Filtracja Membranowa: Rodzaje i Zastosowania
- Szczegóły
Współczesny rynek technologii uzdatniania wody oferuje szerokie spektrum rozwiązań inżynieryjnych, które dobiera się w zależności od skali problemu oraz przeznaczenia instalacji. Podstawowy podział obejmuje urządzenia działające na zasadzie bariery fizycznej, reakcji chemicznych oraz procesów membranowych. W domach jednorodzinnych i przemyśle najczęściej spotyka się układy kaskadowe, w których poszczególne etapy uzupełniają się wzajemnie.
Decyzja o montażu systemu filtracji wynika najczęściej z namacalnych problemów eksploatacyjnych lub zdrowotnych, z jakimi borykają się użytkownicy sieci wodociągowych i własnych ujęć. Woda surowa często charakteryzuje się wysoką twardością węglanową, co prowadzi do szybkiego zarastania kamieniem wymienników ciepła, kotłów oraz armatury sanitarnej, generując straty energii. Innym powszechnym problemem jest obecność związków żelaza i manganu, które mimo klarowności wody przy poborze, utleniają się w kontakcie z powietrzem, tworząc trudne do usunięcia, rdzawe osady. W przypadku wody miejskiej konsumenci często skarżą się na wyczuwalny zapach chloru i jego pochodnych, które są niezbędne do dezynfekcji sieci, ale obniżają walory smakowe napojów. Dodatkowym zagrożeniem, szczególnie w starych instalacjach, jest wtórne zanieczyszczenie wody metalami ciężkimi lub cząstkami stałymi odrywającymi się od skorodowanych rur.
Klasyfikacja Filtrów do Wody
Klasyfikacja filtrów do wody ze względu na mechanizm działania pozwala zrozumieć, w jaki sposób usuwane są poszczególne zanieczyszczenia. Filtry mechaniczne działają na zasadzie sita, wykorzystując różnicę między wielkością cząstki zanieczyszczenia a średnicą porów materiału filtracyjnego. Metody adsorpcyjne, stosowane w filtrach węglowych, opierają się na wiązaniu cząsteczek chemicznych na silnie rozwiniętej powierzchni wewnętrznej złoża. Z kolei procesy jonowymienne to reakcje odwracalne, w których jony niepożądane zawarte w wodzie są wymieniane na jony neutralne, co jest podstawą działania zmiękczaczy. Filtracja membranowa, taka jak odwrócona osmoza czy ultrafiltracja, wykorzystuje ciśnienie hydrauliczne do przetłoczenia rozpuszczalnika przez półprzepuszczalną barierę, która odrzuca zanieczyszczenia na poziomie molekularnym. Odrębną kategorię stanowią metody fizyczne, takie jak promieniowanie UV, które nie usuwają zanieczyszczeń z wody, lecz niszczą strukturę DNA organizmów żywych, unieszkodliwiając je.
Destylacja natomiast naśladuje naturalny obieg wody w przyrodzie poprzez jej odparowanie i ponowne skroplenie, co pozwala oddzielić czystą wodę od nielotnych substancji rozpuszczonych.
Rodzaje Filtracji Membranowej
Filtracja membranowa to technika separacji, która wykorzystuje półprzepuszczalne membrany do separacji substancji na podstawie wielkości cząsteczek i różnicy ciśnień.
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
- Mikrofiltracja (MF): Niskociśnieniowa filtracja mająca na celu oddzielenie cząsteczek o wielkości 0,05-10 mikr. Przez pory membrany przechodzą sole, cukry i białka, a zostają zatrzymane bakterie i tłuszcze. Mikrofiltracja jest stosowana do separacji cząstek o wielkości od 0,1 do 10 mikronów. Mechanizm separacji opiera się na działaniu sitowym, a siłą napędową jest różnica ciśnień od 0,05 do 0,3 MPa.
- Ultrafiltracja (UF): Pozwala oddzielić przechodzące przez membranę cukry, sole od białek i tłuszczy. Pory membran ultrafiltracji zatrzymują cząsteczki o wielkości 0.001 - 0.1 mikr. Ultrafiltracja wykorzystuje membranę o wielkości porów 0,01 μm i jest przeznaczona do skutecznego usuwania wirusów i mikroorganizmów.
- Nanofiltracja (NF): Pozwala na separację głównie jednowartościowych jonów, wody i substancji o małej masie cząsteczkowej. Nanofiltracja idzie o krok dalej: oprócz wirusów usuwane są również jony dwuwartościowe za pomocą drobniejszej wielkości porów 0,001 μm.
- Odwrócona osmoza (RO): Przez pory membran przechodzi tylko woda i niektóre substancje organiczne. Technologia odwróconej osmozy w systemach domowych to zminiaturyzowana wersja rozwiązań przemysłowych, zapewniająca najwyższy dostępny stopień oczyszczenia wody w punkcie poboru. Skuteczność membrany jest tak wysoka, że usuwa ona nie tylko bakterie i wirusy, ale także jony metali ciężkich, pestycydy i pierwiastki promieniotwórcze.
Membrany stosowane w filtracji różnią się pod względem wielkości porów, co wpływa na zdolność separacyjną.
Zastosowanie Filtracji Membranowej
Technologie membranowe mają szczególne zastosowanie w przemyśle mleczarskim, który charakteryzuje się dużym zużyciem wody (średnio 2-8 litrów wody na litr przetworzonego mleka).
Membrany są coraz częściej używane do przekształcania wody ściekowej, wody ze zbiorników powierzchniowych i wody gruntowej w wodę używaną do rożnych procesów produkcyjnych. Membrany są teraz konkurencyjne dla innych konwencjonalnych technik.
Technologie membranowe wywarły w ostatnich trzech dekadach ogromny wpływ na polski przemysł mleczarski. Rosnące zapotrzebowanie tej branży na skuteczne metody rozdziału składników mleka i jego pochodnych oraz coraz surowsze wymagania co do czystości produktu finalnego są siłą napędową dla rozwoju technik filtracji i separacji cieczy, w tym technik membranowych.
Filtracja membranowa znajduje szerokie zastosowanie w różnych branżach, w tym:
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
- Żywność i napoje: w procesach filtracji podczas produkcji m.in.
- Mikrobiologia: kontrola jakości wody pitnej, powierzchniowej oraz ścieków.
- Przemysł farmaceutyczny, spożywczy, chemiczny oraz biotechnologiczny.
- Demineralizacja wody i oczyszczanie ścieków.
Zalety Filtracji Membranowej
Główną zaletą w technologii membran jest fakt, że działa ona bez dodatków związków chemicznych, z relatywnie niskim zużyciem energii oraz łatwym i dobrze zorganizowanym procesem przewodzenia.
Filtracja przez membrany ma szereg zalet w porównaniu z istniejącymi technikami oczyszczania wody:
- Jest to proces zachodzący podczas gdy temperatury są niskie. Jest to ważne, ponieważ umożliwia ona oczyszczanie materii wrażliwej na ciepło. Dlatego też jest szeroko stosowana w produkcji żywności.
- Jest to proces o niskich kosztach energii. Większość energii wymaganej jest używana do przepompowywania cieczy przez membranę. Całkowita ilość energii używanej jest niewielka w porównaniu do metod alternatywnych, takich jak parowanie.
- Proces może być łatwo rozszerzany.
- Przyjazne dla środowiska: Filtr membranowy pomaga w redukcji emisji CO2 i innych obciążeń środowiskowych. Zastosowanie w zrównoważonym uzdatnianiu wody i zmniejszenie np. zanieczyszczenia popiołowego, ponieważ filtr membranowy nie pozostawia żadnych resztek.
Systemy Membranowe
Wybór danego systemu membran jest określony przez szerokie spektrum aspektów, takich jak koszty, ryzyko zatkania membrany, gęstość upakowania i możliwość oczyszczenia. Dlatego też systemy te są budowane gęsto, aby umożliwić usytuowanie dużej powierzchni membran w możliwie jak najmniejszej objętości.
Membrany są wprowadzane w kilku typach modułów. Istnieją dwa główne typy; są to membrany cylindryczne (tubular-shaped membranes) oraz systemy membran typu "plate & frame" (systemy membran typu "płyta i rama"). Systemy membran cylindryczne są podzielone na systemy o włóknach cylindrycznych, kapilarnych i "wydrążonych". Systemy typu "płyta i rama" są podzielone na systemy spiralne oraz membrany w kształcie poduszek.
Zagniwanie (blokowanie) na membranie
Podczas procesu filtracji zatykanie się membran jest nieuniknione, nawet z odpowiednim oczyszczaniem wstępnym. Rodzaje i wielkość zablokowania zależą od wielu rożnych czynników, takich jak jakość wody doprowadzanej do filtracji, rodzaj membrany, materiał membrany oraz zaprojektowanie procesu oraz jego kontrola.
Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru
Nagromadzenie się cząsteczek, rozwój biologiczny oraz tworzenie się kamienia to trzy rożne typu blokowania się membran. Zanieczyszczenia te powodują, że wymagany jest większy nakład pracy aby zapewnić ciągłość działania (pojemność) membran. W pewnym momencie ciśnienie wzrośnie do tego stopnia, że proces nie będzie już ekonomicznie oraz technicznie wydajny.
Czyszczenie Membran
Istnieje wiele technik czyszczenia membran w celu usunięcia wyżej wymienionych czynników powodujących zapychanie membran. Techniki te to "forward flushing" (spłukiwanie w przód), backward flushing (płukanie zwrotne), "spłukiwanie" powietrzem i czyszczenie chemiczne, oraz każda kombinacja tych metod.
Filtracja Membranowa Przepływu Krzyżowego (CMF)
W przeciwieństwie do konwencjonalnej filtracji, w której przepływ odbywa się prostopadle do powierzchni filtracyjnej, w filtracji przepływu krzyżowego strumień surowca porusza się równolegle do membrany.
Filtracja membranowa przepływu krzyżowego może być realizowana w procesach wsadowych (batch) lub półciągłych. W procesie wsadowym retentat jest recyrkulowany przez moduł membranowy, a jego objętość stopniowo maleje w miarę usuwania permeatu.
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 |
tags: #filtracja #membranowa #rodzaje #zastosowanie
