Wspólną cechą wszystkich procesów membranowych jest to, że rozdzielanie przebiega tu w sposób czysto fizyczny, co oznacza, że rozdzielane składniki nie ulegają zmianom chemicznym, czy też biologicznym.

Procesy membranowe znajdują coraz powszechniejsze zastosowanie w uzdatnianiu wody przeznaczonej do wielorakich zastosowań, a nawet niekiedy w oczyszczaniu ścieków. Urządzenia, w których zastosowano tę technikę, działają jako samodzielne jednostki lub wchodzą w skład układów technologicznych, np. uzdatniania wody, stanowiąc jeden z ich kluczowych elementów, decydujących o efektywności procesu oczyszczania, a także o jego walorach ekonomicznych. Znajdują one zastosowanie przede wszystkim w odsalaniu wody, w celu otrzymania wody zdatnej do picia, ale także w wielu gałęziach przemysłu (chemiczny, petrochemiczny, energetyczny, maszynowy, elektroniczny, spożywczy, farmaceutyczny, kosmetyczny, biotechnologiczny i in.). Z tego względu celowe wydaje się zapoznanie czytelników „Magazynu Instalatora” zainteresowanych procesami membranowymi z pryncypiami tej techniki.

Wspólną cechą wszystkich procesów membranowych jest to, że rozdzielanie przebiega tu w sposób czysto fizyczny, co oznacza, że rozdzielane składniki nie ulegają zmianom chemicznym czy też biologicznym. Same membrany można zdefiniować jako cienkowarstwowe przegrody zdolne do selektywnego lub preferencyjnego transportu mieszanin [1, 2]. W procesie membranowym strumień cieczy doprowadzanej do powierzchni membrany określany jest mianem nadawcy. Ta jego część, która przeszła przez membranę, nazywana jest permeatem, a zatrzymana na membranie pozostałość to retentat. W przypadku uzdatniania wody permeat (filtrat) jest produktem procesu, a retentat odpadem. Z kolei w innych procesach, w których techniki membranowe stosowane są np. do odzyskiwania metali z kąpieli galwanicznych, czy zatężania soków owocowych, produktem procesu jest retentat, a filtrat jest odpadem.

Techniki separacji

Spośród wielu technik separacji membranowej o różnorodnym przeznaczeniu, w technologii uzdatniania wody znalazły zastosowanie przede wszystkim techniki ciśnieniowe oraz – w mniejszym zakresie – techniki prądowe.

W przypadku uzdatniania wody w ciśnieniowych procesach membranowych, gdzie siłą napędową jest różnica ciśnień (ΔP) po obu stronach membrany, można wyróżnić cztery typy rozwiązań, różniących się mechanizmami separacji oraz rodzajem zatrzymywanych substancji, [1,2]:

* mikrofiltracja (MF): mechanizm separacji – sitowy, (ΔP) < 0,3 MPa, średnica porów membrany 0,1-10 µm, zatrzymuje cząstki zawiesiny i niektóre bakterie o rozmiarach > 0,1 µm;

* ultrafiltracja (UF): mechanizm separacji – sitowy, (ΔP) 0,1-1,0 MPa, średnica porów 1-100 nm, zatrzymuje cząstki zawiesiny, makrocząsteczki rozpuszczone, cząstki koloidalne, bakterie i wirusy o rozmiarach od 2 nm do 0,1 µm;

* nanofiltracja (NF): mechanizm separacji oparty na rozpuszczaniu i dyfuzji, (ΔP) 0,5-3,0 MPa, średnica porów < 2 nm, zatrzymuje jony wielowartościowe oraz związki organiczne o rozmiarach < 2 nm;

* odwrócona osmoza (RO): mechanizm separacji oparty na rozpuszczaniu i dyfuzji, (ΔP) 1-8 MPa, zatrzymuje sole jednowartościowe, kwasy niezdysocjowane, związki organiczne, bakterie i wirusy.

Mechanizmy separacji

Uzupełniając powyższe, należy poświęcić jeszcze kilka zdań mechanizmom separacji. W przypadku mikrofiltracji sitowy mechanizm separacji wykorzystany jest do zatrzymywania cząstek z układów dwufazowych, co oznacza, że membrana oddziela cząstki zdyspergowane (zawieszone) od ośrodka dyspersyjnego, jakim jest woda. Stąd stosunkowo niskie ciśnienia transmembranowe wystarczają do zapewnienia przebiegu procesu separacji z wystarczająco wysokimi wydajnościami.

Rozmiary porów w przypadku ultrafiltracji są mniejsze, co pozwala na zatrzymywanie nie tylko cząstek zawiesiny o niewielkich rozmiarach, ale również rozpuszczonych związków wielkocząsteczkowych, a nawet mikroorganizmów chorobotwórczych, natomiast rozpuszczalnik (woda) i związki rozpuszczone o małych rozmiarach cząstek przechodzą do permeatu.

Z kolei mechanizm separacji w procesie nanofiltracji określa się jako pośredni pomiędzy ultrafiltracją a odwróconą osmozą, ponieważ pozwala na zatrzymywanie jonów wielowartościowych (np. SO42-) oraz niektórych związków organicznych, bakterii i wirusów.

Mechanizm procesu odwróconej osmozy jest zasadniczo różny od dotychczas omawianych.

Jest to mechanizm odwrotny do osmozy naturalnej, która jest zjawiskiem polegającym na dyfuzji cząstek rozpuszczalnika (w naszym przypadku wody) przez membranę półprzepuszczalną – rozdzielającą dwa roztwory o różnym stężeniu – od roztworu o niższym stężeniu do roztworu o stężeniu wyższym, dążąc do wyrównania stężeń substancji rozpuszczonej po obu stronach membrany. Zjawisko to można zatrzymać, przykładając po stronie roztworu o wyższym stężeniu zewnętrznego ciśnienia równego tzw. ciśnieniu osmotycznemu. Dalsze podwyższanie przyłożonego ciśnienia powoduje przepływ rozpuszczalnika (wody) z roztworu o wyższym stężeniu do roztworu o niższym stężeniu, a zjawisko to określane jest mianem odwróconej osmozy. Proces odwróconej osmozy polega więc na zatężaniu roztworu o wyższym stężeniu i rozcieńczaniu roztworu po przeciwnej stronie membrany.

Elektrodializa

Na koniec trzeba wspomnieć o prądowym procesie membranowym znajdującym zastosowanie w technologii uzdatniania wody, jakim jest elektrodializa [1, 2]. Jej mechanizm oparty jest na zjawisku transportu jonów przez membranę jonoselektywną i polega na przemieszczaniu się anionów i kationów z roztworu soli w kierunku odpowiednich elektrod: katody i anody. Jeżeli przestrzeń naczynia elektrodializera zostanie podzielona na komory z naprzemiennie usytuowanych membran jonowymiennych, to aniony przemieszczać się będą tylko przez membrany anionowymienne, a kationy – kationowymienne, co w efekcie będzie prowadzić do naprzemiennego zatężania i rozcieńczania jonowych składników rozpuszczalnika (wody). Technika ta znajduje zastosowanie przede wszystkim w uzdatnianiu wód słonawych o niewielkim zasoleniu.

Zalety

Reasumując zalety przedstawionych technik membranowych, należy przede wszystkim zwrócić uwagę na niskie zużycie energii i chemikaliów (ich stosowanie konieczne jest tylko w niektórych przypadkach, by wstępnie oczyścić wodę), stałą jakość produkowanej wody, a także łatwość powiększania skali oraz automatyzacji. Wśród wad wymienić należy łatwe osadzenie się zanieczyszczeń na powierzchni membran i związany z tym spadek wydajności oraz niedoskonałość membran wyrażająca się ograniczoną odpornością na wysokie temperatury lub zmiany pH uzdatnianej wody. W przypadku odsalania wody metodą odwróconej osmozy istotną wadą jest wysoki stopień odsolenia i związana z tym konieczność remineralizacji uzdatnionej wody (jeśli ma być przeznaczona do picia). Z kolei wadą metody elektrodializy jest jej niska efektywność w usuwaniu cząstek obojętnych (pozbawionych ładunku) oraz ograniczenie zastosowania do wód o niskim zasoleniu.

Techniki membranowe znajdują wszechstronne zastosowanie w technologii uzdatniania wody przeznaczonej do różnorodnych zastosowań. Podstawowe przeznaczenie technik opartych na odwróconej osmozie to powszechnie stosowana w instalacjach różnych wielkości produkcja wody do picia z wody morskiej lub wód zasolonych [1, 2, 3]. W innym przypadku odwrócona osmoza stanowić może końcowy etap procesu przygotowania wody dla celów medycznych – dla stacji dializ [4]. Instalacje tego typu są szeroko rozpowszechnione i to na bardzo zróżnicowaną skalę. Mikrofiltracja lub ultrafiltracja stosowane są w złożonych procesach uzdatniania wody do picia, bedąc skuteczną i atrakcyjną ekonomicznie alternatywą usuwania niektórych specyficznych zanieczyszczeń wody. Przykładem może tu być wykorzystanie techniki UF do jednoczesnego usuwania zanieczyszczeń organicznych i mikrobiologicznych (bakterie typu coli) na jednym z wodociągów francuskich lub do usuwania odpornych na konwencjonalne zabiegi dezynfekcyjne oocyst chorobotwórczych pierwotniaków Cryptosporidium na wodociągu w Milwaukee (USA) [1, 2, 3].

dr Sławomir Biłozor

Literatura

[1] J. Nawrocki, S. Biłozor (red.), „Uzdatnianie wody. Procesy chemiczne i biologiczne”, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa-Poznań 2000.

[2] J. Nawrocki (red.), „Uzdatnianie wody”, Wyd. Naukowe UAM – Wyd. Naukowe PWN, Warszawa 2010.

[3] M. Bodzek, K. Konieczny, „Zastosowanie technik membranowych do usuwania zanieczyszczeń organicznych ze środowiska wodnego”, mat. konferencji „Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód” Poznań 2012.

[4] A. Pruss, J. Wojciechowski, M. Marciniak, R. Kaczmarek, „Uzdatnianie wody wodociągowej dla potrzeb dializoterapii”, mat. konferencji „Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód”, Poznań 2012.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij