Filtracja cząsteczek: wielkość i zakres zastosowań
- Szczegóły
Oczyszczanie wody z mechanicznych zanieczyszczeń polega na usuwaniu cząstek i zanieczyszczeń różnej wielkości, które mogą znajdować się w wodzie. Mechaniczne filtrowanie - nieodłączna część każdego systemu uzdatniania wody, czy to w prywatnym domu, czy w dużym zakładzie produkcyjnym. Oczyszczanie wody z mechanicznych zanieczyszczeń jest istotne, ponieważ te cząstki mogą być szkodliwe dla zdrowia ludzkiego lub urządzeń używanych do przetwarzania wody.
Mikroplastik, czyli wszechobecne drobne cząsteczki plastiku, staje się obecnie jednym z największych zanieczyszczeń naszej planety i - co za tym idzie - wyzwań ekologicznych naszych czasów. Źródła podają różną wielkość tych drobin - według jednych mikroplastik to cząstki o średnicy mniejszej niż 1, a według innych mniejszej niż 5 milimetrów. Najmniejsze cząstki plastiku noszą nazwę nanoplastiku i mają rozmiar od 1 do 1000 nanometrów (nm).
Metody filtracji mechanicznej
Mechaniczne filtry różnią się wydajnością, stopniem filtracji od 1 milimetra do 1 mikrona. Filtr przeznaczony do filtracji wody od nierozpuszczonych zanieczyszczeń mechanicznych. Filtr skutecznie chroni system zaopatrzenia w wodę, armaturę sanitarną i urządzenia gospodarstwa domowego, spowodowanymi oddziaływaniem mechanicznych cząstek (piasek, rdza itp.).
Do typowych filtrów mechanicznych zaliczamy:
- Filtry sitowe: ten typ filtrów przepuszcza wodę przez sita z małymi otworami, zatrzymując mechaniczne cząstki.
- Filtry kasetowe: te filtry używają wkładów zawierających materiały zatrzymujące cząstki wody o określonym rozmiarze.
- Filtry typu workowego: podstawową zasadą działania filtrów workowych jest przepuszczanie wody przez worek o drobnej strukturze porowatej, co pozwala zatrzymać mechaniczne cząstki i zanieczyszczenia.
Filtracja membranowa
Filtracja membranowa to nowoczesna i powszechnie stosowana metoda separacji na całym świecie. Jest szeroko stosowana w procesach produkcji przemysłowych w różnych branżach - w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym, chemicznym oraz biotechnologicznym. Filtracja membranowa (separacja membranowa) opiera się na wykorzystaniu membrany półprzepuszczalnej o porowatej strukturze, na której zachodzi separacja (oddzielenie) medium filtracyjnego (nadawy) na dwa strumienie - permeat oraz retentat. Kluczowym czynnikiem napędzającym proces filtracji membranowej jest różnica ciśnień po obu stronach przegrody (membrany filtracyjnej), co umożliwia selektywny transport substancji przez membranę.
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
Jak działają filtry membranowe?
Przepływ medium przez membranę może odbywać się jednokierunkowo (tzw. dead end) lub krzyżowo (tzw. cross flow). Metoda membranowa skutecznie usuwa cząsteczki większe niż zastosowany typ membrany, np. mikroorganizmy, bakterie, jony dwuwartościowe, itp. W zależności od konkretnych wymagań procesu produkcyjnego, wykorzystuje się różne procesy filtracji membranowej takie, jak np. mikro-filtracja przemysłowa, ultra-filtracja przemysłowa, nano-filtracja przemysłowa czy odwrócona osmoza, a także różne typy membran, np. membrany ceramiczne czy hollow fibre.
Strumienie mediów w procesie filtracji membranowej
- Nadawa: to główny strumień medium filtracyjnego, który zostaje poddany filtracji na membranach.
- Permeat: to ciecz, która przeszła przez filtry membranowe. Z tej cieczy zostały odseparowane niepożądane cząstki, większe niż dokładność filtracji membrany. Zazwyczaj permeat gromadzony jest w zbiornikach buforowych lub doprowadzany do dalszych etapów instalacji procesowej celem przeprowadzenia kolejnych procesów jednostkowych. Najczęściej ten strumień jest produktem końcowym procesu technologicznego.
- Retentat: to część nadawy, który stanowi zagęszczoną frakcję odfiltrowanych cząstek, które są większe niż dokładność filtracji membrany. Ten strumień jest recyrkulowany w instalacji i regularnie zasilany świeżym strumieniem nadawy. Dzięki temu ograniczana jest ilość zanieczyszczeń zbierających się na powierzchni membrany filtracyjnej, a tym samym wydłuża się jej czas pracy. Retentat to zazwyczaj strumień odpadowy procesu filtracji przemysłowej.
Rodzaje filtracji membranowej
Ze względu na zakres wielkości separowanych cząstek, klasyczną filtrację membranową można podzielić na 3 rodzaje:
Mikrofiltracja przemysłowa
Mikrofiltracja przemysłowa stosowana jest w zakresie dokładności filtracji 0,1 - 10 um. Membrany mikrofiltracyjne przepuszczają jony oraz niejonowe związki chemiczne (niektóre witaminy i rozpuszczone białka), pozwalają zaś na oddzielenie koloidów, zawiesin i bakterii. Proces mikrofiltracji przemysłowej znajduje zastosowanie przede wszystkim w klarowaniu napojów i piwa, w biotechnologii przy sterylizacji pożywek oraz wydzielaniu biomasy. Stosowana jest również jako filtracja sterylna mleka lub solanki.
Ultrafiltracja przemysłowa
Ultrafiltracja przemysłowa stosowana jest w zakresie dokładności filtracji 0,01 - 0,1 um (10 - 100 nm). Membrany ultrafiltracyjne przepuszczają cząsteczki cukrów, soli, wody, a zatrzymują białka, niektóre wirusy i większe cząstki. Proces ultrafiltracji przemysłowej znajduje zastosowanie w mleczarstwie (np. przy wydzielaniu białek z mleka i serwatki), przemyśle spożywczym (np. oczyszczanie soków owocowych, piwa, produkcja skrobi), jak również przy oczyszczaniu antybiotyków lub odzyskiwaniu barwników.
Nanofiltracja przemysłowa
Nanofiltracja przemysłowa stosowana jest w zakresie dokładności filtracji 0,001 - 0,01 um (1 - 10 nm). Membrany nanofiltracyjne pozwalają na praktycznie całkowite usunięcie zanieczyszczeń mikrobiologicznych (mikroorganizmów). Nanofiltracja przemysłowa jest stosowana głównie do zagęszczania półproduktów biotechnologicznych, usuwania białek z serwatki, odsalania wody morskiej.
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
Każda z powyższych metod jest powszechnie stosowana w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym, biotechnologicznym czy chemicznym. Zaletą filtracji membranowej jest przede wszystkim szeroki zakres dostępnych skuteczności filtracji oraz możliwość skalowania procesu, a więc dostosowania rozmiaru poszczególnych modułów do skali produkcji.
Tabela: Rodzaje filtracji membranowej, zakres wielkości porów, typowe zastosowania i ciśnienie robocze
| Rodzaj filtracji membranowej | Zakres wielkości porów | Typowe zastosowania | Ciśnienie robocze |
|---|---|---|---|
| Mikrofiltracja | 0,1 - 10 µm | Klarowanie napojów, piwa, sterylizacja mleka, usuwanie bakterii i zawiesin w przemyśle spożywczym i biotechnologicznym | 0,05 - 0,3 MPa |
| Ultrafiltracja | 0,01 - 0,1 µm | Oczyszczanie soków, piwa, produkcja skrobi, wydzielanie białek z mleka i serwatki, oczyszczanie antybiotyków | do 0,5 MPa |
| Nanofiltracja | 0,001 - 0,01 µm | Zagęszczanie półproduktów biotechnologicznych, usuwanie białek z serwatki, odsalania wody | wyższe ciśnienia |
Zastosowanie filtracji membranowej
Zastosowanie procesów membranowych w oczyszczaniu wody jest zagadnieniem stosunkowo nowym, które zdobywa coraz większą popularność. Zasada działania polega na separacji cząstek w trakcie przepływu wody przez membranę, stanowiącą selektywną barierę w transporcie substancji, w wyniku której następuje wydzielanie lub zatężanie danego zanieczyszczenia, nie eliminując go jednocześnie z systemu.
Dzięki tej właściwości istnieje możliwość separacji nawet najmniejszych zanieczyszczeń z żądanego środowiska.
W przypadku filtracji membranowej niezwykle ważne jest właściwe przygotowanie wody zasilającej system. Wydajność i żywotność membran uzależniona jest od wstępnej filtracji wody. Dobrze dobrany system filtracji membranowej pozwala na efektywne usunięcie niepożądanych zanieczyszczeń z wody, zapewnia ciągłą dostawę ultraczystej wody bez przestojów np.: na regenerację.
Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru
tags: #filtracja #lasyczna #wielkość #cząsteczek #zakres
