Uzdatnianie Wody Metodami Membranowymi: Rodzaje i Zastosowania
- 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. 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. Membrany nanofiltracji i Osmozy Odwróconej nie działają na zasadzie porów; separacja zachodzi poprzez dyfuzję przez membranę.
Przeczytaj także: Technologie oczyszczania wody: Przegląd
Ciśnienie wymagane przy nanofiltracji i Osmozie Odwróconej jest znacznie wyższe niż to wymagane do zachodzenia mikrofiltracji i nanofiltracji, podczas gdy produktywność jest znacznie niższa.
Mikrofiltracja (MF)
Mikrofiltracja przemysłowa stosowana jest w zakresie dokładności filtracji 0,1 - 10 um. 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.
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 skrobii), 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. Dokładność filtracji dla membran ultrafiltracyjnych wynosi aż 0,05 µm.
Przeczytaj także: Grupa Azoty Puławy - oczyszczanie wody
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 płaskie używane są głównie w dużych, przemysłowych instalacjach RO.
Przeczytaj także: Przewodnik po uzdatnianiu wody szkłem
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 |
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.
Po pierwsze - 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. Po drugie - 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. I wreszcie - 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". Systemy typu "płyta i rama" są podzielone na systemy spiralne oraz membrany w kształcie poduszek.
tags: #uzdatnianie #wody #membrany #rodzaje
