Je nach Messmethode kann die Membrantrenntechnik unterschiedlich klassifiziert werden.
(1) Klassifizierung nach Extraktionsmittel
Basierend auf den verschiedenen zu trennenden Produkten können Membrantrennverfahren in vier Kategorien unterteilt werden: Reinigung, Konzentration, Trennung und Extraktion. Membrantrennverfahren in der Wasseraufbereitung, bei denen das Permeat das Produkt ist, werden als Reinigung bezeichnet; diejenigen, bei denen das Retentat das Produkt ist, werden Konzentration genannt; solche, bei denen sowohl das Permeat als auch das Retentat Produkte sind, werden als Trennung bezeichnet; und diejenigen, die eine Kombination von Membrantrennverfahren mit zwei unterschiedlichen Retentat-Grenzwerten verwenden, um Substanzen zu erhalten, die zwischen den beiden Grenzwerten liegen, werden als Extraktion bezeichnet.
(2) Klassifizierung nach Membranmaterial
Basierend auf dem Membranmaterial können semipermeable Membranen in organische und anorganische Membranen unterteilt werden. Zu den organischen Membranmaterialien gehören hauptsächlich verschiedene Polymermaterialien wie Polysulfon, Polypropylen, Polyacrylnitril, Polyvinylidenfluorid, Polyethersulfon, Celluloseacetat, sulfoniertes Polysulfon und aromatisches Polyamid;
Anorganische Membranmaterialien werden weiter unterteilt in anorganische Membranen auf Metallbasis, beispielsweise Metalle und Metalloxide, und anorganische Membranen auf Silikatbasis, beispielsweise Keramik und Glas.
Organische Membranen lassen sich einfach herstellen, haben ein hohes Membranelement-Volumenverhältnis, sind kostengünstig und arbeiten bei niedrigen Drücken, weisen jedoch eine schlechte chemische Stabilität, Temperaturbeständigkeit, mechanische Festigkeit und Reinigungsbeständigkeit auf; Anorganische Membranen hingegen sind das Gegenteil.
Sowohl organische als auch anorganische Membrantechnologien verbessern ihre Leistung basierend auf ihren jeweiligen Vorteilen kontinuierlich und streben danach, die Stärken der anderen zu übertreffen. Derzeit haben nur aromatische Polyamide unter den Umkehrosmosemembranmaterialien den industriellen Produktionsmaßstab erreicht, während Ultrafiltrationsmembranmaterialien eine beträchtliche Vielfalt aufweisen.
(3) Klassifizierung nach Trenngenauigkeit
Basierend auf unterschiedlichen Trenngenauigkeiten können Membrantrennverfahren zur Wasseraufbereitung in Feinfiltration, Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration, Elektrodialyse, Umkehrosmose, Harzbettelektrodialyse (auch bekannt als EDI oder Elektroentionisierung) und Membrandestillation eingeteilt werden. Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration und Umkehrosmose werden alle durch den Druckunterschied über die Membran angetrieben, während Elektrodialyse und Harzbett-Elektrodialyse durch den Potentialunterschied angetrieben werden. Mikrofiltrationsmembranen haben eine Molekulargewichtsgrenze von 0,1–1,0 μm und einen Betriebsdruck von 0,1–0,2 MPa; Ultrafiltrationsmembranen haben eine Molekulargewichtsgrenze von 5000–200000 Da und einen Betriebsdruck von 0,1–0,3 MPa; Nanofiltrationsmembranen haben eine Entsalzungsrate von 0–95 % und einen Betriebsdruck von 0,3–0,6 MPa; Umkehrosmosemembranen haben eine Entsalzungsrate von 95,0–99,9 %, einen minimalen Permeatsalzgehalt von etwa 1 mg/L und einen Betriebsdruck von 0,7–7,0 MPa.
Bei der Elektrodialyse entsteht entsalztes Wasser, das die Membran nicht durchdringt. Der minimale Salzgehalt des Permeats liegt nahe dem der Umkehrosmose und der Betriebsdruck beträgt 0,1–0,2 MPa. Die Entsalzungsrate kann je nach Fließweglänge und Betriebsstromstärke im Bereich von 0–98 % eingestellt werden.
Durch das Füllen des entsalzten Wasserflusswegs der Elektrodialyse mit Anionen- und Kationenaustauscherharzen entsteht ein Harzbett-Elektrodialysesystem. Wenn der Salzgehalt des Zuflusses im Bereich von 2–5 mg/L liegt, kann die Permeatleitfähigkeit der Harzbett-Elektrodialyse auf dem Niveau von 10–15 MΩ gehalten werden.
(4) Klassifizierung nach Membranstruktur
Basierend auf dem Unterschied zwischen porösen und nicht{0}}porösen Membranstrukturen können Trennmembranen in poröse Membranen und dichte Membranen unterteilt werden. Poröse Membranen haben eine große Anzahl durchlässiger Poren, während dichte Membranen keine durchlässigen Poren haben.
Basierend auf der Einheitlichkeit der Membranstruktur können poröse Membranen und dichte Membranen jeweils weiter in homogene Membranen und heterogene Membranen unterteilt werden. Die Membranstruktur einer homogenen Membran ist in vertikaler Richtung der Membranoberfläche gleichmäßig, während die Membranstruktur einer heterogenen Membran in vertikaler Richtung der Membranoberfläche ungleichmäßig ist.
Mikrofiltrationsmembranen sind poröse heterogene Membranen. Die Porengröße ändert sich beim Durchdringen der Membran unregelmäßig und die Rückhalteeffizienz wird hauptsächlich durch die durchschnittliche Porengröße und Porosität bestimmt.
Ultrafiltrationsmembranen sind poröse, heterogene Membranen. Die Speisewasserseite der Membran weist eine dichte Schicht auf, was zu kleineren Porengrößen auf der Speisewasserseite und größeren Porengrößen auf der Seite des gereinigten Wassers führt, was die Wasserdurchlässigkeit erleichtert. Eine typische dichte homogene Membran ist eine in der Elektrodialyse verwendete Ionenaustauschmembran mit begrenzter Wasserdurchlässigkeit, aber extrem hoher Durchlässigkeit für positive oder negative Ionen.
Aromatische Polyamid-Umkehrosmose-Verbundmembranen sind typische heterogene dichte Membranen. Diese Membran besteht aus einer dickeren, porösen Hochgeschwindigkeits-Trägermembran, die mit einer extrem dünnen Verbundschicht mit Hochgeschwindigkeitspermeabilität laminiert ist und gleichzeitig eine hohe Permeabilität und ein hohes Permeabilitätsverhältnis erreicht.
Dichte homogene Membranen haben eine gleichmäßige Struktur in alle Richtungen und besitzen hohe Permeabilitätsverhältnisse. Aufgrund ihrer geringen Permeabilität werden sie jedoch im Allgemeinen nicht unabhängig voneinander gebildet und bilden häufig die dichte Schicht von Verbundmembranen.
(5) Klassifizierung nach Elementstruktur
Ein Membranelement ist eine Membranarbeitseinheit, die durch die Kombination blattartiger oder fadenförmiger Membranen mit entsprechenden Strukturkomponenten gebildet wird. Basierend auf strukturellen Unterschieden können Membranelemente in verschiedene Strukturformen wie Platten, Falten, Röhren, Hohlräume und spiralförmig gewickelte Elemente eingeteilt werden.
Verschiedene Membranstrukturen haben ihre eigenen Vor- und Nachteile hinsichtlich Volumenfläche, Strömungsmuster, Druckunterstützung und Reinigungsbedingungen.
Feinfiltrations-, Mikrofiltrations- und Ultrafiltrationsmembranen können in Plattenstrukturen für den Einsatz in Platten- und Rahmenfiltern angeordnet werden. Obwohl Platten- und Rahmenfilter eine kleine Volumenfläche haben und einen häufigen Austausch des Membranmaterials erfordern, sodass nur ein intermittierender Betrieb möglich ist, sind die Strukturmaterialien für die Membranunterstützung und die Wasserleitung nicht wegwerfbar, was zu den niedrigsten Materialkosten beim Membranaustausch führt.
Feinfiltrations- und Mikrofiltrationsmembranen können auch in Faltenstrukturen angeordnet werden, um Faltenfilter zu bilden. Diese basieren auf der Faltenstruktur, um die Volumenfläche zu vergrößern, und nutzen die Membran selbst, um Gegendruckunterstützung und Wasserleitungskanäle zu bilden. Der Austausch von Faltenmembranen erhöht jedoch die Kosten für Strukturmaterialien.
Sowohl Platten- als auch Faltenmembranen haben die Eigenschaft des Vollflussbetriebs gemeinsam. Zu ihren gemeinsamen Nachteilen gehört, dass sie nicht kontinuierlich in großem Maßstab produziert werden können und nicht gereinigt werden können. Aufgrund ihrer einfachen Ausrüstung und bequemen Bedienung werden sie hauptsächlich in kleinen -Prozessumgebungen zur Wasseraufbereitung mit geringer-Verschmutzung eingesetzt.
Rohrförmige Membranen können Mikrofiltrations-, Ultrafiltrations-, Nanofiltrations- oder sogar Umkehrosmosemembranen sein, die unter Innendruck arbeiten und einen Innendurchmesser von 10–15 mm haben. Rohrmembranen können nicht rückgespült werden, haben eine kleine Volumenfläche, hohe Gerätekosten und eine geringe Geräteeffizienz; Sie können jedoch gründlich vorwärts-gewaschen werden, wodurch sie sich für die Behandlung von hoch{{4}viskosen und stark-trüben Flüssigkeiten eignen und über eine ausgezeichnete Membranstruktur für spezielle Futterkonzentrationen und industrielle Abwasserbehandlung verfügen.
Hohlfiltrationsmembranen können Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration oder Umkehrosmose sein, mit Innendurchmessern von 25 bis 1200 μm und Außendurchmessern von 50 bis 2000 μm.
Hohlfiltrationsmembranen können je nach Druckrichtung in Innendruck- und Außendrucktypen eingeteilt werden. Innendruckmembranen haben eine kleinere Volumenfläche und eine geringere Schmutzaufnahmekapazität, lassen sich leicht hydraulisch spülen und stellen hohe Anforderungen an die Speisewasserqualität. Sie können im Cross-Flow- oder Full-Flow-Modus betrieben werden. Außendruckmembranen haben eine größere Volumenfläche und eine höhere Schmutzaufnahmekapazität, lassen sich nicht einfach hydraulisch spülen, stellen geringere Anforderungen an die Qualität des Speisewassers und arbeiten meist im Vollstrommodus, was die Bildung einer Querströmung erschwert.
Hohlfiltrationsmembranen können extrem große Volumenflächen aufweisen, die von anderen Membranstrukturen nicht erreicht werden, und verfügen über eine hervorragende Vorwärts- und Rückspülleistung.
Aufgrund der begrenzten mechanischen Festigkeit von Hohlmembranfasern stellt Faserbruch ein großes Problem dar, und die Faserbruchrate innerhalb eines bestimmten Betriebszeitraums wird zu einem wichtigen Indikator für die Lebensdauer der Membran.
Aufrollbare Membranstrukturen werden hauptsächlich für Nanofiltrations- und Umkehrosmosemembranen verwendet, und in den letzten Jahren sind auch spiralförmige Ultrafiltrationsmembranen auf den Markt gekommen. Diese Struktur hat eine moderate Volumenfläche und Vorteile wie einen hohen Betriebsdruckwiderstand, geringe Anforderungen an die Speisewasserqualität, eine große Verschmutzungskapazität, einen einfachen Querfluss und die Möglichkeit, eine Vorwärtsspülung durchzuführen.
Der Querschnitt des Speisewasserströmungskanals in einer spiralförmig nach oben gerichteten Membran kann als gerader Kanal mit gleichmäßiger Höhe betrachtet werden. Diese Struktur ermöglicht eine lokalisierte Verschmutzung und weist eine hohe Verschmutzungskapazität auf; Es ist jedoch nicht einfach, in allen Bereichen eine gute Spülwirkung zu erzielen, sodass es anfällig für lokale Verschmutzungen ist.
Darüber hinaus können spiralförmige Verbundmembranen nicht rückgespült werden, was zu einer schlechten Reinigungswirkung führt. Leistungseinbußen aufgrund von Membranverschmutzung sind ein großes Problem für spiralförmige Strukturen, und der Grad der Leistungseinbußen innerhalb einer bestimmten Betriebsperiode wird zu einem wichtigen Indikator für die Lebensdauer der Membran.