חומרים חדשניים של טיפול במים מבוטריים גבוה

טיפול במים עתירי גבוה הוא תהליך קריטי על פני מגזרים תעשייתיים רבים, כולל ייצור חשמל, ייצור כימי, מימון נפט, וניהול מים מתקדם פסולת. membranes פולימרי, תוך יעיל בטמפרטורות בינוניות, מתדרדר במהירות כאשר נחשפים למים חמים, קיטור, או סוכני ניקוי כימיים אגרסיביים.השפל זה מוביל מחזורי החלפת תכופים תכופים, עלויות תחזוקה גבוהות יותר, ותהליך למטה.

האתגרים של טיפול במים עתיריים גבוהים

תהליכים תעשייתיים לעתים קרובות לייצר זרמי מים בטמפרטורות מעל 100 מעלות צלזיוס, לפעמים להגיע 300 מעלות צלזיוס או גבוה יותר.תחת תנאים כאלה, תרופות פולימריות מסורתיות יש מגבלות פולימרוניות פולימריות (למשל, פולימידו סמוזה הפוכה אוסמוזה לאחור), מונעות מחלות דלקתיות חמורות יותר, מחוזקות אנרגיה גבוהה יותר, מנפחות חום, ואובדן של שלמות מכנית.

פיתוח חומרים ממברנים להגבלות קיצוניות

כמה סוגים של חומרים הופיעו כמועמדים קיימא לטיפול במים עתירי זמן גבוהה.כל אחד מביא יתרונות ברורים, ומחקר מתמשך נועד לשלב את נקודות החוזק שלהם תוך הקטנת החולשות.הקטגוריות העיקריות כוללות קרומברנס קרמיקה, מלמברנס מורכב, מלמברנס מתכת, ומזכרות מבוססות פחמן.

המונחים: Ceramic membranes

membranes Ceramic הם הפתרון המוצב ביותר עבור יישומים עתירי זמן גבוהה.מיוצר מ תחמוצת חלקיקים אורגניים כגון alumina (Al2O3), zirconia (ZrO2), titania (TiO2), ו- silica (SiO2), הם מפגינים יציבות תרמית יוצאת דופן, לעתים קרובות פועל מעל 300 מעלות צלזיוס, והתנגדות כימית יוצאת דופן בטווח רחב של pH (R) מספק את החמצן הקשיח כדי לעמוד מול גודל מכני חזק יותר חזק (מסוג מכני) כדי לנקות את החמצן חזק יותר חזק יותר חזק יותר חזק יותר) כדי לנקות את החמצן חזק יותר חזק יותר חזק יותר ויותר חזק (Ric נוזל מכניקה אחורית) כדי לספק להם לחץ מכני).

למרות היתרונות שלהם, קרום קרמיקה היו מוגבלים מבחינה היסטורית על ידי עלויות הון גבוהות יותר בהשוואה חלופות פולימריות וגמישות נמוכה יחסית בשל שכבות פעילות עבה יותר.עם זאת, ההתקדמות האחרונה בייצור - כגון השימוש חלקיקים קרמיקה בגודל 99% וטכניקות ציפוי מתקדמות - שיפרו את פלוקס תוך צמצום עלויות קרמיקה.

המונחים: membranes

membranes Composite משלב שני חומרים או יותר כדי להשיג ביצועים בלתי ניתנים להשגה על ידי מרכיב יחיד.עבור טיפול במים עתירי זמן גבוהה, מרוכבים קרמיקה-polymer מבטיחים במיוחד.בעיצובים אלה, תת-קרקעית קרמיקה (למשל, ⁇ alumina) מספקת יציבות תרמית ומכנית, בעוד שכבה פולימרנית דקת (למשל, פולינזימידוליאולי, פוליאמוריה, פולימרים גבוהה יותר, פולימרים) יש צורך בפולימרים (חומצה פולימרנית) או פולימרנית גבוהה יותר, כמו קטסולרית) או פולימרים (חומצה גבוהה יותר) כמו קטומית (חומצה חשמלית) קרמיקה) קרמיקה) כמו חומצה פולימרית גבוהה יותר (חומצה גבוהה יותר) או פוליגרפית) קרמיקה) או פוליגרפית (חומצה פולימרית (aפטיבית) קרמיקה) קרמיקה) קרמיקה (למשל, כמו חומצה פולימרית) קרמיקה (חומצה גבוהה יותר (חומצה פוליגרפית) יש צורך בכבדה, 000 קרמיקה) קרמיקה) קרמיקה) קרמיקה) קרמיקה (למשל, כמו חומצה פוליגרפית גבוהה יותר) קרמיקה) יש צורך לעתים קרובות יותר (חומצה פולימרנית) קרמיקה (

סוג אחר של membrane מורכב שילובים קרמיקה (cermet) שבו שלב מתכת (למשל, נירוסטה פלדה, ניקל, platladium) משולב לתוך ממטריקס קרמיקה. membranes כאלה משמשים עבור הפרדה מימן בטמפרטורות גבוהות, אבל מחקר מתפתח מרחיב את השימוש שלהם לטיפול במים באמצעות חמצון או סינון.

מתכת Membranes

מלמברי מתכת, במיוחד אלה שנעשו מפלדה אל-חלד, ⁇ ניקל, או שיתוק, מציעים סובלנות טמפרטורה יוצאת דופן (לעיתים קרובות מעל 400 מעלות צלזיוס) וכוח מכני גבוה.הם משמשים בעיקר להפרדה גז (למשל, טיהור מימן) אבל הם נחקרים יותר ויותר עבור דלקת מים נוזלית או דלקת ריאות מוגבלת; עם זאת, ציפוי מתכתי מתכת מוגבלים, 000) הם יכולים להיות ממתכת גבוהה.

פחמן מבוסס על קרום

חומרים מבוססי פחמן - כולל תחמוצת גרפן (GO), צינורות פחמן (CNTs), ו- פחמן מולקולרית בשלב 1, נמשכות עניין אינטנסיבי עבור יישומים עתירי פחמן עתירי זמן גבוהים. Graphene oxide membranes (למשל, ניתן לאסוף לתוך מבנים מורכבים עם חומצות מים מתוחכמות, עם עמידות גבוהה קרמיקה (Fateicial) עם טמפרטורות גבוהות של מים, 000) ו-Cretraemtraide (reicial) עם עמידות גבוהה.

חידושים מרכזיים ב-Membrane

התקדמות בסינתזה חומרית וטכניקות ייצור היו חיוניות למימוש הפוטנציאל של קרום חדשני אלה.כמה שיטות ייצור ראוי לתשומת לב:

  • (FLT:0) ALD שכבתי (ALD): ⁇ FLT:1) מאפשר מחיקה מדויקת של שכבות אולטרה-ת'ין oxide (למשל, אל2O3, TiO2) על ⁇ תומך, יצירת membranes עם בקרת גודל תת-מטר בגודל של מילימטר.
  • (FLT:0) Electrospinning: 1FLT יוצר nanofiber membranes עם שפע גבוה ומבנים הקשורים לנפיחות הדדית. כאשר בשילוב עם חלקיקים קרמיקה או פולימרים, מזרונים אלקטרוספונים ניתן לחטא או לעבור לחוסן לטווח גבוה.
  • (FLT:0) דיסלקציה ו Sintering:03FLT:1) שיטות קלאסיות עבור קרום קרמיקה כבר מעודן על ידי שימוש בפתירים אורגניים ולשעברים פוזרים כי נשרף באופן נקי, משאיר בדיוק את הנפיחות מבוקרת.
  • האסיפה של Layer-by-Layer (LbL): FLT:1 מאפשר פיזור של פוליאלקטרוניקה או חלקיקים על תמיכה.טכניקה זו יכולה ליצור ציפוי פונקציונליים המתנגדים לטעייה ולשמור על יציבות בטמפרטורות גבוהות בעת שימוש בפוליאלקטרוניקה יציבה תרמילאית.
  • (FLT:0)3D הדפסה: 1FLT ייצור אדרטיבי מתפתח עבור ייצור membrane תומך או אפילו להשלים מבנים קרום עם גיאוגרפיות מורכבות, המאפשרת הפצה זרימה אופטימיזציה ושיפור העברת המונים בטמפרטורות גבוהות.

ייצור זה מתקדם לא רק לשפר את ביצועי קרום המוחן, אלא גם להפחית את עלויות הייצור, מה שהופך את membranes בטמפרטורה גבוהה יותר מבחינה כלכלית קיימא עבור אימוץ תעשייתי נרחב.

שיפורים: יציבות תרמית, עמידות כימית ואנטי-פלינג

המדדים העיקריים להערכת קרום עתירי גבוה הם יציבות תרמית, התנגדות כימית ונכסים אנטי-פופולטיביים, לטפל בחומרים חדשניים כל אחד מהם:

  • (FLT:0) יציבות תרמית: 1FLT 1 Ceramic ומתכת membranes לעמוד בטמפרטורות גבוהות. עבור מקרשים המבוססים על פולימרים פולימרים המבוססים על פולימרים עתירי זכוכית גבוהה (למשל, פולימונים עם Tg > 300 מעלות צלזיוס) או פלואופולמרים מבטיחים אובדן מינימלי של חומרים היברידיים אורגניים (למשל, מסגרת פולימטבולית משופרת) גם כן משופרת.
  • (FLT:0Chemical Resistance: 1FLT:1 הרבה זרמי מים תעשייתיים מכילים חומצות חזקות, בסיסים או חמצון (למשל, chlorine forחיטוי) Ceramics כמו titania ו zirconia מתנגדים קורוזיה; שכבות פולימר חייב להיות נבחר עבור אינרציה - PTFE ו PEEK הם מצוינים.
  • (FLT:0) Anti-fouling: FLT:1 טמפרטורות גבוהות להחמיר את הפחתת הסקאלה (למשל, סידן פחמן, סיליקה) ו deposition אורגני. mmbranes עם משטחים הידרופיליים לעזור להפחית את הצטברות הפגום; מחזורי קרום קרמיקה יכולים להיות מחוסנים עם פולימרים זרוטיניים או טיטניום דו-חמצני עבור חומרי ניקוי עצמיים נמוכים.

בדיקות בעולם האמיתי מראות כי קרום קרמיקה מתקדם יכול לשמור על התאוששות של 90% לאחר מחזורי ניקוי מרובים ב 80 מעלות צלזיוס עם כימיקלים אגרסיביים, שיפור משמעותי על קרום פולימרי. Composite membranes עם תמיכה קרמיקה ושכבות פולימרים דקים להשיג חוסן דומה בעלות נמוכה יותר.

יישומים בתעשיות

מזכרות עתיריות גבוהות הן מציאת יישומים במספר מגזרים תובעניים:

הדור של כוח

בצמחי כוח תרמיים, טיפול במים עבור מים רותחים, קירור המגדל, וגז יורד פסולת פלוגדוריזציה לעתים קרובות כרוך בטמפרטורות גבוהות. Ceramic membranes משמשים כדי prerap להאכיל מים, הסרת חלקיקים וסיליקה לפני osmosis לאחור או ion חילופי ion.הם גם לטפל condenate חם לשימוש מחדש, צמצום צריכת מים.

ייצור כימי ופטרוכימי

מים תהליכים בצמחים כימיים יכולים להגיע ל-200 מעלות צלזיוס ולכילה של פותרים אורגניים, חומצות ומלחים. Composite membranes עם PTFE שכבות פעיל נבדקו על מנת להפריד בין מאגרי מים של שמן שמן ב-120 מעלות צלזיוס עם > 99% שמן הסרת.בזיקוק, המיוצר מים מזריקה הוא חם (עד 150 מעלות צלזיוס) ודורש טיפול לפני השחרור או שימוש חוזר; membranes הם יותר ויותר תרופות סלולריות.

עיבוד מזון ו Beverage

סטריליזציה עתירה גבוהה היא נפוצה בחלב, מיץ, ייצור משקאות. Ceramic membranes לעמוד במים חמים חוזרים וניקוי קיטור (מחזורי CIP ב 80-130 ° C) ללא השפלה.הם משמשים לריכוז חלב, הבהרה של מיץ פירות, ושיקום של חלבונים whey, המציעה יותר שירות מאשר מלנברת פולימרי ספירלה פולימריאלית.

תרופות וביוטכנולוגיה

ב הרוקח, מים להזרקה (WFI) לעתים קרובות דורש דינקיה או סינון membrane בטמפרטורות גבוהות. Ceramic nanofiltration membranes מוערכים לייצור WFI ב 80 מעלות צלזיוס, צמצום צריכת האנרגיה בהשוואה לשקיקה.ההתנגדות הכימית שלהם מאפשר ניקוי עם תחמוצת נתרן חמה וחומצה חנקתית.

טיפול במים ו-Reuse

פסולת תעשייתית עם מוצקות גבוהות וטמפרטורה (למשל, מטקסטיל צבוע, pulp ונייר) ניתן לטפל ביעילות עם קרום קרמיקה או מורכב.משרד האנרגיה האמריקאי מימן פרויקטים באמצעות מלמברנס קרמיקה לטיפול במי בזבוז עתירי עתירי עתירי גבוה מפעילות גז פציפ.

מגמות מחקר ודרכים לעתיד

תחום חומרי קרום עתיריים ממשיך להתפתח במהירות.כמה מגמות מעצבות התפתחויות עתידיות:

  • (FLT:0) אינטגרציה קוונטית: 1FLT (שילוב חלקיקים) (למשל, גרפן תחמוצת קוונטית dots, MXenes, מסגרות מתכת-אורגניות) לתוך מטבוליות membrane יכול לשפר אתסלקטיביות, אנטי-פוכות, ויציבות תרמית.
  • (FLT:0) מזכרות חכמות: FLT:1ir reponsive חומרים שמשנים את ההסתברות אוסלקטיביות בתגובה לטמפרטורה או pH יכול לאפשר מערכות סינון אדפטיבית.לדוגמה, מצחצחות פולימרים רגישים לטמפרטורה על תמיכה קרמיקה יכולים לעבור בין מדינות הידרופיליות הידרופוביות, צמצום רעוע.
  • ייצור אדרטיבי של מבנים מפוזרים: ההרחבה 3D של קרום קרמיקה מאפשרת עיצוב של רשתות של תרנגולות היררכיות הממקסמות את השטף תוך שמירה על כוח מכני.זה יכול להפחית באופן דרמטי טיפות לחץ וצריכת אנרגיה.
  • ייצור בלתי אפשרי:0 (FLT:1 Efforts to Lose the Energy and Carbon Footation of membrane כולל שימוש במבשרים מתחדשים, צמצום הטמפרטורות החשופות (למשל, באמצעות ערפל קר), ומחזור מחדש של מזכרים בילו פולימרים.
  • (FLT:0) תהליכי הימבריד: FLT:1ir משלבים membranes עם טכנולוגיות טיפול אחרות (למשל, חמצון אלקטרוכימי, photocatalysis) בטמפרטורות גבוהות יכול להשיג הרס מוחלט. למערכות משולבות באמצעות ביולוגי מזכר קרמיקה בטמפרטורות גבוהות נבדקים עבור פסולת תעשייתית של התחדשות.

ככל שהטכנולוגיות הללו בוגרות, העלות של קרום עתירי עתידה לרדת, מה שהופך אותן לנגישות למגוון רחב יותר של תעשיות.מחקר משותף בין האקדמיה והתעשייה, בתמיכת יוזמות ממשלתיות כמו משרד הייצור המתקדם של DOE, יזרז את פריסת הפריסה.

מסקנה

טיפול במים עתירי גבוה מציג אתגר מרתיע כי קרום קונבנציונלי לא יכול לעמוד.הפיתוח של חומרים חדשניים - מקרמיקה ומותיקים ממותקים ומבנים המבוססים על פחמן - מספק מסלולים קיימא לסינון אמין בתנאים קיצוניים. אלה membranes מציעים רק יציבות תרמית, עמידות כימית וביצועים נגד ייצוב, המאפשר חיים תפעוליים ארוכים יותר ועלויות מופחתות של אנרגיה, כמו שיפור תהליכי ייצור כימי, כמו גם לחץ דם גבוה יותר, שיפור אנרגיה, כמו טיפול כימי.