Urządzenia filtrujące oraz instalacje

Technologie uzdatniania wody wykorzystujące membrany odwróconej osmozy i nanofiltrację zyskały szerokie uznanie ze względu na ich wydajność i opłacalność. Uzdatnianie wody z zupełnie innego pochodzenia - słodka woda ze źródeł podziemnych lub powierzchniowych, ścieki z dużym zanieczyszczeniem czy woda morska z dużą ilością soli - instalacje odwróconej osmozy znalazły zastosowanie w różnych dziedzinach i w różnych formach - z małych laboratoriów instalacje destylacyjne do systemów odsalania woda morska przeznaczona do zaopatrzenia w wodę całych miast. Woda po osmozie – permeat – spełnia większość najbardziej rygorystycznych wymagań dotyczących jakości wody pitne.

Pomimo tego, że odwrócona osmoza jest znacznie bardziej ekonomiczna niż wymiana jonowa, często jest z nią stosowana w celu uzyskania wody najwyższej jakości. Woda taka wykorzystywana jest w medycynie do produkcji roztworów do wtrysku, w przemyśle elektronicznym oraz w elektroenergetyce do zasilania kotłów wysokociśnieniowych.

Rysunek 1 daje przybliżone wyobrażenie o najbardziej ekonomicznych procesach destylacji w zależności od zasolenia wody źródłowej.

Rys. 1 Podstawowe procesy destylacji - dystrybucja według ekonomii.

Istniejące technologie filtracji można podzielić na kategorie według wielkości cząstek zanieczyszczeń w wodzie źródłowej. Konwencjonalna makrofiltracja zawieszonych ciał stałych to przechodzenie wody przez materiał filtracyjny. Obejmuje takie procesy jak filtracja z użyciem filtrów kasetowych, siatkowych, dyskowych, workowych, filtrów szybkich z obciążeniem filtra. Możliwości takiej filtracji są ograniczone wielkością nierozpuszczonych cząstek większych niż 1 mikron.

Do oczyszczania wody z mniejszych cząstek i rozpuszczonych soli stosuje się metody filtracji membranowej. Filtrację styczną stosuje się głównie wtedy, gdy przepływ wody początkowej o wymaganym ciśnieniu kierowany jest wzdłuż powierzchni membrany. Część przepływu przechodzi przez membranę, oczyszczając się z zanieczyszczeń i rozpuszczonych soli, które są zatrzymywane przez membranę i skoncentrowane w przepływie nad nią. Stężenie soli i zanieczyszczeń jest zwykle ograniczone do określonej wartości, w tym celu należy przeprowadzać ciągłe usuwanie zanieczyszczonej wody (koncentratu). W ten sposób przepływ wody źródłowej dzieli się na dwa - przepływ oczyszczonej wody (permeatu) i koncentratu (ryc. 2).

Rysunek 2. Filtracja styczna przez membranę

Główne metody oparte na stycznej filtracji membranowej to mikrofiltracja, ultrafiltracja, nanofiltracja i odwrócona osmoza.

Mikrofiltracja usuwa zanieczyszczenia o wielkości 0,1-1 mikrona. Z reguły zawieszone ciała stałe i duże cząstki koloidalne są zatrzymywane, podczas gdy duże cząsteczki i rozpuszczone sole przechodzą przez membrany mikrofiltracyjne bez przeszkód. Jednostki mikrofiltracji mogą być używane do usuwania dużych bakterii, skoagulowanych cząstek i redukcji całkowitej zawiesiny. Ciśnienie transmembranowe zwykle nie przekracza 0,7 bara.

Ultrafiltracja pozwala na usuwanie związków wielkocząsteczkowych, cząstek mniejszych niż 0,1 mikrona. Rozpuszczone sole i małe cząsteczki nie są zatrzymywane przez membrany ultrafiltracyjne. Lista substancji zatrzymywanych przez membrany ultrafiltracyjne obejmuje koloidy, białka, zanieczyszczenia mikrobiologiczne i duże cząsteczki organiczne. Większość membran ultrafiltracyjnych odcina substancje o masie cząsteczkowej od 1000 do 100 000 g/mol. Ciśnienie transmembranowe waha się od 1 do 7 bar.

Rysunek 3. Rozkład procesów filtracji

Nanofiltracja odnosi się do specjalnych procesów membranowych, które wychwytują zanieczyszczenia o wielkości zaledwie 1 nm, stąd termin nanofiltracja. Podczas nanofiltracji zatrzymywane są cząsteczki o masie powyżej 200-400 g/mol. Również rozpuszczone sole są zatrzymywane w objętości od 20 do 98%. Aniony jednowartościowe, takie jak chlorek sodu lub chlorek wapnia, są zatrzymywane w mniejszym stopniu, a aniony dwuwartościowe (na przykład siarczan magnezu) są zatrzymywane w większym stopniu (90-98%). Typowe zastosowania membran to usuwanie barwników i naturalnych związków organicznych (kwasy humusowe itp.) z wód powierzchniowych, usuwanie twardości i radu z wód gruntowych, częściowa redukcja całkowitej zawartości soli, oddzielanie substancji organicznych i nieorganicznych w szczególności procesy w przemyśle spożywczym. Ciśnienie transmembranowe wynosi 3,5-16 bar.

Odwrócona osmoza to najwyższa dostępna metoda filtracji. Membrany odwróconej osmozy stanowią barierę dla wszystkich rozpuszczonych soli, a także cząsteczek nieorganicznych i organicznych o masie cząsteczkowej powyżej 100 g/mol. Jednocześnie cząsteczki wody swobodnie przenikają przez błonę. Selektywność membrany – zdolność do zatrzymywania rozpuszczonych substancji – wynosi 95-99%, w zależności od rodzaju membrany, składu wody źródłowej, temperatury i formatu systemu.

Odwrócona osmoza jest stosowana w wielu procesach: odsalanie wody morskiej, uzdatnianie wody z recyklingu, produkcja napojów alkoholowych i bezalkoholowych, uzdatnianie wody przemysłowej i pitnej.

Odwrócona osmoza jest często wykorzystywana do produkcji ultraczystej wody w przemyśle półprzewodników (przemysł elektroniczny), w energetyce cieplnej do zasilania kotłów oraz w laboratoriach medycznych. W takich przypadkach często odwrócona osmoza poprzedza obróbkę z użyciem wymiany jonowej. Ciśnienie transmembranowe zwykle mieści się w zakresie 5-80 barów.