25. Metod membranowych w technologii wody i ścieków.

Mechanizm procesu

Procesy membranowe polegają na rozdziale składników mieszaniny w wyniku jej przepływu przez warstwę porowatą (przepuszczalną) czyli membranę. Membrana jest „filtrem” - wielkość porów decyduje o rodzaju zanieczyszczeń usuwanych z mieszaniny. Przepływ przez membranę może być spowodowany przez różnicę ciśnień lub różnicę potencjałów elektrochemicznych po obu stronach membrany.

Rodzaje procesów membranowych

1. Mikrofiltracja.

Metoda flitracji zawiesin przy użyciu membran porowatych. Pory w membranach do mikrofiltracji są względnie duże (0,2-10 μm) więc już przy niewielkim ciśnieniu (0,1-0,3 MPa) przepływ jest duży i wynosi od kilku do kilkunastu m³ x m-2 x h-1. Otwory są na tyle duże, że nie przechodzą przez nie jedynie koloidy, zawiesiny, bakterie i wirusy, a przepuszczane są substancje rozpuszczone jak białka.

2. Ultrafiltracja.

Inaczej filtracja molekularna, to proces filtracji z użyciem sit molekularnych, membran i wszelkich materiałów porowatych, o porach, których rozmiary są zbliżone do wielkości pojedynczych cząsteczek. Ultrafiltracja umożliwia rozseparowanie roztworów rzeczywistych oraz mieszanin gazów na poszczególne indywidua chemiczne (związki chemiczne, jony, pierwiastki itp). Ultrafiltracja wymaga zwykle stosowania znacznych ciśnień i jest czasochłonna.

3. Nanofiltracja.

Nanofiltracja jest procesem filtracji membranowej, w którym siłą pędną jest różnica ciśnień pomiędzy dwoma stronami membrany. W procesie nanofiltracji na membranie zatrzymywane są zasadniczo związki organiczne (o masie cząsteczkowej > 200-300) oraz sole dwu- i więcej wartościowe, a przepuszczane w dużym stopniu sole jednowartościowe. Proces filtracji odbywa się pod niskim ciśnieniem - ok. 3-8 bar (0,3-08 MPa).

4. Osmoza odwrócona.

Zjawisko odwrotne 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. Odwrócona osmoza w odróżnieniu od spontanicznej musi zostać wywołana przyłożeniem do membrany ciśnienia o większej wartości i skierowanego przeciwnie niż ciśnienie osmotyczne naturalnie występujące w układzie.

5. Elektrodializa.

Migracja jonów w polu elektrycznym. Ważną rolę w tym procesie odgrywają przepony o własnościach aniono-kationo-wymiennych. Przepony te przepuszczają aniony i kationy a zatrzymują selektywne jony przeciwne. Urządzenia w tej metodzie mają setki komór ułożonych na przemian przepon aniononitowych i kationowych.

6. Perwaporacja.

Technika rozdziału mieszanin ciekłych, wykorzystująca przeważnie polimerowe membrany nieporowate, określane potocznie jako gęste. Rozpoczęto także stosowanie membran ceramicznych, o średnicy porów poniżej 5 nm. Separacja wynika z różnic w rozpuszczalności poszczególnych składników w nieporowatej membranie (sorpcja) oraz różnic w szybkości ich dyfuzji poprzez membranę perwaporacyjną.

7. Destylacja membranowa.

Metoda rozdzielania mieszanin ciekłych; niezwilżalna mikroporowata membrana rozdziela 2 ciecze — roztwór wodny składnika wydzielanego i wodę o temperaturze niższej od temperatury roztworu; przez membranę dyfundują tylko pary znad roztworu i kondensują po stronie zimnej cieczy (destylatu), co umożliwia zatężenie roztworu.

8. Kontaktory membranowe - stosowane w ekstrakcji ( membrana jest selektywna lub nieselektywna).

Membrany pełnia tu funkcję powierzchni kontaktu faz w procesach ekstrakcji, absorpcji i adsorpcji membranowej.

9. Membrany ciekłe, stałe, z metali szlachetnych, w metodach biologicznych.

Szereg usuwania zanieczyszczeń od największych do najmniejszych

1. Filtracja cząsteczkowa.

2. Mikrofiltracja.

3. Ultrafiltracja.

4. Nanofiltracja.

5. Odwrócona osmoza.

Korzyści z zastosowania technik membranowych

1. Eksploatacja w temperaturze otoczenia (temp. nie ma istotnego wpływu na pracę).

2. Mniejsze zapotrzebowanie na energię.

3. Brak problemu z korozją.

4. Brak możliwości zanieczyszczenia atmosfery.

5. Elastyczność metod w zależności od założonej jakości.

6. Elastyczność wydajności układów .

7. Elastyczność i prostota technologii.

8. Niskie koszty inwestycyjne, nawet dla małych układów.

Zestawienie procesów membranowych

Proces membranowy	Siła napędowa	Typ membrany	Zastosowanie
OO	Różnica ciśnień od 5 -8 MPa	Rozpuszczalnościowo - dyfuzyjne	Oczyszczanie roztworów wodnych, odsalanie, usuwanie metali ciężkich i małocząsteczkowych związków metali ciężkich
NF	Różnica ciśnień od 0,5-1,5 MPa	asymetryczne	Frakcjonowanie substancji rozpuszczonych w roztworach wodnych, usuwanie jonów dwuwartościowych, zmiękcznie wody, usuwanie małocząsteczkowych związków organiznych organicznych
UF	Różnica ciśnień od 0,05-0.5 MPa	asymetryczne, porowate	Zatężanie, frakcjonowanie i oczyszczanie makromolekularnych roztworów wodnych, usuwanie substancji koloidalnych i wielkocząsteczkowych, oczyszczanie ścieków emulsyjnych.
MF	Różnica ciśnień od 0,03-0.3 MPa	symetryczne z wbudowanymi grupami jonowymi	Otwory są na tyle duże, że nie przechodzą przez nie jedynie koloidy, zawiesiny, bakterie i wirusy, a przepuszczane są substancje rozpuszczone jak białka.
ED	Pole elektryczne prostopadłe do membrany	symetryczne z wbudowanymi grupami jonowymi	Oddzielanie jonów z wodnych roztworów, odsalanie, usuwanie cyjanków, azotanów, metali ciężkich.

---