Osmoza i rozmiar porów membrany: Kompletny przewodnik
- Szczegóły
Techniki membranowe jako metody separacji znajdują coraz większe zastosowanie w technologiach oczyszczania odpadów produkcyjnych, przyczyniają się do recyrkulacji surowców i wprowadzania czystych technologii (bezodpadowych), zastępują energochłonne metody rozdzielania. Jednym z obszarów zastosowania modułów membranowych jest odwrócona osmoza, która sukcesywnie wypiera z rynku pozostałe metody uzdatniania wody.
Co to jest osmoza?
Osmoza naturalna polega na dyfuzji rozpuszczalnika przez błonę półprzepuszczalną rozdzielającą dwa roztwory o różnym stężeniu. Osmoza spontanicznie zachodzi od roztworu o niższym stężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o wyższym, czyli prowadzi do wyrównania stężeń obu roztworów. Ciśnienie zewnętrzne równoważące przepływ osmotyczny określa się mianem ciśnienia osmotycznego, a jego wartość jest charakterystyczna dla danego roztworu.
Odwrócona osmoza: Zasada działania
Proces odwróconej osmozy jest zjawiskiem odwrotnym do spontanicznie zachodzącej osmozy. Polega na wymuszonej dyfuzji dowolnego indywiduum chemicznego (jonów lub cząsteczek) z roztworu o niższym stężeniu do roztworu o wyższym stężeniu przez membranę półprzepuszczalną. Aby mógł zaistnieć przebieg procesu odwróconej osmozy konieczne jest wytworzenie po stronie roztworu ciśnienia hydrostatycznego przewyższającego ciśnienie osmotyczne.
Gdy zostanie spełniony wyżej wspomniany warunek rozpuszczalnik będzie przenikał z roztworu bardziej stężonego do rozcieńczonego, a więc w kierunku odwrotnym niż w procesie osmozy naturalnej. Jest procesem wykorzystywanym do separacji związków małocząsteczkowych takich jak sole nieorganiczne czy małocząsteczkowe związki organiczne od rozpuszczalników. Siłą napędową procesu jak już wcześniej wspomniano jest przyłożone ciśnienie. Konieczne jest stosowanie stosunkowo wysokich ciśnień, wyższych niż w przypadku ultra i mikrofiltracji, ze względu na ciśnienie osmotyczne związków małocząsteczkowych. Zazwyczaj zawiera się w przedziale od 1 do 10 MPa. Mechanizm rozdziału ma charakter dyfuzyjny.
Ciśnienia robocze stosowane w procesie odwróconej osmozy ze względu na wysoką wartość ciśnień osmotycznych rozdzielanych roztworów są wysokie i wynoszą od 1 do 10 MPa.Po raz pierwszy odwrócona osmoza została wykorzystana w 1953 roku do odsalania wody morskiej. Ogromny rozwój przemysłu wykorzystującego zjawisko odwróconej osmozy nastąpił w latach sześćdziesiątych po opracowaniu przez Loeb’a i Sourirajana technologii wytwarzania na skalę przemysłową wysokowydajnych, selektywnych membran asymetrycznych. Asymetryczna budowa membran umożliwiła bowiem rozdział składników o małej masie cząsteczkowej (poniżej 300). Membrany asymetryczne zatrzymują cząstki i cząsteczki o średnicach od kilku do kilkunastu angstremów (Ǻ).
Przeczytaj także: Zastosowanie wężyków do filtra osmozy
Warunkiem przebiegu procesu odwróconej osmozy jest spełnienia następującego warunku: Δp>∏ gdzie: Δp - ciśnienie zewnętrzne, [Pa] ∏ - ciśnienie osmotyczne, [Pa], definiowane jako: ∏= C•RG•T gdzie: RG - stała gazowa, [Pa•dm3/mol•K], T - temperatura absolutna, [K], C - stężenie substancji rozpuszczonej w roztworze, [mol/dm3]. Zakres stosowanych ciśnień w odwróconej osmozie waha się w granicach 0,3 - 10 MPa i ściśle zależy od stężenia substancji rozpuszczonych w roztworze. Odwrócona osmoza jest procesem wysokociśnieniowym.
Wielkość stosowanych ciśnień zewnętrznych dobiera się w zależności od rodzaju membrany i warunków prowadzenia procesu. Może się on zmieniać w granicach od 1do 10 MPa. Mechanizmem transportu masy w procesie odwróconej osmozie jest model dyfuzyjny (rozpuszczania). W modelu dyfuzyjnym przyjmuje się, że membrana jest quasi-homogeniczna, dzięki czemu można stosować do opisu transportu masy przez nią teorię roztworów. Transport masy przez membranę można przybliżyć opisem procesu rozpuszczania składników w membranie. Podlega on prawom dyfuzji molekularnej. Siłą napędową transportu jest lokalny gradient potencjału chemicznego wynikający z różnicy stężeń składnika i różnica ciśnienia hydrostatycznego po obu stronach membrany. Różne związki przenikają przez membranę a ich separacja jest skutkiem różnej rozpuszczalności w membranie (prawo Nernsta) oraz różnej szybkości dyfuzji (prawa Ficka).
W trakcie prowadzenia procesów membranowych użytkownikowi zależy na tym, aby uzyskać możliwie jak największy stabilny w czasie strumień permeatu o odpowiednio niskim stężeniu składnika separowanego przez membranę. Najczęściej pojawiającym się problemem w trakcie realizacji procesu odwróconej osmozy jest spadek objętości strumienia permeatu w czasie.
Problemy związane z odwróconą osmozą
Najczęściej pojawiającym się problemem w trakcie realizacji procesu odwróconej osmozy jest spadek objętości strumienia permeatu w czasie.
- Polaryzacja stężeniowa: Zjawisko polaryzacji stężeniowej polega na powstaniu przy powierzchni membrany warstewki roztworu (warstwa polaryzacyjna) o stężeniu wyższym substancji zatrzymywanej przez membranę niż stężenie w roztworze poddawanym filtracji. Zjawisko to zmniejsza efekt rozdzielania, spowalnia proces oraz powoduje zmianę własności separacyjnych membrany. Polaryzacji stężeniowej nie można całkowicie wyeliminować.
- Adsorpcja na powierzchni membrany: Ze względu na występujące powinowactwo pomiędzy materiałem membrany a substancjami występujących w roztworze na powierzchni membrany zachodzi zjawisko adsorpcji związków wielkocząsteczkowych. Powinowactwo to ma zazwyczaj charakter hydrofilowo-hydrofobowy lub związany z polarnością cząsteczek, ładunkiem elektrycznym powierzchni membrany i substancji, siłą jonową i pH roztworów. Znane są metody wytwarzania membran o specjalnie modyfikowanej powierzchni. Dobiera się je odpowiednio w zależności od natury rozdzielanej mieszaniny.
- Tworzenie warstwy żelowej na powierzchni membrany: Tworzenie warstwy żelowej na powierzchni membrany jest związane z polaryzacją stężeniową. Na powierzchni membrany dochodzi do utworzenia tzw. „placka’, którego opór wzrasta z czasem prowadzenia procesu i może doprowadzić do przekroczenia opór membrany. Stężenie powstającego żelu ma wartość stałą i niezależną od stężenia roztworu czy warunków prowadzenia procesu. Rozwiązania konstrukcyjne pozwalają na okresowe usuwanie powstającej warstwy żelu np.
- Fouling: Fouling jest zjawiskiem polegającym na zatykaniu porów membrany stałymi zanieczyszczeniami o wymiarach rzędu mikrometra tj. koloidy, rozpuszczone związki wielkocząsteczkowe, sole. Zjawisko foulingu dotyczy membran porowatych i zazwyczaj ma charakter odwracalny. Utworzony na powierzchni osad można usunąć różnymi technikami.
Budowa membran stosowanych w odwróconej osmozie
Membrany stosowane w układach odwróconej osmozy to głównie membrany asymetryczne zbudowane z jednego rodzaju polimeru(uzyskiwane metodą inwersji faz) oraz membrany kompozytowe (wykonane z dwóch różnych substancji, otrzymywane przez nakładanie warstw). Membrany asymetryczne membranami o strukturze uwarstwionej. Zbudowane są z dwóch warstw. Warstwa zewnętrzna o grubości mieszczącej się w przedziale0.1-0.5 μm pełni funkcję warstwy permeacyjnej, natomiast warstwa wewnętrzna (tzw. suport) o porowatości 150-300 μm, ma za zadanie przejmowanie obciążeń mechanicznych i tym samym ochronę warstwy permeacyjnej.
Przeczytaj także: Analiza dzbanków filtrujących wodę z RO
Membrany produkowane na potrzeby odwróconej osmozy wykonuje się zazwyczaj z estrów celulozy, głownie di- i trioctan celulozy. Materiały te wykazują własności hydrofilowe, małą wrażliwość na zmiany temperatury, odporność mikrobiologiczną. Drugim często wykorzystywanym materiałem są poliamidy aromatyczne, charakteryzujące się niską odpornością na wolny chlor. W przypadku membran kompozytowych warstwa aktywna i suport są zbudowane z różnych polimerów. Materiałem wykorzystywanym do suportu jest zazwyczaj polisulfony, natomiast warstwa aktywna zbudowana jest zazwyczaj z materiałów tj. poliimidy, polibenzimidazol, polibenzimidazolan, poliamidohydrazyna.
Zastosowanie ultrafiltracji
Ultrafiltracja (UF) usuwa tylko cząstki stałe i ciała stałe, ale robi to na poziomie mikroskopowym; Rozmiar porów membrany wynosi 0,02 mikrona. Pod względem smaku ultrafiltracja pozwala utrzymać w wodzie minerały, które wpływają na smak wody. Ultrafiltrację można stosować jako etap wstępnego oczyszczania wody przed stacją odwróconej osmozy, co zwiększa wydajność całej instalacji oraz wydłuża żywotność membran. Takie stacje doskonale sprawują się w układach odzysku wody i oczyszczaniu ścieków.
Odwrócona osmoza vs. Ultrafiltracja
Odwrócona osmoza (RO) eliminuje praktycznie wszystko w wodzie, w tym większość rozpuszczonych minerałów i rozpuszczonych ciał stałych. Membrana RO jest półprzepuszczalną membraną o wielkości porów około 0,0001 mikrona. W rezultacie woda RO jest prawie "bez smaku", ponieważ jest wolna od minerałów, chemikaliów i innych związków organicznych i nieorganicznych. W systemach RO w których woda przeznaczona jest do spożycia, wymaga powtórnej jej mineralizacji za pomocą wymiennych wkładów mineralizujących.
Odwrócona osmoza to proces, który oddziela cząsteczki. Wykorzystuje półprzepuszczalną membranę do oddzielania nieorganicznych i rozpuszczonych substancji nieorganicznych od cząsteczki wody. Stacja UF to niewielkich gabarytów, przepływowy filtr kuchenny, napędzany ciśnieniem wody miejskiej z instalacji. Przeznaczony jest do montażu pod zlewozmywakiem. Stacja ma specjalną membranę ultrafiltracyjną oraz wkład mechaniczno-węglowy, który zabezpiecza ją przed przenikaniem cząstek stałych oraz poprawia właściwości organoleptyczne wody oraz usuwa chlor. To bardzo wygodne, proste w montażu rozwiązanie przeznaczone do wody mało oraz średnio zanieczyszczonej.
Wybór między ultrafiltracją a odwróconą osmozą zależy od indywidualnych potrzeb i oczekiwań. Jeśli zależy nam na zachowaniu naturalnego smaku wody i szukamy ekologicznego rozwiązania, ultrafiltracja będzie dobrym wyborem. Zarówno ultrafiltracja, jak i odwrócona osmoza wymagają regularnej konserwacji i wymiany elementów filtrujących.
Przeczytaj także: Vontron w Akwarystyce: Opinie Użytkowników
Nanofiltracja
Nanofiltracja (w skrócie NF) to proces filtracji membranowej, w którym siłą napędową jest różnica ciśnień pomiędzy dwiema stronami membrany, czyli tzw. ciśnienie transmembranowe. Zasada działania membrany NF jest podobna do tej w membranie osmotycznej (RO). Pod względem dokładności filtracji NF plasuje się między ultrafiltracją i odwróconą osmozą. Membrana NF jest membraną jonoselektywną (jonowybiórczą). Oznacza to, że potrafi rozpoznać rodzaj jonów obecnych w wodzie (jedno- lub wielowartościowe), a nie tylko ich rozmiar.
Ponieważ wewnątrz membrany zbierają się grupy cząstek stałych, pomiędzy składnikami płynu i powierzchnią membrany mogą powstawać oddziaływania elektrostatyczne - siły odpychania i przyciągania, które do pewnego stopnia powodują działanie jonoselektywne. Mając na uwadze fizyczny przesiew (rozmiar porów ok. 1 nm) i wielkość cząsteczek chlorków (0,12 nm) i siarczanów (0,23 nm), wydaje się, że jony tych pierwiastków powinny przenikać przez membranę.
Systemy do nanofiltracji to wielostopniowe urządzenia uzdatniające wodę. Najważniejszym podzespołem jest membrana NF, wykonująca główne zadanie. Oprócz niej systemy NF wyposażone są w dodatkowe filtry wstępne (filtry wstępnie uzdatniające wodę przed podaniem jej do membrany). Opcjonalnie w niektórych systemach występują dodatkowe filtry po membranie NF (postfiltracja).
Po co są filtry wstępne?
Przed skierowaniem wody do membrany system NF wstępnie oczyszcza wodę przy pomocy wkładów wstępnych - najczęściej wkładu piankowego i wkładu węglowego. Dlaczego? Każdy skuteczny system uzdatniania wody - zarówno domowe systemy do wody pitnej, jak i wielkie, przemysłowe systemy uzdatniające wodę wodociągową lub oczyszczające ścieki - są zbudowane z kilku etapów, przy czym każdy kolejny jest dokładniejszy od poprzedniego. Pierwszy etap usuwa z wody relatywnie największe zanieczyszczenia, a mniejsze przepuszcza. Są one wychwytywane na kolejnym etapie.
Gdyby pominąć wstępne oczyszczanie i skierować mocno zanieczyszczoną wodę bezpośrednio na bardzo precyzyjny filtr, po krótkim czasie uległby on zapchaniu i trzeba by go bardzo często wymieniać na nowy. Dzięki systemowi filtrów wstępnych, każdy element filtracyjny ma bardzo długą żywotność - wkłady wstępne 6 miesięcy, a membrana NF wiele lat.
Wymagania nanofiltracji
Membrany filtracyjne są bardzo czułe na chlor i szybko niszczą się pod jego wpływem. Przy mocniej zanieczyszczonych wodach niezbędna jest filtracja wstępna (wkłady 0,5 - 20 mikron) . Mebrany NF są czułe na wolny chlor (przetrzymują do 1000 ppmh). Nanofiltracja dokładnie oczyszcza wodę i teoretycznie każdy system, w którym zainstalowano dobrej jakości membranę, powinien działać równie skutecznie.
Podstawowe różnice między nimi to jakość wkładów i podzespołów, wydajność, czyli szybkość z jaką system uzdatnia wodę, i opcje dodatkowe. Podczas jakiejkolwiek filtracji wody traci się część ciśnienia, co skutkuje wolniejszym przepływem wody. Im dokładniejsza filtracja, tym większe straty ciśnienia. Bezpośrednio wpływa to na wygodę użytkowania. Aby ułatwić korzystanie z filtra, stosuje się różne metody zwiększenia przepływu. Istnieją membrany o różnej wydajności - te lepsze, montowane w lepszych systemach, uzdatniają wodę dużo szybciej przy tej samej jakości. W innych modelach w tym celu zamontowano dwie membrany. Niektóre systemy wyposażone są w pompę podnoszącą ciśnienie. Inne mają zbiornik ciśnieniowy (taki jak w systemach RO), który może oddawać wodę szybciej niż mniej wydajne membrany.
Mikrofiltracja
Terminem mikrofiltracja określa się proces, w którym cząstki o średnicach 10-50 μm są oddzielane od rozpuszczalnika i małocząsteczkowych składników roztworu. Mechanizm rozdziału oparty jest na mechanizmie sitowym i zachodzi wyłącznie wg średnic cząsteczek. W procesie mikrofiltracji stosuje się na ogół syntetyczne membrany mikroporowate o średnicy porów od 10 μm do 50 μm. Proces ten pozwala na oddzielenie wodnych roztworów cukrów, soli, a także niektórych białek jako filtratu, pozostawiając w koncentracie najdrobniejsze cząstki stałe i koloidy. Siłą napędową procesu jest różnica ciśnień wynosząca od 0,01 do 0,1 MPa.
Ultrafiltracja - dodatkowe informacje
Ultrafiltracja jest stosunkowo niskociśnieniowym procesem wykorzystującym porowate membrany symetryczne lub asymetryczne o średnicach porów od 1 μm do 10 μm, pozwalające na przepływ przez membranę np.: cukrów, soli, wody, oddzielając białka i większe cząstki. Procesy dyfuzyjne odgrywają niewielką rolę w mechanizmie rozdziału. Stosowane ciśnienia nie przekraczają na ogół 1 MPa. W odróżnieniu od mikrofiltracji, w procesie ultrafiltracji stosuje się membrany asymetryczne.
Tabela porównawcza technik membranowych
| Technika membranowa | Wielkość porów | Ciśnienie robocze | Zastosowanie |
|---|---|---|---|
| Mikrofiltracja (MF) | 10 - 50 μm | 0.01 - 0.1 MPa | Oddzielanie cząstek stałych i koloidów |
| Ultrafiltracja (UF) | 1 - 10 μm | Do 1 MPa | Oddzielanie białek i większych cząstek |
| Nanofiltracja (NF) | ~1 nm | 1 - 3 MPa | Usuwanie niektórych jonów, szczególnie jednowartościowych |
| Odwrócona osmoza (RO) | ~0.0001 μm | 0.3 - 10 MPa | Oddzielanie związków małocząsteczkowych od rozpuszczalnika |
Podsumowanie
Techniki membranowe pozwalają na separację zanieczyszczeń o wymiarach cząstek i cząsteczek na poziomie molekularnym lub jonowym. Są to procesy nowe, natomiast w ostatnich latach obserwuje się ich szybki rozwój. Techniki membranowe są tematem wielu prac badawczych, których postępy czynią zastosowanie tych technik w ochronie środowiska realnymi technicznie i korzystnymi ekonomicznie. Procesy separacji membranowej i reaktory membranowe są dzisiaj technikami o szerokiej gamie zastosowań.
tags: #osmoza #rozmiar #porów #membrany
