Ciśnieniowe procesy membranowe, mikrofiltracja, ultrafiltracja, nanofiltracja, odwrócona osmoza

Konieczność udoskonalenia istniejących technik uzdatniania wody i wprowadzania nowych wynika przede wszystkim ze stopniowego pogarszania się jakości zasobów wodnych spowodowanych narastającą ilością zanieczyszczeń wprowadzanych do środowiska.

 

 

 

Rosnące zapotrzebowanie na wodę wysokiej jakości oraz ze względu na coraz to bardziej restrykcyjne uregulowania prawne w zakresie jakości wody do picia oraz ścieków odprowadzanych do środowiska naturalnego.

Wśród zastosowań operacji membranowych aktualnie największy potencjał przemysłowy stanowią ciśnieniowe procesy membranowe. Dzieje się tak przede wszystkim ze względu na niższe koszty inwestycyjne i eksploatacyjne, małą złożoność materiału membranowego oraz ze względu na większą łatwość operowania ciśnieniem niż prądem jako siłą napędową. Dzięki ciśnieniowym procesom membranowym można uzyskać wodę o stałej jakości bez dodawania dużej ilości chemikaliów. Do zalet ciśnieniowych procesów membranowych można również zaliczyć zwartość instalacji, możliwość pełnej automatyzacji oraz małą ilość powstających odpadów. Ciśnieniowe procesy membranowe należą do grupy fizycznej separacji składników układu, a siłą napędową jest różnica ciśnień (Δp) po obu stronach membrany. Pod wpływem przyłożonego ciśnienia rozpuszczalnik lub rozpuszczone substancje małocząsteczkowe przechodzą przez membranę, a inne związki o większej masie cząsteczkowej oraz koloidy i drobne zawiesiny są przez nią zatrzymywane. Wielkość zatrzymywanych cząstek zależy od rodzaju zastosowanego procesu. Procesy te są stosowane do oczyszczania oraz do frakcjonowania danego strumienia zanieczyszczeń lub zatężania niepożądanego składnika.


 

Do ciśnieniowych procesów membranowych należy zaliczyć:
- mikrofiltrację (MF),
- ultrafiltrację (UF),
- nanofiltrację (NF),
- odwróconą osmozę (RO). 

W zależności od wielkości cząstek rozdzielonych składników przyjęto podział ciśnieniowych procesów membranowych, który przedstawiono na poniższym rysunku:

Zakres filtracji ciśnieniowych procesów membranowych 


Mikrofiltracja

Mikrofiltracja jest techniką separacji umożliwiającą separację drobnych zawiesin i koloidów oraz niektórych związków wielkocząsteczkowych i mikroorganizmów. W procesie tym membrana pełni rolę sita. Średnice porów membran do MF mieszczą się w zakresie 0,1 – 10 µm. Stosując ciśnienie transmembranowe < 0,2 MPa można uzyskać duże strumienie permeatu (do kilku m3/m2•h). W procesie MF stosuje się membrany asymetryczne, porowate o grubości ok. 10 – 150 µm formowane z różnych materiałów (od polimerów do materiałów nieorganicznych takich jak ceramika, metale).

Proces mikrofiltracji znajduje zastosowanie w:
- klarowaniu (np. w produkcji soków i napojów),
- sterylizacji (np. w procesie spożywczym, fermentacyjnym),
- separacji emulsji olejowych,
- separacji koloidalnych tlenków i wodorotlenków metali,
- oczyszczaniu wody do picia.

Największym problemem występującym podczas eksploatacji membran mikrofiltracyjnych jest zmniejszenie strumienia permeatu w czasie. Jest to spowodowane polaryzacją stężeniową lub foulingiem membran. Aby temu zapobiegać należy często regenerować membrany poprzez przemywanie ich odpowiednimi reagentami czyszczącymi i wodą, a co za tym idzie konieczny jest wybór odpowiedniego materiału membranowego, który będzie odporny na działanie czynników chemicznych.


 

Ultrafiltracja

Ultrafiltracja jest jednym z najczęściej stosowanych procesów separacji do klarowania lub zatężania roztworów oraz do frakcjonowania związków. Proces UF jest absolutną barierą dla mikroorganizmów. Polega na fizycznym odsiewaniu cząstek substancji rozpuszczonych lub koloidalnych przez membrany o odpowiedniej wielkości porów (1 – 100 nm), a wynik rozdziału zależy przede wszystkim od rozmiarów separowanych cząstek. W procesie tym stosuje się membrany asymetryczne porowate o grubości ok. 150 µm, wykonane z polimerów bądź z ceramiki. Mechanizm separacji jest sitowy, a siłą napędową jest ciśnienie z zakresu 0,1 – 1 MPa.

Proces ultrafiltracji znajduje zastosowanie w:
- przemyśle mleczarskim przy produkcji mleka lub serwatki,
- przemyśle spożywczym (np. przy produkcji skrobi),
- metalurgii (np. przy odzyskiwaniu farb z lakierni elektroforetycznych),
- przemyśle tekstylnym (np. przy odzyskiwaniu barwników ze ścieków z farbiarni),
- przemyśle farmaceutycznym (np. przy oczyszczaniu antybiotyków, separacji bakterii, sterylizacji),
- ochronie środowiska (np. przy oczyszczaniu wody i ścieków, przygotowaniu wody do procesu RO).

Niestety w procesie tym, podobnie jak w mikrofiltracji, występuje problem polaryzacji stężeniowej oraz foulingu.


Nanofiltracja

Nanofiltracja jest najmłodszą ciśnieniową techniką separacji membranowej. Produkcja membran do NF rozpoczęła się dopiero w latach 80. XX w. Siłą napędową w procesie tym jest różnica ciśnień (od 1 do 3 MPa) po obu stronach membrany o właściwościach pośrednich pomiędzy odwróconą osmozą i ultrafiltracją. Z tego względu proces NF nazywany jest niskociśnieniową odwróconą osmozą. Membrany stosowane do NF są asymetryczne porowate, wykonane z polimerów o grubości ok. 150 µm i średnicy porów ok. 1 nm. W procesie NF stosowany jest mechanizm separacji sitowy, rozpuszczania i dyfuzji. Usuwane są związki organiczne o masie cząsteczkowej większej niż 200 – 300 kDa oraz sole dwu- i więcej wartościowe.

Przykłady zastosowania procesu nanofiltracji są następujące:
- sterylizacja i zmiękczanie wód procesowych i pitnych (tj. usuwanie bakterii i soli wapnia, magnezu i siarczanów),
- jako jeden z etapów uzdatniania wód przeznaczonych do pełnego odsolenia w procesach jonowymiennych lub odwróconej osmozie do obniżania stężenia doli w wodach,
- usuwanie zanieczyszczeń ze ścieków z przemysłu tekstylnego i celulozowego,
- odzyskiwanie laktozy i protein z serwatki z jednoczesnym, częściowym odsalaniem,
- odzyskiwanie środków powierzchniowo-czynnych,
- uzdatnianie wód powierzchniowych i podziemnych.

Nanofiltracja pozwala na 100% usunięcie mikroorganizmów, związków koloidalnych i wielkocząsteczkowych oraz mętności. Jest jednak mniej korzystna ekonomicznie w porównaniu z mikrofiltracją i ultrafiltracją aby stosować ją do usuwania tych związków. Stąd też wynika jej główne zastosowanie mające na celu usunięcie twardości. Jest to proces konkurencyjny do zmiękczania metodami chemicznymi, np. wapnem oraz wymiany jonowej.


Odwrócona osmoza

Proces odwróconej osmozy należy do ciśnieniowych procesów membranowych u podstaw którego leży zjawisko osmozy naturalnej. Jeżeli membrana rozdziela roztwór od rozpuszczalnika lub dwa roztwory o różnym stężeniu, następuje samorzutny przepływ rozpuszczalnika w kierunku roztworu o większym stężeniu. Ciśnienie, które równoważy przepływ osmotyczny nazywane jest ciśnieniem osmotycznym. W przypadku, gdy po stronie roztworu silniej stężonego wytworzy się ciśnienie hydrostatyczne przewyższające ciśnienie osmotyczne, rozpuszczalnik będzie przenikał z roztworu bardziej stężonego do roztworu rozcieńczonego, a więc w kierunku odwrotnym niż w procesie osmozy naturalnej. Proces ten nazywany jest odwróconą osmozą.

Odwrócona osmoza różni się od mikro- i ultrafiltracji mechanizmem separacji (rozpuszczanie i dyfuzja). Ponieważ przez pory membran RO mogą przechodzić zarówno cząsteczki rozpuszczalnika jak i substancji rozpuszczonej, separacja związana jest z różnicą w szybkości transportu obu składników. Podstawowe znaczenie dla separacji mają właściwości materiału (polimeru) membrany oraz jego oddziaływania z separowanymi składnikami. Omawiany proces umożliwia zatrzymywanie soli nieorganicznych oraz organicznych małocząsteczkowych. W procesie RO stosuje się membrany asymetryczne lub kompozytowe, nieporowate z bardzo cienką warstwą naskórkową (≤ 0,1 µm). Proces odwróconej osmozy można podzielić na osmozę wysokośnieniową (6 – 11 MPa) oraz osmozę niskociśnieniową (1,5 – 4,5 MPa).

Do najważniejszych zastosowań procesu odwróconej osmozy należą:
- odsalanie wody morskiej i wód słonawych,
- zatężanie zawierających CaSO4 wód kopalnianych,
- zatężanie popłuczyn masy celulozowej,
- zatężanie wód ze składowisk odpadów stałych,
- zmiękczanie wody kotłowej,
- odzyskiwanie kwasu fosforowego,
- zatężanie ścieków zawierających rozpuszczalniki,
- zatężanie ługu posiarczynowego,
- przygotowanie wody ultraczystej.

Zjawiskiem ograniczającym wydajność procesu odwróconej osmozy jest tworzenie warstwy pokrywającej powierzchnię membrany na skutek wytrącania się składników roztworu po przekroczeniu granicy rozpuszczalności określonych soli (tzw. scaling). Jest to szczególnie uciążliwe dla procesów, w których osiąga się duże strumienie permeatu, co sprzyja nadmiernemu wzrostowi stężenia w koncentracie. Do wad procesu RO należy zaliczyć wyższe koszty modułów membranowych w porównaniu do UF i MF, konieczność intensywnego wstępnego przygotowania nadawy, a także koszty energii zużywanej w większej ilości ze względu na stosowanie wysokiego ciśnienia transmembranowego.

Zalety stosowania ciśnieniowych procesów membranowych:
- możliwość rozdzielania oraz zatężania składników na poziomie molekularnym lub jonowym, bez konieczności przemian fazowych,
- mniejsze zużycie energii,
- prostota konstrukcji, pełna automatyzacja i łatwość obsługi instalacji membranowych,
- brak konieczności dawkowania chemikaliów do strumienia nadawy,
- możliwość pracy membran zarówno w temperaturze otoczenia jak i w temperaturze podwyższonej (dla niektórych rodzajów membran dochodzącej do 373 K),
- możliwość pracy membran w szerokim zakresie pH,
- możliwość wykorzystania permeatu i koncentratu jako surowca,
- oszczędność energii, surowców i siły roboczej,
- zmniejszenie ilości usuwanych odpadów,
- łatwość włączania procesów membranowych w ciąg technologiczny oczyszczania wody i ścieków.

Wady stosowania ciśnieniowych procesów membranowych:
- fouling, czyli gromadzenie osadów na powierzchni membran lub w jej porach,
- polaryzacja stężeniowa.



Tagi

Masz pytanie?
Szukasz porady,
lub konsultacji?

Szybki kontakt

Zapraszamy do
naszego salonu
wystawienniczego:

Wrocław

ul. Nowowiejska 71

Słownik pojęć
o tematyce
technologii wodnej