Procesy membranowe

Zastosowanie procesów membranowych w oczyszczaniu wody jest zagadnieniem stosunkowo nowym i 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. W trakcie pracy woda zasilająca jest dzielona na dwa strumienie:
• Koncentrat – będący zatężoną częścią o zwiększonej ilości zanieczyszczeń
• Permeat – oczyszczony roztwór

Obecnie, na skalę techniczną najczęściej stosowane są następujące techniki membranowe:
• 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. Zastosowanie: klarowanie cieczy, separacja emulsji, usuwanie bakterii i wirusów, wstępne oczyszczanie przed procesami nanofiltracji i odwróconej osmozy
• 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. Zastosowanie: separacja emulsji, oczyszczanie i zatężanie substancji wielkocząsteczkowych i koloidalnych, frakcjonowanie substancji zawartych w roztworach wg mas cząsteczkowych, przemysł farmaceutyczny, spożywczy, tekstylny, wstępne oczyszczanie przed procesami nanofiltracji i odwróconej osmozy
• 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. Zastosowanie: zmiękczanie wody, dekoloryzacja, separacja jonów wielowartościowych, usuwanie małocząsteczkowych związków organicznych
• 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. Zastosowanie: odsalanie wody w celu otrzymania wody pitnej, odsalanie ścieków, usuwanie metali ciężkich i małocząsteczkowych związków organicznych, produkcja wody ultraczystej, przygotowanie wody do celów energetycznych

W praktyce stosowane są także prądowe techniki separacji membranowej, w których siłą napędową jest różnica potencjału elektrycznego. Do najczęściej stosowanych metod zalicza się:
• 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. Zastosowanie: odsalanie wód, usuwanie cyjanków, fluorków, azotanów, metali ciężkich, demineralizacja wody
• 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. Dzięki temu następuje demineralizacja podobna do dejonizacji przebiegającej na złożu mieszanym, lecz bez konieczności używania chemicznej regeneracji jonitów.

W przypadku filtracji membranowej niezwykle ważne jest właściwe przygotowanie wody zasilającej system. Wydajność i żywotność membran uzależniona jest od wstępnej filtracji wody. Stąd też przed filtracją membranową stosuje się filtrację mechaniczną, filtrację na złożach węglowych oraz zmiękczanie wody.

Dobrze dobrany system filtracji membranowej pozwala na efektywne usunięcie niepożądanych zanieczyszczeń z wody, zapewnia ciągłą dostawę ultraczystej wody bez przestojów np.: na regenerację. Solidna konstrukcja gwarantuje długą i bezpieczną pracę, a prosta obsługa pozwala na kontrolę pracy urządzenia oraz możliwość szybkiej regulacji strumienia permeatu jak i koncentratu.