Oczyszczanie wody stanowi ważny element gospodarki wodnej każdego państwa. W ostatnich latach nastąpił szybki rozwój technik membranowych, które pomagają przeprowadzać separację zanieczyszczeń już na etapie molekularnym lub jonowym. Membrana to filtr, który zatrzymuje niepożądany składnik z filtrowanej mieszaniny. Dalsze badania i rozwój tej technologii mogą przynieść przełom i poprawić znacznie jakość wody w naszych zbiornikach wodnych.
Jakie są techniki membranowe?
Mikrofiltracja
Wykorzystywana jest w bardzo licznych procesach np. w przemyśle winiarskim. Firma Pall Corporation dostarcza membrany mikrofiltracyjne do usuwania cząstek stałych i drożdży, zachowując jednocześnie pożądane składniki i smak. Cząstki mające średnicę 10-50 μm (mikrometry) zostają oddzielone od rozpuszczalnika i cząsteczek roztworu mających mniej niż 10 mikrometrów. Cały proces polega wyłącznie na mechanizmie siłowym. Zastosowane w nim membrany mikroporowate posiadają średnicę porów od 10 μm do 50 μm. Oddzielają wodne roztwory soli, cukrów lub części białek a stosuje się je najczęściej w przemyśle, lub laboratorium. Membrany mikrofiltracyjne wytwarza się z polimerów organicznych lub nieorganicznych ( ceramika, szkło lub metal) i stosując wybraną metodę wytwarzania: inwersji fazowej, rozciągania filmów polimerowych, spiekania i modelowania oraz przez bombardowanie w reaktorze atomowym filmów polimerowych.
Ultrafiltracja
Stosowana do zatężenia roztworów, funkcjonowania związków i klarowania. Membrany ultrafiltracyjne znajdują zastosowanie w przemyśle spożywczym, tekstylnym, farmaceutycznym, metalurgicznym oraz ochronie środowiska przy oczyszczaniu wody i ścieków, oraz przygotowywaniu wody do procesu RO. Program „WaterHealth” realizowany przez WaterHealth International wykorzystuje membrany ultrafiltracyjne do produkcji czystej wody pitnej dla społeczności wiejskich w Indiach i innych krajach rozwijających się.
Cała metoda polega na fizycznym odsiewaniu cząstek substancji rozpuszczonych lub koloidalnych przez membrany, które posiadają odpowiednią wielkość porów (1-100 nanometra). Membrany asymetryczne porowate mają grubość około 150 mikrometrów. Siłą napędową membrany jest ciśnienie między 0,1-1 MPa.
Nanofiltracja
Działa na podstawie różnicy ciśnień wytworzonych po obu stronach membrany, która ma właściwości pośrednie pomiędzy odwróconą osmozą i ultrafiltracją. Membrany zastosowane w tej metodzie są asymetrycznie porowate, wykonane z polimerów o grubości około 150 mikrometrów i średnicy porów około 1 nanometra (nm).
Dzięki temu procesowi można usunąć związki organiczne, które mają masę cząsteczkową większa niż 200-300 kDa (kilodaltona), jak również sole. Nanofiltrację stosuje się m.in. w uzdatnianiu wód podziemnych i powierzchniowych, odzyskiwaniu laktozy oraz protein serwatki przy jednoczesnym odsalaniu, usuwaniu bakterii, soli wapnia, siarczanów i magnezu z wód pitnych i procesowych. Jest też stosowana w przemyśle tekstylnym do odzyskiwania barwników z procesów farbowania. Metoda ta jest bardzo skuteczna, ponieważ pozwala usunąć nawet 100% związków koloidalnych, mikroorganizmów oraz mętności. Największym minusem jej stosowania jest wysoka cena.
Odwrócona osmoza
Pierwszym przypadkiem zastosowania odwróconej osmozy było odsalanie wody morskiej. Do przemysłu proces ten został wprowadzony w latach 60, kiedy opracowano wysokowydajne membrany asymetryczne. Jej działanie wzorowane jest na procesie osmozy naturalnej. Proces ten stosowany jest do separacji związków małocząsteczkowych od rozpuszczalnika. Aby cały proces przebieg prawidłowo konieczne jest zastosowanie wyższych ciśnień transmembranowych w porównaniu z tymi stosowanymi w ultrafiltracji i mikrofiltracji, ponieważ związki małocząsteczkowe posiadają wyższe ciśnienie osmotyczne. Odwróconą osmozę stosuje się m.in. do odzyskiwania kwasu fosforowego, zmiękczania wody kotłowej, zatężania ścieków, które mają sobie rozpuszczalniki czy do przygotowania wody ultraczystej.
W Singapurze istnieje zakład odsalania wody morskiej, które wykorzystuje technologię odwróconej osmozy do produkcji czystej wody pitnej. Może wyprodukować dziennie 137 000 m3 świeżej wody pitnej.
Zalety i wady stosowanie ciśnieniowych procesów membranowych
Najważniejszą zaletą stosowania membran jest zmniejszenie zużycia energii, dzięki możliwość działania na poziomie molekularnym. Innym plusem jest pełna automatyzacja i łatwości obsługi. Membrany są odporne na wysokie temperatury i mogą pracować w pełnym zakresie pH. Nauka ich obsługi nie jest trudna, dlatego pracodawca może zaoszczędzić na zatrudnianiu wykwalifikowanej siły roboczej. Główną wadą całej technologii jest fouling, czyli zanieczyszczenie membran, które prowadzi do zwiększonego zużycia energii, konieczności częstszego czyszczenia oraz skrócenia żywotności membran.
