro-organismen in het voedermiddel doden, waardoor ze geschikt zijn voor waterbehandeling, luchtzuivering en sterilisatietoepassingen.
Toepassing van keramische membranen bij de behandeling van afvalwater
1. Keramische membranen voor afvalwater uit de voedingsindustrie
hebben een hoge temperatuurbestendigheid, chemische stabiliteit en weerstand tegen zuur-, alkali- en biologische corrosie. Daarom hebben ze een breed scala aan toepassingen in de afvalwaterfiltratiebehandeling van de voedingsindustrie, voornamelijk voor de productie van vruchtensappen, bier, sojasaus, azijn, ginkgowater, thee, enz., kunnen ook worden gebruikt voor de filtratie van kruidengeneesmiddelen.
2. Afvalwater van textiel- en papierproductie
Het afvalwater van de textiel- en papierproductie wordt gekenmerkt door zijn grote volume, hoge kleuring en complexe samenstelling, dat kleurstoffen, pulp, vezelonzuiverheden, zware metalen en andere stoffen bevat. Het heeft een hoge biologische toxiciteit en zal ernstige vervuiling veroorzaken. Keramische membranen zijn bijzonder effectief om onoplosbare kleurstoffen te behandelen, en voor oplosbare kleurstoffen kan de verwijderingssnelheid aanzienlijk worden verbeterd door oppervlakteactieve stoffen toe te voegen.
3. Biochemisch afvalwater
De toepassing van keramische membranen op het gebied van de biochemische technologie heeft de laatste tijd veel aandacht getrokken, waarbij het gaat om gebieden als celverwijdering, productie van steriel water, klaring van organische verbindingen met een laag molecuulgewicht en bioreactormembranen. Het gebruik van keramische membranen om bacteriën te scheiden van fermentatiebouillon heeft geresulteerd in meerdere installaties op industriële schaal, waardoor de productproductiviteit alleen maar wordt verbeterd, de belasting van de apparatuur wordt verminderd, maar ook de lozing van afvalwater aanzienlijk wordt verminderd.
4. Oliehoudend afvalwater
Oliehoudend afvalwater is afkomstig van verschillende bronnen, waaronder petrochemie, oliewinning, transport, machinale bewerking, leer, textiel, voedsel en farmaceutische producten. Het vergt chemisch veel zuurstof en bevat grote hoeveelheden olie, wat ernstige milieuvervuiling veroorzaakt. Effectieve scheiding van oliehoudend afvalwater is cruciaal voor milieusanering, oliewinning en hergebruik van water. Keramische membraanfiltratietechnologie is een hotspot voor onderzoek geworden vanwege het uitstekende scheidingseffect en het ontbreken van secundaire vervuiling.
5. Huishoudelijk en stedelijk afvalwater
Aluminiumoxidemembranen kunnen worden gebruikt voor de behandeling van huishoudelijk en stedelijk afvalwater. Microporiën zijn niet gemakkelijk te blokkeren, gemakkelijk schoon te maken, de opgesloten verontreinigende stoffen blijven gewoon op het oppervlak van de controlelaag. Na reiniging kunnen de retentieverhouding en het beschikbare debiet bijna 100% worden hersteld. Membraanbuizen van aluminiumoxide met een poriegrootte van de controlelaag variërend van 0,1-0,35 μm hebben een verwijderingspercentage van 83% voor BZV5, 67% voor CZVcr en 100% voor vaste zwevende deeltjes groter dan 0,1 μm.
Toepassing van keramische membraanbioreactoren bij waterbehandeling
De toepassing van keramische membranen bij de waterzuivering is vooral wijdverbreid bij de behandeling van afvalwater, voornamelijk industrieel afvalwater. Onderzoek en toepassing van keramische membranen bij de behandeling van huishoudelijk afvalwater zijn nog steeds relatief zeldzaam. De primaire toepassingen van keramische membranen bij de behandeling van huishoudelijk afvalwater kunnen in twee typen worden onderverdeeld: membraanscheiding en keramische membraanbioreactoren (CMBR) die membraanscheiding combineren met bioreactortechnologie. Momenteel wordt membraanscheiding minder vaak gezien in toegepast onderzoek, waarbij de meeste inspanningen zich richten op keramische membraanbioreactoren, voornamelijk anaërobe processen.
Membraanbioreactor (MBR) is een innovatieve waterbehandelingstechnologie die membraanscheidingseenheden combineert met biologische behandelingseenheden. De secundaire sedimentatietank die bij de traditionele actiefslibmethode wordt gebruikt, wordt vervangen door een membraanmodule, die een zeer efficiënte scheiding biedt, ongekende modder-waterscheiding en slibconcentratie-effecten worden bereikt. Bovendien houdt het membraan op efficiënte wijze zwevende stoffen, organisch materiaal, ziekteverwekkers en virussen uit het afvalwater vast, waardoor de kwaliteit van het behandelde water aanzienlijk wordt verbeterd.
Vergeleken met traditionele biochemische behandelingstechnieken heeft MBR aanzienlijke voordelen: een hoge behandelingsefficiëntie, uitstekende waterkwaliteit, compacte apparatuur, klein vloeroppervlak, eenvoudige automatisering en vereenvoudigde bediening en beheer. Sinds de jaren tachtig krijgt deze technologie steeds meer aandacht en is ze een hot topic geworden in het onderzoek naar waterbehandeling. Momenteel zijn membraanbioreactoren toegepast in meer dan tien landen, waaronder de Verenigde Staten, Duitsland, Frankrijk, Japan en Egypte.
Voor gecentraliseerde gemeentelijke afvalwaterzuivering zorgen het grote volume aan te behandelen water en de relatief lage concentratie aan verontreinigende stoffen ervoor dat membraanfiltratie energie-intensief en economisch minder haalbaar is. Keramische membraanbioreactoren kunnen echter worden gebruikt voor de gedistribueerde behandeling van huishoudelijk afvalwater, zoals hergebruik van afvalwater in een wooncomplex. Keramische membraanbioreactoren bieden een stabiele werking, minimale onderhoudsvereisten, hoge mechanische sterkte, lange levensduur en weerstand tegen chemische corrosie, waardoor ze zeer concurrerend zijn in vergelijking met organische membranen.
Samenvattend hebben keramische membraanbioreactoren wijdverspreide lof gekregen in de industriële waterbehandeling vanwege hun lange levensduur, hoge betrouwbaarheid, consistente behandelingseffect, minder operationele en onderhoudsvereisten, en hebben ze geweldige toepassingsvooruitzichten in de gedistribueerde huishoudelijke rioolwaterzuivering.
