Оптимізація процесу нанофільтрації: міні-огляд (англ.)
DOI:
https://doi.org/10.20535/2617-9741.1.2026.356005Ключові слова:
очищення, нанофільтрація, моделювання, оптимізація, алгоритмАнотація
Нанофільтрація широко використовується в системах очищення стічних вод і технологічних процесах, а сфера використання цієї технології постійно розширюється. Для забезпечення найбільш ефективної роботи необхідно забезпечити оптимальну роботу процесу, проте існує декілька різноманітних підходів до оптимізації нанофільтрації. Поточна робота є спробою систематизувати та узагальнити ці підходи на основі сучасних публікацій.
Першим і визначальним кроком в оптимізації є постановка задачі оптимізації та вибір критерію оптимальності. В більшості розглянутих досліджень використовувалися економічні критерії оптимальності, в першу чергу мінімізації вартості отримуваного продукту. Також в ряді робіт розглядався широкий спектр критеріїв оптимальності на основі технологічних параметрів. В той же час багатокритеріальна оптимізація використовувалася лише в окремих дослідженнях.
Цільова функція в більшості випадків розроблялася на основі механістичних моделей та статистичних методів. Найбільш використовувані механістичні моделі ґрунтувалися на розширеному рівнянні Нернста-Планка, моделей на основі дифузії та потоку в порах, а також методах обчислювальної гідродинаміки. Серед статистичних методів переважали методи планування експерименту, зокрема методологія поверхні відгуку та метод аналізу змінних. Варто відзначити, що в більшості робіт використовувалася квадратична функція відгуку. Також використовувалися методи на основі економічного аналізу та теорії автоматичного керування.
Для розв’язку задачі оптимізації в більшості відносно простих випадків використовувався метод мінімізації Понтрягіна. Для більш складних випадків використовувалися методи нелінійного програмування, а для випадку багатокритеріальної оптимізації – еволюційний алгоритм.
В більшості випадків оптимізацію систем нанофільтрації проводили для випадку використання процесу в системах очищення стічних вод окремих виробництв чи окремих шкідливих домішок. Також в значній кількості робіт розглядалися процеси підготовки питної води.
Загалом даний міні-огляд систематизує та узагальнює підходи до оптимізації процесу нанофільтрації та може бути використаний як підґрунтя для вибору стратегії оптимізації цього процесу при розробці нових установок та систем.
Посилання
Gagnon, R.D., Langevin, M.-È., Lutin, F. and Bazinet, L. (2025). Sustainable recovery of residual proteins from tofu whey by coupling nanofiltration with electromembrane processes and functional properties of resulting protein fractions. Sustainable Food Technology, 3(5), pp.1529–1541. doi: https://doi.org/10.1039/d5fb00202h
Poitras, D., Perreault, V., Gaaloul, S., Schuck, P. and Bazinet, L. (2025). Lactic acid removal and demineralization of acid whey by coupling electrodialysis under pulsed electric fields with pre-concentration by nanofiltration: impact on spray drying and powder quality. Desalination, 613, p.119032. doi: https://doi.org/10.1016/j.desal.2025.119032
Ju, X., Gao, H., Wang, C., Li, R., Zhang, W., Ji, H., Xiao, X., Li, W. and Tong, Y. (2025). Catechol-Ag interlayer constructed nanofiltration membrane for efficient purification of glucose from sugars. Journal of Membrane Science, 716, p.123497. doi: https://doi.org/10.1016/j.memsci.2024.123497
Guo, H., Wang, X., Wang, K. and Liu, S. (2025). Adsorption of natural organic matter and divalent cations onto / inside loose nanofiltration membranes: Implications for drinking water treatment from rejection selectivity perspective. Water Research, 282, p.123660. doi: https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123660
Pruksasri, S., Lanner, B. and Novalin, S. (2020). Nanofiltration as a potential process for the reduction of sugar in apple juices on an industrial scale. LWT, 133, p.110118. doi: https://doi.org/10.1016/j.lwt.2020.110118
Kumar, Y., Cassano, A., Conidi, C., Gottardi, D., Ricci, A., Parpinello, G.P. and Versari, A. (2025). Evaluation of physicochemical characteristics, color and volatile profile of low alcohol beverage based on concentrated white wine produced by NF and RO membranes. Separation and Purification Technology, 367, p.132847. doi: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2025.132847
Shi, H., Li, L., Guo, R., Ma, Y., Li, Y., Wang, Y., Wang, J. and Feng, F. (2025). Protein recovery from potato starch wastewater by combined process of MCM-41/PSF ultrafiltration and PT-MCM-41/PSF nanofiltration composite membrane. Journal of Environmental Chemical Engineering, 13(4), p.117286. doi: https://doi.org/10.1016/j.jece.2025.117286
Carbonell-Alcaina, C., Sánchez-Arévalo, C.M., Cifuentes-Cabezas, M., Álvarez-Blanco, S., Bes-Piá, M.A. and Mendoza-Roca, J.A. (2024). Recovery of phenolic compounds from residual table olive fermentation brines by nanofiltration at different operating conditions. Process Safety and Environmental Protection, [online] 193, pp.918–928. doi: https://doi.org/10.1016/j.psep.2024.11.110
Shon, H.K., Phuntsho, S., Chaudhary, D.S., Vigneswaran, S. and Cho, J. (2013). Nanofiltration for water and wastewater treatment – a mini review. Drinking Water Engineering and Science, 6(1), pp.47–53. doi: https://doi.org/10.5194/dwes-6-47-2013
Shahriari, H.R. and Hosseini, S.S. (2020). Experimental and statistical investigation on fabrication and performance evaluation of structurally tailored PAN nanofiltration membranes for produced water treatment. Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, 147, p.107766. doi: https://doi.org/10.1016/j.cep.2019.107766
Jelemenský, M., Paulen, R., Fikar, M. and Kovács, Z. (2015). Time-optimal operation of multi-component batch diafiltration. Computers & Chemical Engineering, [online] 83, pp.131–138. doi: https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2015.05.029
Karimnezhad, H., Navarchian, A.H., Tavakoli Gheinani, T. and Zinadini, S. (2020). Amoxicillin removal by Fe-based nanoparticles immobilized on polyacrylonitrile membrane: Effects of input parameters and optimization by response surface methodology. Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, 147, p.107785. doi: https://doi.org/10.1016/j.cep.2019.107785
Huliienko, S.V., Korniienko, Y.M. and Gatilov, K.O. (2020). Modern trends in the mathematical simulation of pressure-driven membrane processes. Journal of Engineering Sciences, 7(1), pp.F1–F21. doi: https://doi.org/10.21272/jes.2020.7(1).f1
Huliienko, S., Korniyenko, Y.M., Muzyka, S.M. and Holubka K. (2022). Simulation of Reverse Osmosis Process: Novel Approaches and Development Trends. Journal of Engineering Sciences, 9(2), pp.F6–F36. doi: https://doi.org/10.21272/jes.2022.9(2).f2
Huliienko, S., Kornienko, Y., Muzyka, S. and Holubka, K. (2024). Mathematical Simulation of Nanofiltration Process: State of Art Review. Chemistry & Chemical Technology, 18(2), pp.187–199. doi: https://doi.org/10.23939/chcht18.02.187
Ahmed, F.E., Hashaikeh, R., Diabat, A. and Hilal, N. (2019). Mathematical and optimization modelling in desalination: State-of-the-art and future direction. Desalination, 469, p.114092. doi: https://doi.org/10.1016/j.desal.2019.114092
Jelemenský, M., Sharma, A., Paulen, R. and Fikar, M. (2016). Time-optimal control of diafiltration processes in the presence of membrane fouling. Computers & Chemical Engineering, 91, pp.343–351. doi: https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2016.04.018
Werth, K., Kaupenjohann, P. and Skiborowski, M. (2017). The potential of organic solvent nanofiltration processes for oleochemical industry. Separation and Purification Technology, 182, pp.185–196. doi: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2017.03.050
Micovic, J., Werth, K. and Lutze, P. (2014). Hybrid separations combining distillation and organic solvent nanofiltration for separation of wide boiling mixtures. Chemical Engineering Research and Design, 92(11), pp.2131–2147. doi: https://doi.org/10.1016/j.cherd.2014.02.012
Abejón, R., Belleville, M.P., Sanchez-Marcano, J., Garea, A. and Irabien, A. (2018). Optimal design of industrial scale continuous process for fractionation by membrane technologies of protein hydrolysate derived from fish wastes. Separation and Purification Technology, 197, pp.137–146. doi: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2017.12.057
Keucken, A., Wang, Y., Tng, K., Leslie, G., Spanjer, T. and Köhler, S. (2016). Optimizing Hollow Fibre Nanofiltration for Organic Matter Rich Lake Water. Water, 8(10), p.430. doi: https://doi.org/10.3390/w8100430
Stoller, M., Sacco, O., Sannino, D. and Chianese, A. (2013). Successful Integration of Membrane Technologies in a Conventional Purification Process of Tannery Wastewater Streams. Membranes, 3(3), pp.126–135. doi: https://doi.org/10.3390/membranes3030126
Mendret, J., Azais, A., Favier, T. and Brosillon, S. (2019). Urban wastewater reuse using a coupling between nanofiltration and ozonation: Techno-economic assessment. Chemical Engineering Research and Design, 145, pp.19–28. doi: https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.02.034
Schmidt, P., Bednarz, E.L., Lutze, P. and Górak, A. (2014). Characterisation of Organic Solvent Nanofiltration membranes in multi-component mixtures: Process design workflow for utilising targeted solvent modifications. Chemical Engineering Science, 115, pp.115–126. doi: https://doi.org/10.1016/j.ces.2014.03.029
Börte Köse-Mutlu, Cantoni, B., Turolla, A., Antonelli, M., Heileen Hsu‐Kim and Wiesner, M.R. (2018). Application of nanofiltration for Rare Earth Elements recovery from coal fly ash leachate: Performance and cost evaluation. Chemical Engineering Journal, 349, pp.309–317. doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.05.080
Labban, O., Chong, T.H. and Lienhard, J.H. (2018). Design and modeling of novel low-pressure nanofiltration hollow fiber modules for water softening and desalination pretreatment. Desalination, 439, pp.58–72. doi: https://doi.org/10.1016/j.desal.2018.04.002
Chakrabortty, S., Sen, M. and Pal, P. (2013). Arsenic removal from contaminated groundwater by membrane-integrated hybrid plant: optimization and control using Visual Basic platform. Environmental Science and Pollution Research, 21(5), pp.3840–3857. doi: https://doi.org/10.1007/s11356-013-2382-6
Shaaban, A.M.F., Hafez, A.I., Abdel-Fatah, M.A., Abdel-Monem, N.M. and Mahmoud, M.H. (2016). Process engineering optimization of nanofiltration unit for the treatment of textile plant effluent in view of solution diffusion model. Egyptian Journal of Petroleum, 25(1), pp.79–90. doi: https://doi.org/10.1016/j.ejpe.2015.03.018
Cathie Lee, W.P., Mah, S.-K., Leo, C.P., Wu, T.Y. and Chai, S.-P. (2014). Phosphorus removal by NF90 membrane: Optimisation using central composite design. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 45(4), pp.1260–1269. doi: https://doi.org/10.1016/j.jtice.2014.02.011
Naresh Yadav Donkadokula, Kola, A.K. and Devendra Saroj (2020). Modelling and optimization studies on decolorization of brilliant green dye using integrated nanofiltration and photocatalysis. Sustainable Environment Research, 30(1). doi: https://doi.org/10.1186/s42834-020-00050-y
Marchetti, P., Butté, A. and Livingston, A.G. (2013). Quality by Design for peptide nanofiltration: Fundamental understanding and process selection. Chemical Engineering Science, 101, pp.200–212. doi: https://doi.org/10.1016/j.ces.2013.06.014
Montesdeoca, V.A., Van der Padt, A., Boom, R.M. and Janssen, A.E.M. (2016). Modelling of membrane cascades for the purification of oligosaccharides. Journal of Membrane Science, 520, pp.712–722. doi: https://doi.org/10.1016/j.memsci.2016.08.031
Ochando-Pulido, J.M. and Stoller, M. (2014). Boundary flux optimization of a nanofiltration membrane module used for the treatment of olive mill wastewater from a two-phase extraction process. Separation and Purification Technology, 130, pp.124–131. doi: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2014.04.035
Sarwono, A., Man, Z., Idris, A., Khan, A.S., Muhammad, N. and Wilfred, C.D. (2019). Optimization of ionic liquid assisted sugar conversion and nanofiltration membrane separation for 5-hydroxymethylfurfural. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 69, pp.171–178. doi: https://doi.org/10.1016/j.jiec.2018.09.020
Sannino, D., Sacco, O., and Chianese A. (2013). Determination of optimal operating condition in nanofiltration (NF) and reverse osmosis (RO) during the treatment of a tannery wastewater stream. Chemical Engineering Transactions, 32, pp. 1993-1998, https://doi.org/10.3303/CET1332333
Yang, Z., Cheng, J., Yang, C. and Liang, B. (2016). CFD-based optimization and design of multi-channel inorganic membrane tubes. Chinese Journal of Chemical Engineering, 24(10), pp.1375–1385. doi: https://doi.org/10.1016/j.cjche.2016.05.044
Pal, P., Thakura, R. and Chakrabortty, S. (2016). Performance analysis and optimization of an advanced pharmaceutical wastewater treatment plant through a visual basic software tool (PWWT.VB). Environmental Science and Pollution Research, 23(10), pp.9901–9917. doi: https://doi.org/10.1007/s11356-016-6238-8
Fan, G., Li, Z., Yan, Z., Wei, Z., Xiao, Y., Chen, S., Shangguan, H., Lin, H. and Chang, H. (2020). Operating parameters optimization of combined UF/NF dual-membrane process for brackish water treatment and its application performance in municipal drinking water treatment plant. Journal of Water Process Engineering, 38, p.101547. doi: https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2020.101547
Aoufi, B., Didi, M. and Villemin, D. (2020). Optimization of La (III) extraction by nanofiltration. Scientific Study and Research: Chemistry and Chemical Engineering, Biotechnology, Food Industry, [online] XXI(1), pp.95–110. doi: https://normandie-univ.hal.science/hal-02889849
Guvenc, S.Y. (2019). Optimization of COD removal from Leachate Nanofiltration Concentrate Using H2O2/Fe+2/Heat - Activated Persulfate Oxidation Processes. Process Safety and Environmental Protection, 126, pp. 7-17. doi: https://doi.org/10.1016/j.psep.2019.03.034
Jadhav, S., Marathe, K.V. and Rathod, V.K. (2016). A pilot scale concurrent removal of fluoride, arsenic, sulfate and nitrate by using nanofiltration: Competing ion interaction and modelling approach. Journal of water process engineering, 13, pp.153–167. doi: https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2016.04.008
Malhotra, M., Pal, M. and Pal, P. (2020). A response surface optimized nanofiltration-based system for efficient removal of selenium from drinking Water. Journal of Water Process Engineering, 33, p.101007. doi: https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2019.101007
de Souza, I., Alexandre Giacobbo, Eduardo, Antônio, M., Norberta, M. and Bernardes, A.M. (2020). Experimental Design as a Tool for Optimizing and Predicting the Nanofiltration Performance by Treating Antibiotic-Containing Wastewater. Membranes, 10(7), pp.156–156. doi: https://doi.org/10.3390/membranes10070156
Lv, Y., Zhou, J., Mai, Z., and Liu, J., (2019). Nano-porous membrane process for brackish groundwater treatment: Efficiency analysis using Response Surface Methodology. Nature Environment and Pollution Technology, 18 (4), pp. 1131–1141
Pal, M., Chakrabortty, S., Nayak, J. and Pal, P. (2018). Removing toxic contaminants from groundwater by graphene oxide nanocomposite in a membrane module under response surface optimization. International journal of environmental science and technology, 16(8), pp.4583–4594. doi: https://doi.org/10.1007/s13762-018-1924-3
Sanches, S., Galinha, C.F., Barreto Crespo, M.T., Pereira, V.J. and Crespo, J.G. (2013). Assessment of phenomena underlying the removal of micropollutants during water treatment by nanofiltration using multivariate statistical analysis. Separation and Purification Technology, 118, pp.377–386. doi: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2013.07.020
Sharma, A., Valo, R., Kalúz, M., Paulen, R. and Fikar, M. (2019). Implementation of optimal strategy to economically improve batch membrane separation. Journal of Process Control, 76, pp.155–164. doi: https://doi.org/10.1016/j.jprocont.2019.02.001
Nativ, P., Birnhack, L. and Lahav, O. (2016). DiaNanofiltration-based method for inexpensive and selective separation of Mg2+ and Ca2+ ions from seawater, for improving the quality of soft and desalinated waters. Separation and Purification Technology, 166, pp.83–91. doi: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2016.04.026
Stoller, M. and Serrão Mendes, R. (2017). Advanced control system for membrane processes based on the boundary flux model. Separation and Purification Technology, 175, pp.527–535. doi: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2016.09.049
Bi, F., Zhao, H., Zhou, Z., Zhang, L., Chen, H. and Gao, C. (2016). Optimal design of nanofiltration system for surface water treatment. Chinese Journal of Chemical Engineering, 24(12), pp.1674–1679. doi: https://doi.org/10.1016/j.cjche.2016.05.012
Kunde, C. and Kienle, A. (2018). Global optimization of multistage binary separation networks. Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, 131, pp.164–177. doi: https://doi.org/10.1016/j.cep.2018.06.024
Böcking, A., Koleva, V., Wind, J., Thiermeyer, Y., Blumenschein, S., Goebel, R., Skiborowski, M. and Wessling, M. (2019). Can the variance in membrane performance influence the design of organic solvent nanofiltration processes? Journal of Membrane Science, 575, pp.217–228. doi: https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.12.077
Li, H., Shi, W., Wang, W. and Zhu, H. (2015). The extraction of sericin protein from silk reeling wastewater by hollow fiber nanofiltration membrane integrated process. Separation and Purification Technology, 146, pp.342–350. doi: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2015.04.004
Athanasiou, D.A., Romanos, G.Em. and Falaras, P. (2016). Design and optimization of a photocatalytic reactor for water purification combining optical fiber and membrane technologies. Chemical Engineering Journal, 305, pp.92–103. doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2015.11.080
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 Олена Іванівна Іваненко, Сергій Валерійович Гулієнко, Ярослав Микитович Корнієнко, Віта Василівна Галиш
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
