Techniki membranowe

Membranowe techniki rozdzielania mieszanin przez długi okres czasu traktowane były jako pomocnicze metody separacyjne w skali laboratoryjnej. Ostatnie lata sprawiły, że możliwym stało się stosowanie technik membranowych na dużą skalę. Związane to jest z rozwojem chemii tworzyw sztucznych, a szczególnie polimerów syntetycznych, z których zbudowana jest większość wysoce przepuszczalnych i selektywnych membran.

Procesy membranowe w swoim najbardziej rozpowszechnionym zastosowaniu należą do dużej grupy technik rozdzielania składników mieszanin ciekłych i gazowych. W zależności od właściwości membrany mogą służyć do rozdzielania cząstek o rozmiarach od dziesiątek μm do dziesiątych części nm. W technologii uzdatniania wody najczęściej stosowane są procesy:

  • Mikrofiltracja (MF) - proces prowadzony przy ciśnieniu 0,1…5 bar, w którym membrana zatrzymuje cząstki o wielkości > 0,1 μm; mechanizm separacji – sitowy. Wykorzystywany do usuwanie zawiesin mechanicznych, bakterii, wirusów z roztworów, zatrzymywanie komórek w bioreaktorach, oczyszczanie wody.
  • Ultrafiltracja (UF) proces prowadzony pod ciśnieniem 0,5…10 bar, w którym membrana zatrzymuje cząstki o wielkości > 5 nm; mechanizm separacji – sitowy, zastosowanie - zatężanie makrocząsteczek, oczyszczanie rozpuszczalników, frakcjonowanie makrocząsteczek, usuwanie bakterii i wirusów.
  • Nanofiltracja (NF) proces prowadzony pod ciśnieniem 10…30 bar w którym membrana zatrzymuje cząstki o wielkości ok. 1 nm. Wykorzystywana do zmiękczanie wody, odzysku metali ze ścieków, obróbki wód odpadowych, oczyszczania ścieków przemysłowych usuwanie pestycydów, metali ciężkich, azotanów z wód gruntowych i powierzchniowych, recyrkulacja wody zużytej.
  • Odwrócona osmoza (RO) - proces prowadzony pod ciśnieniem 10…100 bar  w którym membrana zatrzymuje związki małocząsteczkowe oraz jony. Stosowany do demineralizacji wody, produkcja wody ultraczystej dla potrzeb elektroniki i medycyny, odzysk metali ze ścieków.

Techniki membranowe w stosunku do tradycyjnych metod uzdatniania wody i oczyszczania ścieków posiadają szereg zalet do których zalicza się przede wszystkim niskie zużycie energii, brak konieczności dodawania chemikaliów, łatwe powiększanie skali technologicznej dzięki systemowi modułowemu, prowadzenie procesu w sposób ciągły, możliwość łatwego łączenia procesów membranowych z innymi procesami jednostkowymi, praca w temperaturze otoczenia, łatwa automatyzacja procesów, brak konieczności ciągłej obsługi.

Wadą technik membranowych jest natomiast ograniczona żywotność związana z wytrzymałością chemiczną i termiczną, konieczność płukania wstecznego membran związanego ze zjawiskiem foulingu – odkładania się warstwy cząsteczek na powierzchni membrany ograniczającej strumień filtratu, konieczność okresowego czyszczenia chemicznego membran.

Większość metod membranowych wymaga wcześniejszego uzdatnienia wody z zanieczyszczeń mogących uszkodzić delikatne membrany polimerowe. Zwykle procesami takimi są filtracja mechaniczna czy zmiękczanie. Procesy membranowe mogą być również łączone w ciągi technologiczne produkujące wodę o zróżnicowanej jakości.

Czynnikiem decydującym o wydajności instalacji jest jednostkowa wydajność membran. W celu osiągnięcia dużych wydajności membrany organizowane są w moduły membranowe. Konstrukcyjnie membrany w których prowadzone są procesy rozdziału podzielone są na rurowe, kapilarne, spiralne i płaskie. Wszystkie te rozwiązania pozwalają na maksymalne upakowanie powierzchni czynnej membrany w jak najmniejszej objętości.

Do trudnych warunków pracy: niskie pH, wysoka temperatura w technologii wykorzystywane sa również membrany ceramiczne wykonane z α-tlenku glinu. Dzięki swej odporności chemicznej oraz temperaturowej mogą być regenerowane silnie agresywnymi chemikaliami ora dezynfekowane para wodną.

Ciągły rozwój technik membranowych prowadzi do poprawy wydajności, selektywności, odporności membran co przy spadku ich ceny powoduje wzrost ich atrakcyjności.