La tecnologia di separazione a membrana può essere classificata in diversi modi a seconda del metodo di misurazione.
(1) Classificazione per estrattore
In base ai diversi prodotti da separare, i processi di separazione a membrana possono essere suddivisi in quattro categorie: purificazione, concentrazione, separazione ed estrazione. I processi di separazione a membrana nel trattamento delle acque, dove il permeato è il prodotto, sono chiamati depurazione; quelli in cui il retentato è il prodotto sono detti concentrazione; quelli in cui sia il permeato che il retentato sono prodotti sono detti separazione; e quelli che utilizzano una combinazione di processi di separazione a membrana con due diversi cut-off del retentato per ottenere sostanze tra i due cut-off sono chiamati estrazione.
(2) Classificazione in base al materiale della membrana
In base al materiale della membrana, le membrane semipermeabili possono essere suddivise in membrane organiche e inorganiche. I materiali organici della membrana includono principalmente vari materiali polimerici come polisulfone, polipropilene, poliacrilonitrile, polivinilidene fluoruro, polietersulfone, acetato di cellulosa, polisulfone solfonato e poliammide aromatica;
I materiali delle membrane inorganiche sono ulteriormente suddivisi in membrane inorganiche a base di metalli-come metalli e ossidi metallici e membrane inorganiche a base di silicati-come ceramica e vetro.
Le membrane organiche sono semplici da preparare, hanno elevati rapporti volumetrici degli elementi della membrana, sono poco costose e funzionano a basse pressioni, ma soffrono di scarsa stabilità chimica, resistenza alla temperatura, resistenza meccanica e resistenza alla pulizia; le membrane inorganiche, invece, sono l'opposto.
Sia le tecnologie delle membrane organiche che quelle inorganiche migliorano continuamente le loro prestazioni in base ai rispettivi vantaggi, sforzandosi di superare i rispettivi punti di forza. Attualmente, solo le poliammidi aromatiche tra i materiali per membrane ad osmosi inversa hanno raggiunto la scala di produzione industriale, mentre i materiali per membrane per ultrafiltrazione presentano una notevole varietà.
(3) Classificazione per precisione di separazione
In base alle diverse precisezze di separazione, i processi di separazione con membrana per il trattamento dell'acqua possono essere classificati in filtrazione fine, microfiltrazione, ultrafiltrazione, nanofiltrazione, elettrodialisi, osmosi inversa, elettrodialisi a letto di resina (nota anche come EDI o elettrodeionizzazione) e distillazione a membrana. La microfiltrazione, l'ultrafiltrazione, la nanofiltrazione e l'osmosi inversa sono tutte guidate dalla differenza di pressione attraverso la membrana, mentre l'elettrodialisi e l'elettrodialisi del letto di resina sono guidate dalla differenza di potenziale. Le membrane di microfiltrazione hanno un limite di peso molecolare di 0,1–1,0 μm e una pressione operativa di 0,1–0,2 MPa; le membrane di ultrafiltrazione hanno un limite di peso molecolare di 5.000–200.000 Da e una pressione operativa di 0,1–0,3 MPa; le membrane di nanofiltrazione hanno un tasso di desalinizzazione dello 0–95% e una pressione operativa di 0,3–0,6 MPa; Le membrane ad osmosi inversa hanno un tasso di desalinizzazione del 95,0%–99,9%, una salinità minima del permeato di circa 1 mg/L e una pressione operativa di 0,7–7,0 MPa.
L'elettrodialisi produce acqua desalinizzata che non permea la membrana. La salinità minima del permeato è vicina a quella dell'osmosi inversa e la pressione operativa è 0,1–0,2 MPa. Il tasso di desalinizzazione può essere regolato entro un intervallo compreso tra 0 e 98% a seconda della lunghezza del percorso del flusso e dell'intensità della corrente operativa.
Il riempimento del percorso del flusso dell'acqua desalinizzata dell'elettrodialisi con resine a scambio anionico e cationico forma un sistema di elettrodialisi a letto di resina. Quando la salinità influente è compresa tra 2 e 5 mg/l, la conduttività del permeato dell'elettrodialisi su letto di resina può essere mantenuta al livello di 10-15 MΩ.
(4) Classificazione per struttura della membrana
In base alla differenza tra strutture di membrana porose e non-porose, le membrane di separazione possono essere suddivise in membrane porose e membrane dense. Le membrane porose hanno un gran numero di pori permeabili, mentre le membrane dense non hanno pori permeabili.
In base all'uniformità della struttura della membrana, le membrane porose e le membrane dense possono essere ulteriormente suddivise in membrane omogenee e membrane eterogenee. La struttura della membrana di una membrana omogenea è uniforme nella direzione verticale della superficie della membrana, mentre la struttura della membrana di una membrana eterogenea non è-uniforme nella direzione verticale della superficie della membrana.
Le membrane di microfiltrazione sono membrane porose eterogenee. La dimensione dei pori cambia in modo irregolare durante la permeazione della membrana e l'efficienza di ritenzione è determinata principalmente dalla dimensione media dei pori e dalla porosità.
Le membrane di ultrafiltrazione sono membrane porose ed eterogenee. Il lato dell'acqua di alimentazione della membrana ha uno strato denso, che determina dimensioni dei pori più piccole sul lato dell'acqua di alimentazione e dimensioni dei pori più grandi sul lato dell'acqua purificata, facilitando la permeabilità all'acqua. Una tipica membrana densa omogenea è una membrana a scambio ionico utilizzata nell'elettrodialisi, con permeabilità all'acqua limitata ma permeabilità estremamente elevata per ioni positivi o negativi.
Le membrane composite per osmosi inversa in poliammide aromatica sono tipiche membrane dense eterogenee. Questa membrana è costituita da una membrana di supporto porosa, ad alta-velocità più spessa, laminata con uno strato composito estremamente sottile di permeabilità ad alta-velocità, ottenendo contemporaneamente sia un'elevata permeabilità che un elevato rapporto di permeabilità.
Le membrane dense omogenee hanno una struttura uniforme in tutte le direzioni e possiedono elevati rapporti di permeabilità, ma a causa della loro bassa permeabilità generalmente non si formano in modo indipendente e spesso costituiscono lo strato denso delle membrane composite.
(5) Classificazione per struttura degli elementi
Un elemento di membrana è un'unità operativa di membrana formata combinando membrane simili a fogli- o filamentose con componenti strutturali corrispondenti. In base alle differenze strutturali, gli elementi della membrana possono essere classificati in diverse forme strutturali come a piastre, pieghettate, tubolari, cave e avvolte a spirale.
Diverse strutture di membrana presentano vantaggi e svantaggi in termini di area volumetrica, schema di flusso, supporto della pressione e condizioni di pulizia.
Le membrane per filtrazione fine, microfiltrazione e ultrafiltrazione possono essere disposte in strutture a piastre per l'uso in filtri a piastre e a telaio. Sebbene i filtri a piastre e a telaio abbiano un'area volumetrica ridotta e richiedano una frequente sostituzione del materiale della membrana, consentendo solo un funzionamento intermittente, i materiali strutturali per il supporto della membrana e la conduzione dell'acqua non sono usa e getta, con conseguente costo del materiale più basso durante la sostituzione delle membrane.
Le membrane per filtrazione fine e microfiltrazione possono anche essere disposte in strutture pieghettate per formare filtri pieghettati. Questi si affidano alla struttura plissettata per aumentare l'area volumetrica e utilizzano la membrana stessa per formare canali di sostegno della contropressione e di conduzione dell'acqua. Tuttavia, la sostituzione delle membrane pieghettate aumenta il costo dei materiali strutturali.
Sia le membrane a piastre che quelle pieghettate condividono la caratteristica del funzionamento a flusso completo-. I loro svantaggi comuni includono l'impossibilità di essere prodotti continuamente su larga scala e l'impossibilità di essere puliti. Grazie alla loro attrezzatura semplice e al funzionamento conveniente, vengono utilizzati principalmente in ambienti di trattamento delle acque terminali di processo su piccola-scala e a basso-inquinamento.
Le membrane tubolari possono essere membrane di microfiltrazione, ultrafiltrazione, nanofiltrazione o anche osmosi inversa, che operano sotto pressione interna con un diametro interno di 10–15 mm. Le membrane tubolari non possono essere sottoposte a controlavaggio, hanno una piccola area volumetrica, un costo elevato delle apparecchiature e una bassa efficienza delle apparecchiature; tuttavia, possono essere accuratamente lavati in avanti-, rendendoli adatti al trattamento di liquidi ad alta-viscosità e alta-torbidità e un'eccellente struttura a membrana per concentrazioni speciali di mangimi e trattamento delle acque reflue industriali.
Le membrane di filtrazione cave possono essere microfiltrazione, ultrafiltrazione, nanofiltrazione o osmosi inversa, con diametri interni compresi tra 25 e 1200 μm e diametri esterni tra 50 e 2000 μm.
Le membrane di filtrazione cave possono essere classificate in tipi a pressione interna e a pressione esterna in base alla direzione della pressione. Le membrane a pressione interna hanno un'area volumetrica più piccola e una minore capacità di trattenere lo sporco-, sono facili da lavare idraulicamente e hanno requisiti elevati per la qualità dell'acqua di alimentazione. Possono funzionare in modalità cross-flow o full-flow. Le membrane a pressione esterna hanno un'area volumetrica più ampia e una maggiore capacità di trattenimento dello sporco, non sono facili da lavare idraulicamente, hanno requisiti inferiori per la qualità dell'acqua di alimentazione e funzionano principalmente in modalità flusso completo, rendendo difficile la formazione di un flusso incrociato.
Le membrane di filtrazione cave possono avere aree volumetriche estremamente elevate, ineguagliate da altre strutture di membrana, e possiedono eccellenti prestazioni di lavaggio in avanti e in controcorrente.
A causa della resistenza meccanica limitata delle fibre cave della membrana, la rottura delle fibre rappresenta un grave problema e il tasso di rottura delle fibre entro uno specifico periodo operativo diventa un indicatore importante della durata della membrana.
Le strutture di membrana avvolgibili-sono utilizzate principalmente per membrane di nanofiltrazione e osmosi inversa e negli ultimi anni sono emerse anche membrane di ultrafiltrazione a spirale-up. Questa struttura ha un'area volumetrica moderata e vantaggi quali elevata resistenza alla pressione operativa, bassi requisiti di qualità dell'acqua di alimentazione, grande capacità di incrostazione, facile flusso incrociato- e la capacità di eseguire il lavaggio in avanti.
La sezione trasversale-del canale di flusso dell'acqua di alimentazione in una membrana a spirale-verso l'alto può essere considerata come un canale diritto di altezza uniforme. Questa struttura consente incrostazioni localizzate ed ha un'elevata capacità incrostante; tuttavia, non è facile ottenere buoni effetti di lavaggio in ogni area, rendendola soggetta a incrostazioni localizzate.
Inoltre, le membrane composite a spirale-non possono essere sottoposte a controlavaggio, con conseguenti scarsi effetti di pulizia. Il degrado delle prestazioni dovuto all'imbrattamento della membrana è un grave problema per le strutture a spirale-e il grado di degrado delle prestazioni entro uno specifico periodo operativo diventa un indicatore importante della durata della membrana.