Mikrofiltracja (MF)
Mikrofiltracja może przechwytywać cząstki o wielkości od {{0}}.1 do 1 mikrona. Membrana mikrofiltracyjna pozwala na przechodzenie przez nią dużych cząsteczek materii organicznej i rozpuszczalnych ciał stałych (soli nieorganicznych), ale może blokować penetrację materii zawieszonej, bakterii, niektórych wirusów i koloidów na dużą skalę. Różnica ciśnień roboczych (efektywna siła napędowa) po obu stronach membrany mikrofiltracyjnej wynosi zazwyczaj 0,7 bara.
Ultrafiltracja (UF)
Ultrafiltracja może przechwytywać cząstki i zanieczyszczenia o wielkości od {{0}}.002 do 0,1 mikrona. Membrana ultrafiltracyjna pozwala na przechodzenie małych cząsteczek i rozpuszczalnych ciał stałych (soli nieorganicznych), ale skutecznie blokuje koloidy, białka, mikroorganizmy i makrocząsteczkową materię organiczną. Graniczna masa cząsteczkowa stosowana do charakteryzowania membrany ultrafiltracyjnej wynosi na ogół od 1,000 do 100,000. Ciśnienie robocze po obu stronach membrany ultrafiltracyjnej wynosi na ogół od 0,2 do 7 barów.
Nanofiltracja (NF)
Nanofiltracja to specjalny rodzaj membrany separacyjnej. Nazwano ją tak, ponieważ może zatrzymywać substancje o wielkości około 1 nanometra (0.001 mikrona). Zakres działania nanofiltracji mieści się między ultrafiltracją a odwróconą osmozą. Zatrzymuje materię organiczną o masie cząsteczkowej około 200~400, a jej zdolność do zatrzymywania rozpuszczalnych soli wynosi od 20~98%. Szybkość usuwania roztworu soli anionów jednowartościowych jest niższa niż roztworu soli anionów wysokowartościowych. Na przykład szybkość usuwania chlorku sodu i chlorku wapnia wynosi 20~80%, podczas gdy szybkość usuwania siarczanu magnezu i siarczanu sodu wynosi 90~98%. Membrany nanofiltracyjne są na ogół stosowane do usuwania materii organicznej i koloru z wód powierzchniowych, usuwania twardości i radioaktywnego radu z wody studziennej, częściowego usuwania rozpuszczalnych soli, zagęszczania żywności i oddzielania użytecznych substancji w lekach. Ciśnienie robocze membran nanofiltracyjnych wynosi na ogół 3,5~16 barów.
Odwrócona osmoza (RO)
Odwrócona osmoza jest najbardziej zaawansowaną technologią separacji cieczy membranowej. Może blokować prawie wszystkie rozpuszczalne sole i materię organiczną o masie cząsteczkowej większej niż 100, ale pozwala na przepływ cząsteczek wody. Współczynnik odsalania membrany odwróconej osmozy octanu celulozy jest na ogół większy niż 95%, a współczynnik odsalania membrany kompozytowej odwróconej osmozy jest na ogół większy niż 98%. Są one szeroko stosowane w odsalaniu wody morskiej i słonawej, wody zasilającej kotły, przemysłowej czystej wody i przygotowywaniu ultraczystej wody klasy elektronicznej, produkcji czystej wody pitnej, oczyszczaniu ścieków i specjalnych procesach separacji. Zastosowanie odwróconej osmozy przed wymianą jonową może znacznie obniżyć koszty operacyjne i odprowadzanie ścieków. Ciśnienie robocze membrany odwróconej osmozy jest na ogół większe niż 5 barów, gdy woda wlotowa jest wodą słonawą i jest na ogół mniejsze niż 84 bary, gdy woda wlotowa jest wodą morską.
Wprowadzenie do technologii ultrafiltracji
Ultrafiltracja to technologia separacji membranowej napędzana ciśnieniem. Filtracja jest napędzana różnicą ciśnień po obu stronach membrany i jest procesem separacji roztworów opartym na zasadzie mechanicznego przesiewania. W spektrum separacji od odwróconej osmozy do mikrofiltracji, ultrafiltracja znajduje się pomiędzy nanofiltracją (NF) a mikrofiltracją (MF). Otwór sita wynosi zazwyczaj od 2 do 100nm, a ciśnienie robocze wynosi zwykle od 0,01 do 0,3 MPa. W 1896 roku Martin stworzył pierwszą sztuczną membranę ultrafiltracyjną. W latach 60. zaproponowano koncepcję masy cząsteczkowej, która zapoczątkowała nowoczesną ultrafiltrację. Lata 70. i 80. XX wieku były okresem szybkiego rozwoju, który zaczął dojrzewać po latach 90. XX wieku.
Ultrafiltracja wykorzystuje asymetryczną porowatą półprzepuszczalną membranę, mianowicie membranę ultrafiltracyjną, jako medium filtracyjne do przechwytywania różnych makrocząsteczkowych substancji rozpuszczonych, cząstek i zawiesin koloidalnych w roztworze w celu osiągnięcia celu separacji i oczyszczania. Ultrafiltracja może skutecznie usuwać cząstki, koloidy, bakterie, źródła ciepła i materię organiczną w wodzie. Jest odpowiednia do różnych procesów produkcyjnych w celu separacji, koncentracji i oczyszczania. Jest szeroko stosowana w separacji, rafinacji i koncentracji materiałów ciekłych w bioinżynierii high-tech, inżynierii farmaceutycznej, chemikaliach szlachetnych i innych gałęziach przemysłu. Ze względu na prosty proces użytkowania, brak ogrzewania i wysoką wydajność jest bezpieczniejsza i wydajniejsza niż tradycyjne zagęszczanie próżniowe, dializa, liofilizacja, separacja odśrodkowa i inne metody.
W ciągu ostatnich 30 lat rozwój technologii ultrafiltracji był niezwykle szybki. Nie tylko odgrywa ona wyjątkową rolę w oddzielaniu specjalnych roztworów, ale jest również coraz częściej stosowana w przemysłowym zaopatrzeniu w wodę. Na przykład w przygotowaniu odsalania wody morskiej, wody odzyskanej, czystej wody i wody o wysokiej czystości ultrafiltracja może być stosowana jako sprzęt do wstępnego oczyszczania w celu zapewnienia długoterminowej bezpiecznej i stabilnej pracy kolejnego sprzętu, takiego jak odwrócona osmoza.
W porównaniu z tradycyjnymi technologiami filtracji i mikrofiltracji, zalety ultrafiltracji są oczywiste. Rozmiar porów przesiewających jest niewielki i może on niemal przechwycić wszystkie bakterie, źródła ciepła, wirusy, cząstki koloidalne, białka i makrocząsteczkową materię organiczną w roztworze; cały proces odbywa się w stanie dynamicznym i nie tworzy się ciasto filtracyjne, tak że substancje, które nie mogą przejść przez powierzchnię membrany, gromadzą się jedynie w ograniczonym zakresie, a szybkość filtracji może osiągnąć pewną wartość równowagi w stanie stabilnym bez ciągłego osłabiania. Separacja makrocząsteczkowych substancji rozpuszczonych przez membrany ultrafiltracyjne zależy głównie od rozmiaru porów membrany, czyli efektów adsorpcji, odrzucania, blokowania i przesiewania membrany na makrocząsteczkowe substancje rozpuszczone. Skuteczne oddzielanie zależy nie tylko od rozmiaru porów membrany oraz wielkości, kształtu, sztywności i elastyczności cząstek substancji rozpuszczonej, ale także od właściwości chemicznych roztworu (wartość pH, właściwości elektryczne), składu (czy występują inne cząstki) oraz struktury, właściwości elektrycznych i właściwości chemicznych (hydrofobowość, hydrofilowość itp.) powierzchni gęstej warstwy membrany.
