סיווג מערכות הפרדת ממברנות בתעשיית טיפול במים

ניתן לסווג את טכנולוגיית הפרדת הממברנה בדרכים שונות בהתאם לשיטת המדידה.

(1) סיווג לפי חומר מיצוי

בהתבסס על המוצרים השונים שיש להפריד, ניתן לחלק את תהליכי הפרדת הממברנה לארבע קטגוריות: טיהור, ריכוז, הפרדה ומיצוי. תהליכי הפרדת ממברנות בטיפול במים, כאשר החדיר הוא המוצר, נקראים טיהור; אלה שבהם הרטנטאט הוא המוצר נקראים ריכוז; אלה שבהם גם החדיר וגם הרטנטט הם מוצרים נקראים הפרדה; ואלה המשתמשים בשילוב של תהליכי הפרדת ממברנות עם שני חתכים שונים של retentate כדי להשיג חומרים בין שני חתכי החיתוך נקראים מיצוי.

(2) סיווג לפי חומר ממברנה

בהתבסס על חומר הממברנה, ניתן לחלק ממברנות חדירה למחצה לממברנות אורגניות ואי-אורגניות. חומרי ממברנה אורגניים כוללים בעיקר חומרים פולימריים שונים כגון פוליסולפון, פוליפרופילן, פולי-אקרילוניטריל, פוליווינילידן פלואוריד, פוליאתתרסולפון, אצטט תאית, פוליסולפון סולפוני ופוליאמיד ארומטי;

חומרי ממברנה אי-אורגניים מחולקים עוד יותר לממברנות אנאורגניות המבוססות על מתכת- כגון מתכות ותחמוצות מתכת, וממברנות אנאורגניות על בסיס סיליקט- כגון קרמיקה וזכוכית.

ממברנות אורגניות פשוטות להכנה, בעלות יחסי נפח אלמנטים ממברניים גבוהים, הן לא יקרות ופועלות בלחצים נמוכים, אך סובלות מיציבות כימית ירודה, עמידות לטמפרטורה, חוזק מכני ועמידות לניקוי; ממברנות אנאורגניות, לעומת זאת, הן ההיפך.

טכנולוגיות ממברנות אורגניות ואנ-אורגניות משפרות ללא הרף את הביצועים שלהן בהתבסס על היתרונות שלהן, בשאיפה להתעלות אחת על החוזקות של זו. נכון לעכשיו, רק פוליאמידים ארומטיים בין חומרי ממברנות אוסמוזה הפוכה הגיעו לקנה מידה ייצור תעשייתי, בעוד לחומרי ממברנות אולטרה-פילטרציה יש מגוון ניכר.

(3) סיווג לפי דיוק ההפרדה

בהתבסס על דיוק הפרדה שונה, ניתן לסווג תהליכי הפרדת ממברנות לטיפול במים לסינון עדין, מיקרופילטרציה, אולטרה סינון, ננו-פילטרציה, אלקטרודיאליזה, אוסמוזה הפוכה, אלקטרודיאליזה של מיטת שרף (הידועה גם בשם EDI או אלקטרודיוניזציה), וזיקוק ממברנה. מיקרו-פילטרציה, אולטרה-פילטרציה, ננו-פילטרציה ואוסמוזה הפוכה מונעים כולם על ידי הפרש הלחץ על פני הממברנה, בעוד אלקטרודיאליזה ואלקטרודיאליזה של מיטת שרף מונעים על ידי הפרש הפוטנציאל. לממברנות מיקרו-פילטרציה יש חתך משקל מולקולרי של 0.1-1.0 מיקרומטר ולחץ פעולה של 0.1-0.2 MPa; לממברנות אולטרה-פילטרציה יש חתך משקל מולקולרי של 5000-200000 Da ולחץ פעולה של 0.1-0.3 MPa; לממברנות ננופילטרציה יש קצב התפלה של 0-95% ולחץ פעולה של 0.3-0.6 MPa; לממברנות אוסמוזה הפוכה יש קצב התפלה של 95.0%-99.9%, מליחות מחלחלת מינימלית של כ-1 מ"ג/ליטר ולחץ פעולה של 0.7-7.0 MPa.

אלקטרודיאליזה מייצרת מים מותפלים שאינם חודרים לממברנה. מליחות החדיר המינימלית קרובה לזו של אוסמוזה הפוכה, ולחץ הפעולה הוא 0.1-0.2 MPa. ניתן להתאים את קצב ההתפלה בטווח של 0-98% בהתאם לאורך נתיב הזרימה ועוצמת זרם הפעולה.

מילוי נתיב זרימת המים המותפלים של אלקטרודיאליזה בשרף חילופי אניונים וקטונים יוצר מערכת אלקטרודיאליטית מיטת שרף. כאשר מליחות ההשפעה היא בטווח של 2-5 מ"ג/ליטר, מוליכות המחלחלת של אלקטרודיאליזה של מיטת שרף יכולה להישמר ברמה של 10-15 MΩ.

(4) סיווג לפי מבנה ממברנה

בהתבסס על ההבדל בין מבני קרום נקבובי ללא-ממברנות נקבוביות, ניתן לחלק את ממברנות ההפרדה לממברנות נקבוביות ולממברנות צפופות. לממברנות נקבוביות יש מספר רב של נקבוביות חדירות, בעוד שלממברנות צפופות אין נקבוביות חדירות.

בהתבסס על אחידות מבנה הממברנה, ניתן לחלק ממברנות נקבוביות וממברנות צפופות עוד יותר לממברנות הומוגניות ולממברנות הטרוגניות. מבנה הממברנה של ממברנה הומוגנית אחיד בכיוון האנכי של משטח הממברנה, בעוד שמבנה הממברנה של ממברנה הטרוגנית אינו אחיד בכיוון האנכי של משטח הממברנה.

ממברנות מיקרופילטרציה הן ממברנות הטרוגניות נקבוביות. גודל הנקבוביות משתנה באופן לא סדיר בעת חדירת הממברנה, ויעילות השמירה נקבעת בעיקר על ידי גודל הנקבוביות והנקבוביות הממוצעים.

ממברנות אולטרה סינון הן ממברנות הטרוגניות נקבוביות. בצד מי ההזנה של הממברנה יש שכבה צפופה, וכתוצאה מכך גדלים נקבוביים קטנים יותר בצד מי הזנה וגדלים נקבוביים גדולים יותר בצד המים המטוהרים, מה שמקל על חדירות המים. ממברנה הומוגנית צפופה טיפוסית היא קרום חילופי יונים המשמש באלקטרודיאליזה, עם חדירות מים מוגבלת אך חדירות גבוהה במיוחד ליונים חיוביים או שליליים.

ממברנות מרוכבות של פוליאמיד אוסמוזה הפוכה הן ממברנות הטרוגניות צפופות טיפוסיות. ממברנה זו מורכבת מממברנה תומכת נקבובית עבה יותר, במהירות-גבוהה, המשולבת בשכבה מרוכבת דקה במיוחד של חדירות-במהירות גבוהה, המשיגה גם חדירות גבוהה וגם יחס חדירות גבוה בו זמנית.

ממברנות הומוגניות צפופות בעלות מבנה אחיד לכל הכיוונים ובעלות יחסי חדירות גבוהים, אך בשל החדירות הנמוכה שלהן, הן בדרך כלל אינן נוצרות באופן עצמאי ולעתים קרובות הן השכבה הצפופה של ממברנות מרוכבות.

(5) סיווג לפי מבנה אלמנט

אלמנט ממברנה הוא יחידת עבודה של ממברנה שנוצרת על ידי שילוב של ממברנות דמויות- יריעות או ממברנות חוטיות עם רכיבים מבניים מתאימים. בהתבסס על הבדלים מבניים, ניתן לסווג אלמנטים של ממברנה לצורות מבניות שונות כגון צלחת, קפלים, צינורית, חלולה ופצע ספירלה.

למבנים שונים של ממברנות יש יתרונות וחסרונות משלהם במונחים של שטח נפחי, דפוס זרימה, תמיכת לחץ ותנאי ניקוי.

ניתן לארגן ממברנות סינון עדין, מיקרוסינון ואולטרה סינון במבני צלחת לשימוש במסנני צלחות ומסגרת. למרות שלמסנני לוחות ומסגרת יש שטח נפחי קטן ודורשים החלפה תכופה של חומרי הממברנה, המאפשרים פעולה לסירוגין בלבד, החומרים המבניים לתמיכה בממברנה ולהולכת מים אינם חד פעמיים, וכתוצאה מכך עלות החומר הנמוכה ביותר בעת החלפת ממברנות.

ניתן לארגן ממברנות סינון עדינות ומיקרופילטרציה גם במבנים מקופלים ליצירת מסנני קפלים. אלה מסתמכים על מבנה הקפלים כדי להגדיל את השטח הנפחי ומשתמשים בממברנה עצמה ליצירת תמיכה בלחץ אחורי ותעלות הולכת מים. עם זאת, החלפת ממברנות קפלים מגדילה את העלות של חומרים מבניים.

הן ממברנות הצלחת והן ממברנות הקפלים חולקות את המאפיין של פעולת זרימה מלאה-. החסרונות הנפוצים שלהם כוללים את חוסר היכולת להיות מיוצר ברציפות בקנה מידה גדול וחוסר היכולת להתנקות. הודות לציוד הפשוט והתפעול הנוחה שלהם, הם משמשים בעיקר בסביבות סופניות לטיפול במים-בקנה מידה קטן,- נמוך.

ממברנות צינוריות יכולות להיות מיקרו-פילטרציה, אולטרה-פילטרציה, ננו-פילטרציה או אפילו ממברנות אוסמוזה הפוכה, הפועלות בלחץ פנימי בקוטר פנימי של 10-15 מ"מ. ממברנות צינוריות אינן ניתנות לשטיפה לאחור, בעלות שטח נפחי קטן, עלות ציוד גבוהה ויעילות ציוד נמוכה; עם זאת, ניתן לשטוף אותם ביסודיות קדימה-, מה שהופך אותם למתאימים לטיפול בנוזלים-בצמיגות גבוהה,-עכירות גבוהה ומבנה ממברנה מעולה לריכוז הזנה מיוחד וטיפול בשפכים תעשייתיים.

ממברנות סינון חלולות יכולות להיות מיקרו-פילטרציה, אולטרה-פילטרציה, ננו-פילטרציה או אוסמוזה הפוכה, עם קטרים ​​פנימיים הנעים בין 25 ל-1200 מיקרומטר וקטרים ​​חיצוניים בין 50 ל-2000 מיקרומטר.

ניתן לסווג ממברנות סינון חלולות לסוגי לחץ פנימי ולחץ חיצוני בהתאם לכיוון הלחץ. לממברנות לחץ פנימיות יש שטח נפחי קטן יותר ויכולת אחיזת לכלוך- נמוכה יותר, קלות לשטיפה הידראולית ויש להן דרישות גבוהות לאיכות מי הזנה. הם יכולים לפעול במצבי-זרימה צולבת או מלאה-זרימה. לממברנות לחץ חיצוניות יש שטח נפחי גדול יותר ויכולת אחיזת לכלוך- גבוהה יותר, אינן קלות לשטיפה הידראולית, דרישות נמוכות יותר לאיכות מי הזנה, ולרוב פועלות במצב זרימה מלאה-, מה שמקשה על יצירת זרימה צולבת-.

לממברנות סינון חלולות יכולות להיות שטחים נפחיים גבוהים במיוחד, שאין כמותם במבני ממברנה אחרים, ובעלות ביצועים מצוינים קדימה ואחורה.

בשל החוזק המכני המוגבל של סיבי ממברנה חלולה, שבירת סיבים היא בעיה מרכזית, וקצב שבירת הסיבים במהלך תקופת פעולה מסוימת הופך לאינדיקטור חשוב לתוחלת החיים של הממברנה.

מבני ממברנות רול-אפ משמשים בעיקר לננו-סינון וממברנות אוסמוזה הפוכה, ובשנים האחרונות הופיעו גם ממברנות אולטרה-ספירלה-אפיות. למבנה זה יש שטח נפחי מתון ויתרונות כמו עמידות גבוהה בלחץ תפעול, דרישות נמוכות של איכות מי הזנה, יכולת עכבה גדולה, זרימה קלה- ויכולת לבצע שטיפה קדימה.

ניתן לראות בחתך-תעלת זרימת מי הזנה בממברנה ספירלית-מעלה כערוץ ישר בגובה אחיד. מבנה זה מאפשר עכירות מקומית ובעל יכולת עכבה גבוהה; עם זאת, לא קל להשיג השפעות שטיפה טובות בכל אזור, מה שהופך אותו לנטייה להתכתשות מקומית.

יתר על כן, ממברנות מרוכבות ספירלה-לא ניתן לשטוף לאחור, וכתוצאה מכך השפעות ניקוי גרועות. ירידה בביצועים עקב התכלות של הממברנה היא בעיה מרכזית עבור מבנים-למעלה, ומידת השפלה של הביצועים בתוך תקופת הפעלה ספציפית הופכת לאינדיקטור חשוב לתוחלת החיים של הממברנה.