Separacja Membranowa i Odwrócona Osmoza: Zasada Działania i Zastosowania

Szczegóły: Opublikowano: 08. December 2025

Technologia membranowa zyskała uznanie jako efektywna metoda separacji w ostatniej dekadzie. Działa bez dodatków chemicznych, charakteryzuje się niskim zużyciem energii oraz prostym procesem przewodzenia. Technologia membranowa obejmuje wiele różnych procesów separacji, w których wykorzystywane są membrany.

Membrany znajdują zastosowanie w przekształcaniu wody ściekowej, powierzchniowej i gruntowej w wodę używaną w różnych procesach produkcyjnych, stanowiąc konkurencyjną alternatywę dla konwencjonalnych technik.

Zasada działania separacji membranowej

Proces separacji opiera się na obecności membran półprzepuszczalnych. Membrana działa jak specyficzny filtr, przepuszczając wodę, a zatrzymując substancje zawieszone i inne zanieczyszczenia. Istnieją różne metody umożliwiające penetrację membrany, takie jak zastosowanie wysokiego ciśnienia, utrzymywanie różnicy stężeń po obu stronach membrany oraz aplikowanie potencjału elektrycznego. Membrany tworzą selektywną ścianę separacji, umożliwiając przechodzenie określonych substancji, podczas gdy inne są zatrzymywane.

Filtracja przez membrany może być alternatywą 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 współczynnik retencji lub separacji.
Produktywność jest wyrażona jako strumień ("flux").

Selektywność i produktywność zależą od rodzaju membrany.

Przeczytaj także: Zastosowanie Membran Screen

Podział Filtracji Membranowej

Filtrację przez membrany można podzielić na:

Mikrofiltrację i ultrafiltrację (usuwanie większych cząsteczek)
Nanofiltrację i odwróconą osmozę (usuwanie soli)

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. Membrany nanofiltracji i Osmozy Odwróconej nie działają na zasadzie porów; separacja zachodzi poprzez dyfuzję przez membranę. Ciśnienie wymagane przy nanofiltracji i Osmozie Odwróconej jest znacznie wyższe niż to wymagane do zachodzenia mikrofiltracji i nanofiltracji, podczas gdy produktywność jest znacznie niższa.

Zalety Filtracji Membranowej

Filtracja przez membrany ma szereg zalet w porównaniu z istniejącymi technikami oczyszczania wody:

Proces zachodzi w niskich temperaturach, umożliwiając oczyszczanie materii wrażliwej na ciepło (szeroko stosowana w produkcji żywności).
Proces o niskich kosztach energii (energia używana głównie do przepompowywania cieczy przez membranę).
Proces może być łatwo rozszerzany.

Zarządzanie procesem filtracji membranowej

Systemy filtracji przez membrany mogą być zarządzane jako tzw. "dead-end flow" lub "cross-flow". Celem optymalizacji techniki membran jest osiągnięcie jak najwyższej możliwej produkcji przez długi okres czasu, dając akceptowane stężenia zanieczyszczenia.

Systemy membran

Wybór systemu membran zależy od kosztów, ryzyka zatkania membrany, gęstości upakowania i możliwości oczyszczenia. Membrany są wprowadzane w kilku typach modułów, głównie cylindrycznych (tubular-shaped membranes) oraz systemach typu "plate & frame". 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.

Przeczytaj także: Golf 2: Jak prawidłowo wymienić filtr powietrza?

Zagniwanie (blokowanie) na membranie

Podczas filtracji zatykanie się membran jest nieuniknione, nawet z odpowiednim oczyszczaniem wstępnym. Rodzaje i wielkość zablokowania zależą od jakości wody doprowadzanej, rodzaju membrany, materiału membrany oraz zaprojektowania procesu i jego kontroli. Nagromadzenie się cząsteczek, rozwój biologiczny oraz tworzenie się kamienia to trzy różne typy blokowania się membran. Zanieczyszczenia te powodują, że wymagany jest większy nakład pracy, aby zapewnić ciągłość działania 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 czynników powodujących zapychanie. Techniki te to "forward flushing" (spłukiwanie w przód), backward flushing (płukanie zwrotne), "spłukiwanie" powietrzem i czyszczenie chemiczne, oraz każda kombinacja tych metod.

Odwrócona Osmoza (RO)

Wiele doniosłych odkryć w rozwoju nowoczesnych społeczeństw było dziełem przypadków. Tak też stało się podczas badań i opracowywania metod odsalania wody morskiej w USA. W początkach lat 50-tych pracownik naukowy Sourirajan z Uniwersytetu w Kaliforni odkrył nową metodę odsalania wody morskiej poprzez zastosowanie systemu „Odwróconej osmozy”. Ta nowa technika była tak obiecująca, że Rząd Amerykański wspólnie z kilkoma znaczącymi firmami przygotował, szeroki program prac w celu bliższego zbadania w/w metody.

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.

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.

Przeczytaj także: Korzyści z Odwróconej Osmozy

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).

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.

Mechanizm działania odwróconej osmozy

Tłumacząc to zjawisko posłużyć się należy doświadczeniem. A więc biorąc szklany pojemnik, w środku którego umieszczona zostaje membrana osmozy jak w poprzednim modelu. Po jednej stronie membrany znajduje się woda o dużym zasoleniu, druga część jest pusta. Jeżeli więc na tę stronę o dużym zasoleniu wywrzemy nacisk to molekuły wody przejdą przez membranę na stronę pustą. Molekuły soli zaś zostaną po tej samej stronie, gdzie były poprzednio, ponieważ dla nich membrana jest barierą nie do pokonania.

Istnieje wiele przyczyn, dlaczego woda przechodzi przez membranę, a zanieczyszczenia pozostają:

Otwory membrany mają bardzo mały przekrój( około 0,0001 mikrona = 100 angstremów).
Większość molekuł obcych substancji w wodzie ma wymiary większe niż otwory w membranie, zostają więc zatrzymane.

Płaszczyzna membrany jest sitem spełniającym określoną funkcję. Funkcję tę nazwano hiperfiltracją. Membrana doskonale oddziela z wody wszystkie zawiesiny jak np. azbestu, rdzy, glonów, wodorostów, a także wszystkie bakterie, wirusy, metale ciężkie, pestycydy i herbicydy, jak również organiczne molekuły.

Technologia wytwarzania membrany przewiduje trwałe magnetyzowanie jej górnej warstwy za pomocą skomplikowanego technicznie procesu. Przyczynia się to do przyciągania przez membranę wszystkich molekuł wody, które przez nią przechodzą. Molekuły innych substancji, które nie posiadają właściwości magnetycznych wody, są przez membranę odpychane.

Skuteczność działania membrany

Mechanizm działania „odwróconej osmozy” powoduje oddzielenie przez membranę metali ciężkich jak: arsenu, kadmu, ołowiu, rtęci, srebra itp., a także rozpuszczone w wodzie sole baru, chloru, chromu, miedzi, fluoru, manganu, azotu, selenu, sulfatu itp. Oprócz tego oddzielone zostają ciężkie trucizny jak np. dioxin, a także produkty odpadowe przemysłu chemicznego i prawie wszystkie radioaktywne pierwiastki i ich izotopy jak np. radu i strontu.

To dokładne i niezawodne oddzielenie na poziomie molekularnym jest tym, co „odwróconą osmozę” tak bardzo odróżnia od innych sposobów oczyszczania wody. Magnetyzacja membrany praktycznie sprawdza każdą molekułę w surowej wodzie wodociągowej pojedynczo i przepuszcza ją lub zatrzymuje.

Molekularny sposób oddzielania zachodzący w „odwróconej osmozie” zapewnia rzeczywiście w 98%, że wszystkie te substancje znajdujące się w wodzie, a mogące szkodzić ludziom, będą usunięte. (Taką niebezpieczną substancją jest „DIOXIN”, który już w ekstremalnie małych ilościach może spowodować ciężkie schorzenia).

Usuwanie zanieczyszczeń - Separacja

Wszystkie szkodliwe substancje są rozdzielane na membranie, strumień wody płynący wewnątrz po powierzchni dystansowej membrany spiralnej kierowany jest do kanalizacji proporcjonalnie do odzysku wody zgodnie z założeniem producenta membran. Przebieg ten jest ułatwiony przez istniejącą warstwę czystej wody, która wskutek magnetyzacji tworzy się bezpośrednio na powierzchni membrany. Na warstwie magnetycznej swobodnie pływają molekuły i cząstki, które nie zostały przepuszczone nie wchodząc w kontakt z powierzchnią membrany.

Ten ciągły strumień przemywania nie pozwala, aby otwory membrany zostały zatkane lub nieprzepuszczone substancje na niej osiadły. Technologa ciągłego przemywania zachowuje przez długi okres w dobrej kondycji membrany cienkowarstwowe.

Duża wydajność i żywotność systemu odwróconej osmozy szybko zdobyła swój rosnący udział w zakładach: przemyśle spożywczym, szpitalach, restauracjach i innych obiektach użyteczności publicznej mających dobry wpływ na zdrowie ludzi.

Coraz częściej odwróconą osmozę stosuje się do odzysku wody słodkiej poprzez zatężanie roztworów brudnej wody aby odzyskać wodę czystą. Odwrócona osmoza jest jak na razie jedynym najtańszym systemem separacji wody słodkiej z zasolonej.

Informacje Techniczne

Systemy odwróconej osmozy są bardzo prostym procesem separacji wody, na których można uzyskać wodę o bardzo małym zasoleniu pod warunkiem spełnienia norm stawianym dla błon osmotycznych gdzie z reguły index SDI wynosi 5. Wody z których przeważnie zasila się jednostki RO nie spełniają tych warunków dlatego też zachodzi potrzeba instalacji zawsze filtracji wstępnej oraz urządzeń zmiękczających dla ochrony membrany, w zależności od technologi stosuje się dla ochrony antyskalant (poziom opłacalności dozowania antyskalantu zaczyna się przy dużych systemach RO).

Z reguły przyjmuje się opcjonalnie że na system odwróconej osmozy podajemy wodę bez: żelaza, manganu, twardości, chloru i poniżej SDI 5 jest to dobry kierunek aczkolwiek nie raz kosztowny i niezastąpiony. Dla dużych jednostek odwróconej osmozy gdzie stosuje się membrany 8" typu zwinięcia spiralnego niezastąpionym produktem wspomagającym i utrzymującym w bardzo dobrej kondycji membrany są antyskalanty oparte na bazie fosforanów lub polimerów nie należą do tanich produktów ale biorąc pod uwagę koszty wymiany membran stają się opłacalne.

Antyskalanty przedłużają żywotność membran jak i powodują że związki soli które podczas przestoju pracy systemu jak i w trakcie nie wytrącają się i nie powodują krystalizacji na powierzchniach błon. Podczas kiedy to dojdzie do pierwszej krystalizacji wewnątrz membranowej to niejednokrotnie kiedy nie ma obsługi serwisowe zaczopowanie całej powierzchni następuje w bardzo krótkim czasie.

Inne problemy powstające na powierzchniach membran to bakterie, film bakteriologiczny potrafi też zaczopować membrany. Nie należ dopuszczać do skażenia membrany od strony wody surowej. Jeżeli dojdzie do takiej sytuacji należy cały układ systemu RO i filtracji wstępnej zdezynfekować środkami przy zachowaniu ostrożności dla wymaganych komponentów z których zbudowany jest cały układ.

Jednostki osmozy dobiera się zawsze do zapotrzebowania godzinowego i technologiczna wydajność jest określana prawie zawsze w stosunku 75% permeatu do 25 odrzutu i to są prawidłowe parametry.

Bardzo dobrą opcją w systemach odwróconej osmozy jest sterowanie procesem płukania, zanim się zdecydujesz na zakup spytaj sprzedawcę o DTR i zabezpieczenia RO. Sterownik systemowy ma szereg opcji do wykonania które zazwyczaj w większych systemach prawie zawsze się wykorzystuje, najważniejszym jest sterowanie nastawne dla płukania membran czasowe lub wymuszone pomaga to w utrzymaniu dobrej kondycji RO.

Większość utleniaczy może uszkadzać elementy membrany. Większość zajmujących się zawodowo uzdatnianiem wody spotyka się z faktem, że elementy RO oraz filtry są zanieczyszczone przez mikroorganizmy. Odpowiedzią na to jest dezynfekcja wody i systemów, która jednak sama ze swej natury tworzy nowe problemy.

Rodzaje Filtracji Membranowej

Filtracja membranowa jest zjawiskiem fizycznym polegającym na odseparowaniu cząsteczek o różnej masie przez półprzepuszczalne membrany. Wyróżniamy w tej technologii cztery rodzaje membran, w zależności od wielkości cząsteczek które chcemy usunąć dobieramy odpowiednią membranę filtracyjną:

Mikrofiltracja
Ultrafiltracja
Nanofiltracja
Odwrócona osmoza

Zastosowanie Filtracji Membranowej

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.

W praktyce przemysłowej, filtry membranowe charakteryzują się wysoką skutecznością usuwania zanieczyszczeń, niskim zużyciem energii oraz możliwością pracy przy różnych ciśnieniach, w zależności od wybranego typu membrany i procesu. Kluczowym parametrem jest powierzchnia membrany, która wpływa na wydajność instalacji oraz efektywność oczyszczania i separacji.

Podsumowanie

Filtracja membranowa to wszechstronna i szeroko stosowana technologia, która umożliwia skuteczne oczyszczanie, separację i zagęszczanie w różnorodnych procesach przemysłowych. Dzięki różnicy ciśnień oraz precyzyjnie dobranym membranom, możliwe jest spełnienie nawet najbardziej wymagających norm w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym, biotechnologicznym i chemicznym.

Na przestrzeni ostatnich lat szeroko pojęta tematyka badawcza, swoim zakresem obejmująca procesy membranowe, cieszy się ogromnym i wciąż rosnącym zainteresowaniem. Jednym z głównych powodów tego stanu rzeczy jest jedna z najbardziej rozpowszechnionych możliwości sterowania składem fazy ciekłej jak i gazowej, zależnie od potrzeb oraz od specyfiki prowadzonych działań.

To, jak duże cząstki ulegną procesowi rozdziału zależy od właściwości membrany - możliwa jest separacja cząstek od wielkości dziesiątek μm zaczynając do dziesiątych części nm kończąc. Membrana pracuje na poziomie molekularnego rozdziału cząstek o różnych rozmiarach, co w sposób zasadniczy odróżnia ją od tradycyjnych filtrów.

Niewątpliwie idą za tym względy nie tylko ekonomiczne, ale także ekologiczne, sprawiając że techniki membranowe stanowią alternatywę dla pozostałych, tradycyjnych metod rozdziału.

Tabela: Rodzaje Filtracji Membranowej i Ich Zastosowania

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: #separacja #membranowa #osmoza #zasada #działania