Technologia membran

Systemy membran

Technologia membran 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 role 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 penetracje 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.

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. Ciśnienie wymagane przy nanofiltracji i Osmozie Odwróconej jest znacznie wyższe niż to wymagane do zachodzenia mikrofiltracji i nanofiltracji, podczas gdy produktywność jest znacznie niższa.

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 by łatwo rozszerzany.

Zarządzanie procesem systemów filtracji przez membrany

Systemy filtracji przez membrany mogą być zarządzane (zachodzić) na dwa sposoby: jako tzw. "dead-end flow" lub "cross-flow". Celem optymalizacji techniki membran jest osiągniecie jak najwyższej możliwej produkcji przez długi okres czasu, dając akceptowane stężenia zanieczyszczenia.

Systemy membran

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.

Zagniwanie (blokowanie) na membranie

Podczas procesu filtracji z atykanie się membran jest nieuniknione, nawet z odpowiednim oczyszczaniem wstępnym. Rodzaje i wielkość zablokowania zależą od wielu rożnych czynników, takich jak jakość wody doprowadzanej do filtracji, rodzaj membrany, materiał membrany oraz zaprojektowanie procesu oraz jego kontrola.

Nagromadzenie się cząsteczek, rozwój biologiczny oraz tworzenie się kamienia to trzy rożne typu blokowania się membran. Zanieczyszczenia te powodują, że wymagany jest większy nakład pracy aby zapewnić ciągłość działania (pojemność) membran. W pewnym momencie ciśnienie wzrośnie do tego stopnia, że proces nie będzie już ekonomicznie oraz technicznie wydajny.

Czyszczenie membran

Istnieje wiele technik czyszczenia membran w celu usunięcia wyżej wymienionych czynników powodujących zapychanie membran. Techniki te to "forward flushing" (spłukiwanie w przód), backward flushing (płuk anie zwrotne), "spłukiwanie" powietrzem i czyszczenie chemiczne, oraz każda kombinacja tych metod.

Zarządzanie systemami membran

Systemy membran cylindryczne

Moduły membran typu "plate & frame"