Techniki Membranowe: Odwrócona Osmoza - Szczegółowy Przegląd
- Szczegóły
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.
Przegląd Metod Membranowych
Do metod membranowych zaliczamy: permeację przez membrany ciekłe, permeację gazów, zintegrowane procesy membranowe.
Techniki membranowe charakteryzuje proces separacji, który przebiega dzięki obecności membrany (Rys. 2.).
Przepływ objętościowy roztworu jp [dm3/min*m2] inaczej szybkość filtracji (ang. flux rate) jest miarą intensywności procesu membranowego. Do oceny efektywności procesu permeacyjnego stosowany jest tzw. współczynnik retencji R, czyli stopniem zatrzymania (ang. retention).
Przeczytaj także: Rodzaje Filtracji Piwa: Kompletny Przewodnik
Siła Napędowa Procesu
Transport przez membranę zachodzi dzięki zastosowaniu odpowiedniej siły napędowej. Siłą napędową transportu masy przez membranę jest różnica potencjałów chemicznych Δμ po obu stronach membrany. Ta różnica (Δμ) może być wywołana: różnicą ciśnień (ΔP), stężeń (ΔC), temperatury (ΔT), potencjału elektrycznego (ΔE) po obu stronach membrany. W technikach membranowych transport cząsteczek zostaje więc wywołany różnicą potencjałów chemicznych po obu stronach membrany.
Klasyfikacja Procesów Membranowych
Techniki membranowe można podzielić ze względu na rodzaj membrany (membrany asymetryczne, membrany mikroporowate, membrany jonowymienne) oraz ze względu na siłę napędowej procesu. Podział ten przedstawiono w Tabeli I.
W zależności od wielkości cząstek i cząsteczek rozdzielanych w procesach membranowych, wyróżnia się następujące techniki:
- Mikrofiltracja
- Ultrafiltracja
- Nanofiltracja
- Odwrócona osmoza
Mikrofiltracja (MF)
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.
Membrany polimerowe wytwarza się zarówno z polimerów hydrofobowych, jak i hydrofilowych. Membrany ceramiczne preparuje się głównie z tlenku glinu oraz dwutlenku cyrkonu.
Przeczytaj także: O autonomiczności techniki i odwróconej adaptacji
Ultrafiltracja (UF)
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. Membrany ultrafiltracyjne stanowią też podstawę, szkielet tzw.
Nanofiltracja (NF)
W nanofiltracji stosuje się membrany pozwalające na przepływ niektórych jonów, szczególnie jednowartościowych np. sodu czy potasu. Nanofiltracja jest procesem stosunkowo nowym, który stał się możliwy do zrealizowania po opracowaniu metod produkcji odpowiednich membran. Ciśnienia stosowane przy nanofiltracji wahają się w granicach od 1 do 3 MPa.
Odwrócona Osmoza (RO)
Odwróconą osmozę stosuje się do separacji związków małocząsteczkowych (nieorganiczne, małocząsteczkowe związki organiczne) od rozpuszczalnika. Konieczne jest stosowanie wyższych ciśnień transmembranowych niż w przypadku ultra i mikrofiltracji, ponieważ związki małocząsteczkowe charakteryzują się wyższymi ciśnieniami osmotycznymi.
U podstaw procesu odwróconej osmozy leży zjawisko osmozy naturalnej. W układzie, gdzie membrana rozdziela roztwór od rozpuszczalnika lub dwa roztwory o różnym stężeniu, następuje samorzutne przenikanie rozpuszczalnika przez membranę w kierunku roztworu o większym stężeniu. Jeżeli po stronie roztworu wytworzy się ciśnienie hydrostatyczne przewyższające ciśnienie osmotyczne, rozpuszczalnik będzie przenikał z roztworu bardziej stężonego do rozcieńczonego, a więc w kierunku odwrotnym niż w procesie osmozy naturalnej. Dla procesu tego zaproponowano nazwę odwrócona osmoza. Równolegle stosowana jest czasem nazwa hiperfiltracja.
Odwrócona osmoza pozwala oddzielić rozpuszczalnik (wodę) od substancji rozpuszczonych nawet o stosunkowo niskiej masie cząsteczkowej, np. sole i cukry. Mechanizm rozdziału ma charakter dyfuzyjny.
Przeczytaj także: Zastosowanie osuszaczy membranowych gazu
Odwrócona osmoza została po raz pierwszy zastosowana w 1953 roku do odsalania wody morskiej. Wprowadzenie jej do przemysłu nastąpiło dopiero w latach sześćdziesiątych po opracowaniu przez Loeb’a i Sourirajana technologii wytwarzania na skalę przemysłową wysokowydajnych, a jednocześnie selektywnych membran asymetrycznych.
Jest to proces rozdziału składników o małej masie cząsteczkowej (M<300). Średnice rozdzielanych cząstek i cząsteczek mogą wynosić od kilku do kilkunastu angstremów (Ǻ). W zależności od stężenia roztworu po obu stronach membrany zakres stosowanych ciśnień waha się w granicach 0,3 - 10 MPa.
W przeciwieństwie do tradycyjnego filtru, odwrócona osmoza może rozdzielać składniki roztworów do zakresu rozmiaru molekularnego, co sprawia, że jest ona konkurencyjna w stosunku do innych metod oczyszczania wody.
Jeśli na roztwór o większym stężeniu wywrzemy ciśnienie Δp większe niż Δπ to woda będzie przepływać do roztworu o mniejszym stężeniu, czyli w kierunku przeciwnym do kierunku strumienia osmotycznego. Zachodzi wówczas proces odwróconej osmozy, prowadzący do zatężania się tego roztworu i rozcieńczania roztworu po przeciwnej stronie membrany (C1↓, C2↑), (Δp>Δπ).
Proces odwróconej osmozy pozwala na blisko stuprocentową separację substancji rozpuszczonych z rozpuszczalnika. Szczególnie w przypadku demineralizacji wody, prowadzić to może do problemów technologicznych, gdyż osad zawieszonych w roztworze związków organicznych i koloidów łatwo osadza się na membranie podwyższając opory przepływu, a z zatężonego retentatu mogą się wytrącać trudno rozpuszczalne sole jak węglany i siarczany wapnia czy magnezu oraz koloidy żelaza. Dlatego przed skierowaniem wody do procesu RO konieczne jest jej wstępne oczyszczenie, którego zakres zależy głównie, od jakości wody surowej.
W zakres wstępnego oczyszczania wchodzić może filtracja bez usuwająca przyczyny zanieczyszczania membran osadzonymi zawiesinami i koloidami, adsorpcja na węglu aktywnym usuwająca substancje organiczne. Jeżeli woda surowa zawiera wolny chlor, który niszczy membrany RO stosuje się dodatki wodorosiarczanu sodu (NaHSO3) w celu jego usunięcia. Środki kompleksujące takie jak heksametafosforan sodu (SHMP) oraz wersenian dwusodowy EDTA stosować można w celu usunięcia obecnych w wodzie surowej soli wapnia i magnezu.
Membrany Stosowane w Odwróconej Osmozie
W pierwszych przemysłowych procesach RO stosowano lite membrany polimerowe, które charakteryzowały się dobrymi właściwościami separacyjnymi, lecz generowały bardzo durze opory przepływu co podwyższało koszty inwestycji oraz zapotrzebowanie energii ze względu na konieczność używania wysokich ciśnień rzędu 12 MPa. Obecnie w procesach RO stosuje się polimerowe membrany kompozytowe, w których odpowiedzialna za separację lita warstewka naskórkowa jest bardzo cienka (0,1-10 um), natomiast warstwa podłoża odpowiedzialna za właściwości mechaniczne jest mocno porowata i zapewnia odprowadzenie permeatu bez oporów. Doprowadziło to do zmniejszenia ciśnień procesowych do poziomu 2 - 5 MPa.
Stosowanie wysokiego ciśnienia jest konieczne by pokonać opory membrany do odwróconej osmozy, w której brak porów a mechanizm transportu polega na rozpuszczaniu i dyfuzji cząsteczek rozpuszczalnika.
W procesie odwróconej osmozy stosuje się membrany asymetryczne zbudowane z jednego polimeru oraz membrany kompozytowe. Grubość warstwy aktywnej wynosi zazwyczaj £ 1mm, przy czym o przepuszczalności decyduje warstwa aktywna. Do produkcji membran RO stosuje się zazwyczaj estry celulozy. Przede wszystkim di- i trioctan celulozy, ponieważ posiadają one właściwości hydrofilowe. Innym materiałem do wytwarzania membran są poliamidy aromatyczne, które są mało odporne na wolny chlor. Nową generacją membran RO są membrany kompozytowe, w których warstwa aktywna i suport są zbudowane z różnych polimerów. - powinien odznaczać się wysoką odpornością hydrolityczną (tzn.
Mechanizm Separacji w Odwróconej Osmozie
Mechanizm separacji w odwróconej osmozie opisuje model rozpuszczania - dyfuzji. Model ten zakłada, że o przepływie określonych składników przez zwarte membrany polimerowe decyduje ich rozpuszczanie w polimerze i dyfuzja. Model pomija oddziaływania pomiędzy polimerem membrany a dyfundującym składnikiem. Składniki dyfundują przez membranę pod wpływem „bodźca termodynamicznego”, to znaczy ujemnego gradientu potencjału chemicznego tego składnika.
Odwrócona osmoza zdecydowanie jednak różni się od innych technik tego typu, takich jak ultra- i mikrofiltracja. W procesach MF i UF podstawą separacji jest efekt sitowy, natomiast w RO efekt ten praktycznie nie występuje.
Tab 1. Typy modułów membranowych
Spiralne (Rys. 10. np. aktywnej 80 cm2 produkcji Tech Sep. Francja. 0.1-0.3 MPa przy jednoczesnym pomiarze szybkości przepływu nadawy. dławiącym.
tags: #techniki #membranowe #odwrocona #osmoza #sprawozdanie
