Urządzenia do filtracji membranowej: Zasada działania i zastosowanie
- Szczegóły
Zastosowanie procesów membranowych w oczyszczaniu wody jest zagadnieniem stosunkowo nowym, które zdobywa coraz większą popularność. Zasada działania polega na separacji cząstek w trakcie przepływu wody przez membranę, stanowiącą selektywną barierę w transporcie substancji, w wyniku której następuje wydzielanie lub zatężanie danego zanieczyszczenia, nie eliminując go jednocześnie z systemu. Siłą napędową procesu jest różnica ciśnienia panującego po obu stronach membrany.
Dzięki tej właściwości istnieje możliwość separacji nawet najmniejszych zanieczyszczeń z żądanego środowiska.
Rodzaje filtracji membranowej
Wyróżniamy kilka rodzajów filtracji membranowej, które różnią się mechanizmem separacji oraz wielkością cząstek, które mogą być usunięte.
Mikrofiltracja
Podstawowym mechanizmem separacji cząstek jest mechanizm sitowy, podczas którego przez membranę nie przenikają cząsteczki o rozmiarach większych niż średnica porów. Przyjmuje się, że stosowana jest w procesach usuwania i zatężania cząstek o średnicy 0,1-10µm. Siła napędową jest różnica ciśnień rzędu 0,05-0,5MPa.
Ultrafiltracja
Mechanizmem separacji jest tutaj zjawisko rozpuszczania i dyfuzji. Polega ono na tym, że składniki roztworu ciekłego rozpuszczają się w materiale membrany i dalej pod wpływem różnicy stężeń dyfundują na jej drugą stronę, gdzie ulegają desorpcji do roztworu permeatu. Stosuje się ją w procesach usuwania i zatężania cząstek o średnicy 2-20nm. Siłą napędową jest różnica ciśnień rzędu 0,1-1,0MPa.
Przeczytaj także: Optymalizacja Warunków
Nanofiltracja
Podobnie jak w przypadku ultrafiltracji membrany tutaj stosowane nie mają porów w sensie konwencjonalnym, stąd też mechanizm separacji polega na rozpuszczaniu i dyfuzji składników rozpuszczonych od rozpuszczalnika. Stosuje się w procesach usuwania i zatężania cząstek o średnicy 1-3nm. Siłą napędową jest różnica ciśnień rzędu 0,5-2,0MPa.
Odwrócona osmoza
U podstaw procesu leży zjawisko osmozy naturalnej, w której następuje samoistny przepływ rozpuszczalnika przez membranę w kierunku roztworu o wyższym stężeniu. W przypadku zastosowania ciśnienia przewyższającego ciśnienie osmotyczne następuje proces odwrotny do osmozy naturalnej, czyli rozpuszczalnik przenika z roztworu bardziej stężonego do rozcieńczonego. Stąd też zaproponowano nazwę tego procesu jako odwrócona osmoza.
Mechanizm separacji ma charakter rozpuszczania i dyfuzji, zatem przy wyborze membrany decydująca rolę odgrywa powinowactwo rozpuszczalnika do materiału membrany, mniejszą zaś wielkość jej porów. Odwróconą osmozę stosuje się w procesach usuwania i zatężania cząstek o średnicy mniejszej niż 1nm. Siłą napędową jest różnica ciśnień rzędu 1,0-8,0MPa.
Metodę tę nazwano „Odwróconą Osmozą” i poparto ją dużym programem przyspieszenia, co spowodowało, że Odwrócona Osmoza została rozwinięta do wysoko efektywnego i korzystnego systemu pozwalającego z wody o dużym zanieczyszczeniu lub zasoleniu, usunąć szkodliwe substancje uzyskując wodę pitną.
Około 30% urządzeń RO odsalających wodę morską pracuje w Zatoce Perskiej. Duże zapotrzebowanie przemysłu na czystą wodę spowodowało akceptacje systemu RO który to jest wykorzystywany przy wytwarzaniu artykułów spożywczych bez tej technologii "Odwróconej Osmozy” byłoby to niemożliwe.
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
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.
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.
Elektrodializa i Elektrodejonizacja
W praktyce stosowane są także prądowe techniki separacji membranowej, w których siłą napędową jest różnica potencjału elektrycznego.
- Elektrodializa - wykorzystuje się tu transport jonów pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego przez membrany jonowymienne selektywne tylko do jednego rodzaju jonów: kationitowych lub anionitowych. Istnieje także możliwość mieszania różnych membran.
- Elektrodejonizacja - jest połączeniem elektrodializy i wymiany jonowej. Za pomocą tego procesu można w sposób efektywny odsalać wodę podczas gdy jonity są w sposób ciągły regenerowane przy użyciu prądu elektrycznego.
Wpływ przygotowania wody na filtrację membranową
W przypadku filtracji membranowej niezwykle ważne jest właściwe przygotowanie wody zasilającej system. Wydajność i żywotność membran uzależniona jest od wstępnej filtracji wody. Dobrze dobrany system filtracji membranowej pozwala na efektywne usunięcie niepożądanych zanieczyszczeń z wody, zapewnia ciągłą dostawę ultraczystej wody bez przestojów np.: na regenerację.
Zastosowanie filtracji membranowej w przemyśle
Separatory membranowe są wykorzystywane w wielu sektorach przemysłu m.in. w demineralizacji wody i oczyszczaniu ścieków, aż po kluczowe procesy w przemyśle chemicznym i biotechnologicznym. Ich rola polega na oddzielaniu różnych składników mieszaniny, wykorzystując wyjątkowe właściwości membran przepuszczalnych.
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
Separator membranowy, dzięki swojej wszechstronności i efektywności, znajduje zastosowanie w wielu branżach przemysłu. Metody tradycyjne często opierają się na różnicach w gęstości, rozpuszczalności, czy wielkości cząsteczek, co może nie być wystarczająco selektywne dla niektórych zastosowań. Separator membranowy pozwala na bardziej precyzyjne oddzielenie składników, co jest kluczowe w procesach wymagających wysokiej czystości końcowego produktu.
Technologia systemów odwróconej osmozy ma szerokie zastosowanie w przemyśle tam gdzie potrzebna jest bardzo czysta woda.
Zastosowanie filtrów membranowych w mikrobiologii
Filtracja membranowa to zaawansowana metoda separacji składników stosowana w różnych dziedzinach nauki i przemysłu, w tym również w mikrobiologii. W ostatnich latach zyskuje coraz większe uznanie ze względu na swoją skuteczność, precyzję oraz możliwość zastosowania w różnorodnych badaniach naukowych i kontrolnych.
Jednym z najważniejszych zastosowań filtrów membranowych w mikrobiologii jest kontrola jakości wody pitnej, powierzchniowej oraz ścieków. Dzięki nim możliwe jest szybkie i precyzyjne wykrywanie w wodzie obecności drobnoustrojów chorobotwórczych. Filtracja membranowa jest również wykorzystywana w badaniach mikrobiologicznych żywności, zwłaszcza w kontroli jakości produktów spożywczych pod kątem obecności bakterii chorobotwórczych czy pleśni.
Dzięki niej możliwe jest prowadzenie precyzyjnych badań mikroorganizmów oraz monitorowanie jakości produktów spożywczych, wody czy powietrza.
Rodzaje Filtracji Membranowej i Ich Zastosowania
Ze względu na zakres wielkości separowanych cząstek, klasyczną filtrację membranową można podzielić na 3 rodzaje. Wyróżnia się następujące techniki filtracji membranowej:
- Mikrofiltracja przemysłowa
- Ultrafiltracja przemysłowa
- Nanofiltracja przemysłowa
Każda z powyższych metod jest powszechnie stosowana w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym, biotechnologicznym czy chemicznym. Zaletą filtracji membranowej jest przede wszystkim szeroki zakres dostępnych skuteczności filtracji oraz możliwość skalowania procesu, a więc dostosowania rozmiaru poszczególnych modułów do skali produkcji.
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 |
Pompy membranowe
Pompa membranowa to jeden z najbardziej uniwersalnych typów pomp przemysłowych z uwagi na możliwość dopasowania materiałów konstrukcji do szerokiego spektrum cieczy, łatwości w obsłudze i eksploatacji oraz stosunkowo niskiej awaryjności. Pompy membranowe zaliczają się do rodziny pomp wyporowych.
Zasada działania pomp membranowych polega na przetłaczaniu medium przez kolektory pompy za pomocą dwóch membran, zamocowanych na dwóch końcach wału, który umieszczony jest centralnie w pompie. Układ zaworów powietrznych w napędzie pompy wprawia wał wraz z membranami w ruch posuwisto-zwrotny.
Podczas każdego cyklu ciśnienie powietrza z tyłu membrany wypycha znajdującą się w komorze ciecz, w stronę kolektora tłocznego, a zawory zwrotne zapobiegają cofaniu się cieczy w pompie. Ciśnienie tłoczenia po stronie medium jest równe ciśnieniu przed membraną, czyli takie, jakie podawane jest na zasilaniu napędu pneumatycznego.
W zależności od rozmiarów pompy możliwe jest tłoczenie cieczy gęstych oraz lepkich, w zakresie lepkości 1 - 25 000 cPs. Możliwe jest również pompowanie mediów z zawartością cząstek stałych. W zależności od rozmiaru pompy oraz zastosowanych zaworów zwrotnych - kulowe lub klapowe, przepustowość ciał stałych waha się od 2 do 50 mm średnicy.
Należy pamiętać, że pompa membranowa pracuje cyklicznie, wskutek czego występuje zjawisko pulsacji medium w przewodach ssawnych oraz tłocznych.
Podsumowując, pompy membranowe dzięki szerokiej gamie wykonania materiałowego oraz zdolności do praktycznie bezobsługowej pracy (samozasysanie, praca na sucho) idealnie nadają się do zastosowań w przemyśle m in. spożywczym, chemicznym.
Pompa zawiera dwie membrany, po jednej na każdym końcu, połączone wałkiem. Kiedy sprężone powietrze dostaje się do komory powietrznej z jednej strony wałek przesuwa się w prawo, ciecz z komory cieczowej zostaje wypchnięta, a w tym samym czasie ciecz jest zasysana do drugiej komory cieczowej.
tags: #urządzenie #filtracja #membranowa #zasada #działania
