Osmoza Odwrócona: Prosty Proces Zagęszczania Soków
- Szczegóły
Zanieczyszczenie środowiska osiągnęło poziom, który wymaga podjęcia odpowiednich działań dotyczących zarówno regulacji prawnych, jak i kształtowania świadomości społecznej. W celu usunięcia szerokiego spektrum zanieczyszczeń z wód i ścieków stosuje się różne procesy technologiczne, przede wszystkim techniki separacji. Ich zastosowanie pozwala na wydzielanie lub zatężanie danego zanieczyszczenia, bez eliminacji go z systemu.
W związku z tym, że procesy membranowe nie wymagają dawkowania chemikaliów oraz nie powodują transformacji zanieczyszczeń, rośnie nimi zainteresowanie w procesach oczyszczania wód i ścieków.
Technologia Membranowa w Uzdatnianiu Wody
Technologia membranowa stała się docenianą technologią separacji w ostatniej dekadzie. 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. Technologia membran to termin ogólny dla wielu różnych, bardzo charakterystycznych procesów separacji. Procesy te są tego samego rodzaju, ponieważ w każdym z nich używane są membrany.
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.
Proces separacji jest oparty na obecności membran półprzepuszczalnych. Zasada działania jest całkiem prosta: membrana odgrywa rolę bardzo specyficznego filtra, który pozwala na przepływanie przez niego wody, podczas gdy substancja zawieszona i inne substancje zostają zatrzymana na membranie.
Przeczytaj także: Zastosowanie wężyków do filtra osmozy
Istnieją rożne metody aby umożliwić substancji penetrację membrany. Są to, np. zastosowanie wysokiego ciśnienia, utrzymywanie różnicy stężeń po obu stronach membrany oraz aplikowanie potencjału elektrycznego. Membrany tworzą selektywną ścianę separacji. Określone substancje mogą przechodzić przez membranę, podczas gdy inne są zatrzymywane.
Filtracja przez membrany może być użyta jako alternatywa dla flokulacji, technik oczyszczania osadu, adsorpcji (filtry piaskowe i na węglu aktywowanym, wymienniki jonowe), ekstrakcji i destylacji.
Istnieją dwa czynniki określające efektywność procesu filtracji przez membrany; selektywność i produktywność. Selektywność jest wyrażona przez parametr zwany współczynnikiem retencji lub separacji (wyrażonym w jednostkach l/m2·h). Produktywność jest wyrażona jako parametr nazywany strumieniem ("flux") (wyrażonym w jednostkach l/m2·h). Selektywność i produktywność są zależne od membrany.
Rodzaje Filtracji Membranowej
Filtracja przez membrany z jednej strony może być podzielona na mikro- i ultrafiltracje, z drugiej zaś na nanofiltrację i osmozę odwróconą (RO lub hyper-filtracja). Kiedy filtracja przez membranę używana jest do usuwania większych cząsteczek, mikrofiltracja i ultrafiltracja są stosowane. Ze względu na otwarty charakter membran produktywność jest wysoka gdy różnice ciśnienia są niskie. Kiedy sole muszą być usunięte z wody, nanofiltracja i Osmoza Odwrócona są stosowane.
Mikrofiltracja (MF)
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.
Przeczytaj także: Analiza dzbanków filtrujących wodę z RO
Ultrafiltracja (UF)
Ultrafiltracja to technologia, która w procesie oczyszczania wody używa membran, sit molekularnych oraz innych materiałów porowatych. Metoda ta ma szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach gospodarki, ponieważ obok usuwania wirusów i bakterii, specjalizuje się także w separacji koloidów oraz cząsteczek unoszących się na powierzchni cieczy. 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.
Ultrafiltracja jest także wyspecjalizowaną metodą do usuwania substancji humusowych, które nadają wodzie żółtawe zabarwienie i tym samym pogarszają jakość wody jako surowca przemysłowego. Systemy ultrafiltracyjne są najczęściej montowane w zakładach przemysłu włókienniczego oraz papierniczego.
Specyfika systemu ultrafiltracji: wykorzystania różnego rodzaju membran. Ultrafiltracja działa na zasadzie fizycznego odsiewu cząsteczek substancji rozpuszczonych, koloidalnych oraz nierozpuszczonych przy wykorzystaniu odpowiedniego rodzaju membrany (brana jest tutaj pod uwagę gęstość oraz wielkość porów). Różnica ciśnień po obu stronach membrany stanowi siłę napędową procesu. Utrzymuje się ona na poziomie 1 MPa (10 atm).
Na pierwszy z nich składa się obudowa ciśnieniowa wraz z jednostkami filtracyjnymi. Kanały wejścia i wyjścia usytuowane są oddzielnie na jednostkach membran. Drugi system tworzą osobne jednostki w połączeniu z obudową ciśnieniową (z zamontowanymi wlotami i wylotami). Wykorzystując którykolwiek z tych układów mamy pewność, że uzyskana woda jest praktycznie w 100% zdezynfekowana.
Przeczytaj także: Vontron w Akwarystyce: Opinie Użytkowników
Badacze uważają, że stosując ultrafiltrację można produkować wodę pitną z mocno zanieczyszczonych wód powierzchniowych, a nawet ze ścieków, czyniąc z tej metody dużą konkurencję dla bardziej tradycyjnych technologii oczyszczania wody. Ultrafiltracja obok usuwania wielorodzajowych zanieczyszczeń pozwala także na rezygnacje z wrogich środowisku reagentów. Pozbycie się poprocesowych problemów z osadami oraz niekłopotliwa automatyzacja systemu pozwala na stałe otrzymywanie gotowego produktu, o niezmienionym składzie i temperaturze.
Nanofiltracja (NF)
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. Ma zastosowanie przy zmiękczaniu wody, odzysku metali ze ścieków, usuwaniu z wody pestycydów czy oczyszczaniu ścieków przemysłowych.
Odwrócona Osmoza (RO)
Odwrócona osmoza zachodzi przy ciśnieniu rzędu 6 do 100 bar i zatrzymuje związki małocząsteczkowe, jony. Ma zastosowanie przy produkcji wody demineralizowanej, czyli ultraczystej. Filtracja wody metodą odwróconej osmozy to jedna z najdokładniejszych i najczęściej stosowanych metod oczyszczania wody zarówno w gospodarstwach domowych, jak i w przemyśle.
Jej sercem jest specjalna membrana, która działa niczym superczułe sito - zatrzymuje niemal wszystkie zanieczyszczenia, przepuszczając wyłącznie czyste cząsteczki wody. Membrany osmotyczne to cienkowarstwowe, półprzepuszczalne struktury stosowane w procesie odwróconej osmozy (RO - Reverse Osmosis). Ich głównym zadaniem jest niezwykle dokładne odseparowanie szkodliwych substancji z wody w instalacjach wodnych, takich jak sole mineralne, metale ciężkie, azotany, pestycydy, bakterie, wirusy czy mikroplastiki.
Budowa membrany przypomina „mikrosiatkę”, w której średnica porów wynosi około 0,0001 mikrona, czyli nawet 10 000 razy mniej niż grubość ludzkiego włosa (który ma średnicę około 50-100 mikronów). Typowa membrana osmotyczna wykorzystywana w systemach RO ma trójwarstwową strukturę, zaprojektowaną tak, by zapewnić maksymalną skuteczność filtracji przy zachowaniu odpowiedniej wytrzymałości i przepustowości. To kluczowa warstwa odpowiedzialna za oddzielanie czystych cząsteczek wody od zanieczyszczeń. Dzięki tej precyzyjnej konstrukcji membrany osmotyczne są niezwykle skuteczne, a przy tym ekologiczne, ponieważ nie wymagają chemicznych dodatków ani wysokich temperatur, aby usuwać zanieczyszczenia z wody.
Membrany osmotyczne dzielą się na kilka typów w zależności od budowy, zastosowania oraz konstrukcji mechanicznej. Membrany spiralne (ang. Spiral Wound Membranes) to najczęściej spotykany typ membran, zarówno w domowych filtrach RO, jak i w instalacjach przemysłowych.
Membrany osmotyczne są jednymi z najdokładniejszych narzędzi filtracyjnych dostępnych na rynku. Dzięki swojej mikroskopijnej strukturze są w stanie zatrzymać ogromną liczbę zanieczyszczeń - zarówno fizycznych, chemicznych, jak i biologicznych. Dobrze użytkowana membrana zachowuje wysoką efektywność nawet przez kilka lat. Nie wymaga regeneracji, nie traci swoich właściwości z dnia na dzień i nie przepuszcza zanieczyszczeń "stopniowo", jak np. złoża węglowe.
Filtracja osmotyczna nie wymaga dodawania żadnych środków dezynfekujących czy zmiękczających. Systemy RO dobrze radzą sobie nawet z bardzo zróżnicowaną wodą wejściową - od twardej, przez chlorowaną, aż po wodę zawierającą śladowe ilości pestycydów czy leków.
| 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 |
| Odwrócona Osmoza | ~0.0001 µm | Produkcja wody demineralizowanej, oczyszczanie wody pitnej | 6 - 100 bar |
Zalety Filtracji Membranowej
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.
- Neutralny smak i zapach wody. Filtry RO eliminują związki odpowiedzialne za metaliczny posmak, chlorowy zapach czy mętność wody. Dzięki temu woda z kranu staje się nie tylko bezpieczna, ale i przyjemna w spożyciu - idealna do picia na zimno, przygotowywania kawy, herbaty czy gotowania.
- Wymierne oszczędności. System RO pozwala zrezygnować z zakupu wody butelkowanej, co przy średnim zużyciu w czteroosobowej rodzinie może oznaczać oszczędność nawet do kilku tysięcy złotych rocznie.
- Ekologia. Korzystając z wody osmotycznej w domu, radykalnie ograniczasz zużycie plastikowych butelek, zmniejszasz ślad węglowy związany z transportem i magazynowaniem wody oraz wspierasz ideę gospodarki obiegu zamkniętego.
Wady Korzystania z Ultrafiltracji
Największą wadą filtracji molekularnej jest czasochłonność całego procesu. Zanieczyszczona woda jest przyczyną wielu problemów, takich jak skrócenie żywotności membrany czy spadek wydajności. Dlatego w systemach odwróconej osmozy należy regularnie wymieniać filtry wstępne, kontrolować ciśnienie - tylko wtedy membrana będzie działać skutecznie przez długi czas.
Systemy Membranowe
Wybór danego systemu membran jest określony przez szerokie spektrum aspektów, takich jak koszty, ryzyko zatkania membrany, gęstość upakowania i możliwość oczyszczenia. Membrany nigdy nie są aplikowane jako pojedynczy płaski "talerz", ponieważ taka duża powierzchnia często wiąże się z dużymi nakładami finansowymi. 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 typu; 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".
Firma działa głównie w sektorze przemysłowym na poziomie krajowym i międzynarodowym, zajmując się oczyszczalniami obróbki wstępnej, procesowej i ścieków pochodzących z instalacji wyciągowych. Wspieramy naszych klientów w zakresie obsługi posprzedażowej, zarządzania i zdalnej pomocy technicznej. Jesteśmy w stanie zaprojektować instalację do demineralizacji dla różnych gałęzi przemysłu, takich jak przemysł farmaceutyczny, chemiczny i petrochemiczny, gdzie wykorzystanie takich wód jest istotne. Otrzymana woda jest demineralizowana, dejonizowana lub osmotyzowana.
Instalacje z żywicami jonowymiennymi składajace się z sekcji żywic do wymiany kationów i anionów Żywice te wyposażone są w aktywne grupy funkcyjne, zakotwiczone w matrycy, zdolne do wymiany swoich mobilnych jonów z takimi samymi jonami ładunkowymi zawartymi w roztworze, z którym mają kontakt.
Instalacje odwróconej osmozy wykorzystują zasadę fizycznej przepuszczalności membrany w celu uzyskania demineralizacji wody.
- PLUSY: - Najlepsza jakość produkowanej wody (w porównaniu do pojedynczej instalacji osmozy).
- MINUSY: - Zużycie odczynników kwasowych i zasadowych do regeneracji i związane z tym problemy z siarczanami lub chlorkami.
- PLUSY: - Nie powstają eluaty regeneracji (są one wydalane tylko podczas cyklu płukania membrany osmotycznej, który jest okresowy.
Jednym z głównych obszarów zastosowań naszych instalacji jest oczyszczanie wody powstającej w procesach obróbki wykańczającej metali oraz ogólnie w procesach przemysłowych. Instalacje do oczyszczania wód meteorycznych, wód gruntowych, wysypisk śmieci i ścieków z produkcji biogazu.
Instalacje fizyko-chemiczne powodują, że zanieczyszczenia stają się nierozpuszczalne przy użyciu produktów chemicznych, a następnie oddzielają część nierozpuszczalną (osad) od wody (proces fizyczny). Demineralizacja, odzyskiwanie i ponowne użycie wody, odsalanie. Główną zaletą jest to, że nie jest konieczne dodawanie dodatkowych środków chemicznych w celu oddzielenia zanieczyszczeń od wody.
Instalacje odwróconej osmozy wykorzystują selektywność membranową w celu uzyskania demineralizacji wody. Instalacje nanofiltracyjne są zwykle używane do zmiękczania. Instalacje nanofiltracji różnią się od instalacji z odwróconą osmozą w zależności od typu zainstalowanej membrany. Membrana nanofiltrująca ma większe pory i nie zatrzymuje wszystkich soli, a jedynie molekuły o większych rozmiarach.
Instalacje ultrafiltracyjne z membranami ceramicznymi stosowane są głównie do rozdzielania związków o średnio-wysokiej masie cząsteczek. Instalacje ultrafiltracyjne stosowane są na ściekach, w obiegu zamkniętym, w celu osiągnięcia wymaganego stężenia roztworu przesączu zwanego permeatem. Urządzenia do mikrofiltracji stosowane są głównie do usuwania zanieczyszczeń stałych, szczególnie obecnych w ściekach.
Instalacje do mikrofiltracji są często stosowane jako instalacje do odwróconej osmozy, nanofiltracji i ultrafiltracji. W instalacjach MBR stosowane są membrany z blachy płaskiej. Membrany tego typu pracują zanurzone w bioreaktorze i skutecznie usuwają zawiesiny i zanieczyszczenia. Celem tych instalacji jest oczyszczenie wody z tych rozpuszczonych lub zawieszonych substancji, które mogą stanowić problem dla procesu produkcyjnego.
Instalacje kontenerowe Simpec są całkowicie wstępnie zmontowane i przetestowane w naszym warsztacie przed wysyłką. Oczyszczalnie okresowe (szarżowe) są idealne do przetwarzania małych i średnich dziennych ilości ścieków. W związku z tym ich obróbka jest elastyczna. Dzięki uprzedniemu monitorowaniu wody przed jej wypuszczeniem pozwala również na powtórne przetworzenie w celu poprawy skuteczności procesu oczyszczania.
Realizujemy systemy sterowania, zarządzania i automatyzacji naszych stacji uzdatniania wody i oczyszczania ścieków. Nasz rewolucyjny system iCloud pozwala nam na podgląd stanu urządzeń do uzdatniania wody za pomocą smartfonów lub komputerów PC.
tags: #osmoza #prosta #zagęszczanie #soków #proces
