Wybór właściwej membrany
Kiedy inżynier procesu staje przed zadaniem oczyszczenia ścieków, wody czy frakcjonowania składników, poszukuje procesu, który będzie niezawodny i jednocześnie powtarzalny, dlatego też filtracja membranowa jest często ich pierwszym wyborem.
Podstawą filtracji membranowej jest rozkład cieczy (pojedynczego strumienia) zawierającej wiele składników o różnym stopniu dyspersji, na dwa strumienie: tzw. PERMEAT składający się z wody i substancji przenikających przez membranę i na tzw. RETENTAT – strumień zawierający te same składniki co permeat, ale wzbogacony o składniki zatrzymane na membranie. Otrzymane strumienie mogą być produktem finalnym bądź też poddane dalszym procesom technologicznym.
Dobór odpowiedniej membrany dla danego procesu jest bardzo istotny, a w podjęciu takiej decyzji mogą pomóc technologom specjaliści od filtracji membranowej – tacy jak PCI Membranes. Istnieje wiele rozwiązań, dla których takie specjalistyczne firmy będą miały gotowe, standardowe urządzenia, wymagające minimalnego testowania. Są jednak i takie sytuacje, które wymagają intensywnego testowania procesu na miejscu przez inżynierów-projektantów. Specjaliści z PCI posiadają doświadczenie, pozwalające im na rozwiązywanie problemów z filtracją w wielu branżach przemysłowych.
Jednym z najważniejszych czynników, decydujących o wyborze membrany, są właściwości cieczy występujących w procesie technologicznym. Wiedza o zawartości zawiesiny, jej masie cząsteczkowej, własnościach i obciążeniu materią zawieszoną stanowi dla inżynierów klucz do ustawienia konfiguracji i geometrii membran. Ważne dla podjęcia ostatecznych decyzji jest również pH i temperatura strumienia zasilającego.
Spektrum filtracji zaczyna się na najmniejszym cząsteczkowym poziomie - od odwróconej osmozy (RO), której efekty rozdziału są najbardziej precyzyjne, a za nią plasuje się nanofiltracja, ultrafiltracja i mikrofiltracja. Dalszy podział między wymienionymi procesami opiera się o wielkość rozdzielanych cząstek – od kilku Angstremów (Å, 10-10 m) do kilku mikrometrów (µ, 10-6 m).
Ciśnienie robocze systemów membranowych sięga od 1 do 5 bar w niskociśnieniowych urządzeniach do mikrofiltracji a od 30 do 50 bar w układach wysokociśnieniowych. Proces filtracji jest oparty na działaniu różnicy ciśnień tzw. TMP (ang. trans-membrane-pressure), który stanowi siłę napędową układu i pozwala na przetransportowanie cieczy przez fizyczną barierę, którą jest membrana. Oddzielenie materii zawieszonej i rozpuszczonej w strumieniu zasilającym powoduje powstanie produktu końcowego o pożądanej koncentracji. Dzięki doborowi odpowiedniej konfiguracji membran, umożliwia się cząsteczkom o konkretnej wielkości – pozostanie lub przejście przez membranę, zależnie od rodzaju membrany.
W odwróconej osmozie wykorzystuje się membranę o najmniejszych porach tzw. „tight”, która zatrzymuje najbardziej rozpuszczalną materię, tj. cząsteczki i sole. Ciśnienie w takich systemach musi być znacznie wyższe od ciśnienia osmotycznego, w celu przepchnięcia frakcji cieczy w układzie krzyżowym (cross flow) przez membranę. W przemyśle spożywczym często wykorzystuje się ten system membran do przetwarzania soków owocowych oraz roztworów herbaty, kawy i cukru. Często używa się go także do oczyszczania ścieków. Sprzyjające uregulowania w Europie również zachęcają do stosowania tej technologii w oczyszczaniu odcieków ze składowisk odpadów.
Nanofiltracja wypełnia lukę między RO a ultrafiltracją. Często stosuje się ją do odsalania i zagęszczania w przemyśle tekstylnym. Szeroko w przemyśle wykorzystuje się ultrafiltrację, ponieważ jej uniwersalność umożliwia przetwarzanie cieczy tak odmiennych, jak ścieki z farbiarni czy celulozowni z jednej strony - i soki z drugiej.
Technologia filtracji membranowej rozwinęła się zarówno w sposobie upakowania membran, jak i w materiałach z jakich membrany są wytwarzane. Efektem tego jest szeroki zakres konfiguracji modułów i geometrii membran, pasujących do różnorodnych procesów. Membrany polimerowe stanowią najliczniejszą rzeszę obecnie działających membran. Wykorzystuje się kilka rodzajów polimerów, zależnie od pożądanej wartości granicznej rozdzielczości membran lub pożądanej odporności na zablokowanie na skutek zanieczyszczenia lub pożądanej skuteczności w kontakcie z określoną cieczą. Najpowszechniejsze z nich to: polisulfon i polietersulfon, szeroko stosowane w membranach UF. Z kolei polifluorek winylidenu (PVDF) jest często wykorzystywany w membranach UF z otwartymi kanałami, podczas gdy poliamid – w membranach cienkowarstwowych - w układach NF oraz RO. Octan celulozy, czyli pierwszy polimer szeroko wykorzystywany w membranach, jest nadal stosowany ponieważ bardzo dobrze opiera się zanieczyszczeniu, jednak dużym ograniczeniem jest jego tendencja do ulegania hydrolizie w warunkach zasadowych. Membrany konfiguruje się w układy tubularne, spiralne, płaskie i włókien kanalikowych.
Membrany tubularne mają wiele zalet. Radzą sobie z lepkimi cieczami, o wysokim poziomie zawiesin, a przy tym poddają się czyszczeniu chemicznemu lub mechanicznemu. Tubularne membrany polimerowe umieszczane są w modułach, w obudowie ze stali nierdzewnej lub tworzywa.
Membrany spiralne, składają się ze ściśle upakowanego materiału filtracyjnego, przekładanego siatką, spiralnie nawiniętego na małą rurkę. Wysoki stopień upakowania decyduje o znamiennie większej powierzchni w porównaniu do membran tubularnych. Membrany spiralne wymagają odpowiedniej filtracji wstępnej, by uniknąć zablokowania przez ewentualne zawiesiny, jednak różnorodność projektowa warst zwiększa ilość zastosowań dla tych membran. Warstwy w membranach spiralnych stanowią kanały, przez które płynie przetwarzana ciecz – w miarę jak przenika przez powierzchnię membran. Odgrywają ogromną rolę w opieraniu się blokującemu działaniu zawiesiny oraz w spadku ciśnienia wzdłuż elementu filtracyjnego. Do udoskonaleń projektowych można zaliczyć zwiększony prześwit kanałów – z około 0,7 mm do ponad 2mm, oraz zmianę geometrycznej formy kanałów usprawniającą przepływ cieczy przez nie. Spiralne membrany polimerowe generalnie znajdują zastosowanie tam, gdzie wymagana jest duża wydajność, podczas, gdy membrany tubularne z polimerów, często poddające się czyszczeniu mechanicznemu, bardziej nadają się do miejsc słabiej dostępnych do konserwacji, dla bardzo lepkich produktów lub dla cieczy z dużą zawartością zawiesiny.
Nieprzyjazne warunki, wysokie stężenie substancji rozpuszczonych, szeroki zakres pH i inne warunki procesowe mogą podyktować użycie membran ceramicznych. Technologia ta, zwykle wykorzystywana w ultrafiltracji oraz mikrofiltracji, zazwyczaj bazuje na powłoce z tlenku glinu lub cyrkonii, nałożonej na wewnętrzną powierzchnię części nośnej membrany. Membrana ceramiczna stanowi czasami jedyny rozsądny wybór i chociaż pochłania znacznie wyższe nakłady finansowe niż konwencjonalne membrany z polimerów, to jednak odznacza się długą żywotnością.
Przed podjęciem ostatecznej decyzji, co do wyboru systemu membranowego dla danego procesu, należy wstępnie oszacować finansową stronę przedsięwzięcia, co pozwoli sprawdzić zasadność montażu takiej instalacji. Wymagania projektowe należy zorganizować w następujący sposób:
- Wydajność instalacji;
- Pożądany skład strumieni wyjściowych;
- Permeat i retentat;
- Koszty eksploatacji.
Następnie dostawca systemu, np. PCI Membranes, aby zawęzić wybór membran przeprowadza krótki test pilotażowy we własnym laboratorium, posługując się próbkami cieczy procesowych. Takie próby zwykle stanowią krótkie serie zagęszczania retentatu albo diafiltracji badanej cieczy, w celu jej oczyszczenia. Często testuje się jednocześnie kilka membran, aby wybrać najlepszą. Po wybraniu najlepszej membrany dla danego procesu, można przeprowadzić drugi rzut testów, poświęcony rozdzielczości i płynności, w celu sprawdzenia elastyczności rozwiązania. Próby nie trwają zwykle dłużej niż dwa, trzy dni, plus czas na analizę próbek i wyników. Jednak warto przeprowadzić testy wstępne w szerszym zakresie – na miejscu w zakładzie, z dostępem do nieograniczonej ilości cieczy procesowej. Pozwoli to na zgromadzenie odpowiedniej ilości danych projektowych na systemie pilotowym, naśladującym potencjalną pełną skalę instalacji, w tym informacje o zanieczyszczaniu i czyszczeniu membrany.
Na tym etapie ważne jest zebranie jak największej ilości użytecznych danych, ponieważ będą one stanowić podstawę dla finalnych parametrów projektowych. Czy system będzie pracował okresowo czy w sposób ciągły? Ile czasu można poświęcić na wyłączenie instalacji i umycie jej? Jakie kryteria są najważniejsze dla powodzenia przedsięwzięcia? Próby te zwykle trwają 2-3 tygodnie, ale jeśli skład cieczy procesowej ulega zmianom – to jeszcze dłużej. Dobrze zorganizowana procedura testów zaoszczędzi mnóstwo czasu i wysiłku później. Po ustaleniu procedury testowej, następuje pomiar stopnia zanieczyszczenia, szybkości filtracji, spadku ciśnienia i poziomu retencji w miarę wzrostu koncentracji, a także skuteczności procedury czyszczenia oraz jakości produktu końcowego. Na tym etapie inżynierowie projektanci będą w stanie przewidzieć przybliżoną żywotność membran, co będzie można wykorzystać do oszacowania kosztów całego czasu eksploatacji systemu.
Czyszczenie membran jest ważną częścią w procesie optymalizacji systemu. Typ i częstotliwość czyszczenia zależy od membrany i cieczy procesowej. Przykładowo, w przemyśle spożywczym, powszechną praktyką jest czyszczenie codzienne, zaś w niektórych instalacjach uzdatniania wody – czyszczenie membran może być konieczne zaledwie co trzy miesiące, albo jeszcze rzadziej. Najpowszechniejszą techniką czyszczenia jest niskociśnieniowa cyrkulacja roztworu odpowiedniego środka chemicznego w instalacji, w celu usunięcia zanieczyszczenia z powierzchni membrany. Do usuwania zanieczyszczeń mineralnych wykorzystuje się kwasy, do usuwania zanieczyszczeń białkowych – sodę kaustyczną lub enzymy, a do usuwania zanieczyszczeń organicznych - środki utleniające, takie jak podchloryn sodu. Nie wszystkie techniki nadają się do wszystkich membran; np. membrany poliamidowe słabo lub w ogóle nie tolerują utleniaczy, z kolei membrany z octanu celulozy są wrażliwe na warunki zasadowe.
W niektórych przypadkach, standardowa membrana nie nadaje się do danego procesu. Może być konieczna nowa konfiguracja system membranowego. Czasem wymogi prawne lub presja rynku w dzisiejszych czasach – czasach rosnącej świadomości ekologicznej - zmusza kierownictwo zakładów do rozważenia alternatywnych rozwiązań oczyszczania ścieków. W niektórych przypadkach technologia membranowa jest właściwą technologią, jak to miało miejsce w pewnej szwedzkiej papierni. Firma starała się u uzyskanie Znaku Łabędzia, oznaczającego że ich produkt jest ekologiczny, a żeby temu sprostać – trzeba było o 50% obniżyć ChZT w ściekach po wybielaniu. Ścieki po wybielaniu pochodzą z dwóch źródeł – z linii drewna twardego i miękkiego. Obydwa strumienie miały wartości ChZT od 9 do 12 gO2/litr, wartości pH od 9 do 10,5 i temperaturę około 70°C. Poziom zawiesiny w każdym ze strumieni był zmienny – w strumieniu z drewna twardego czterokrotnie wyższy niż w strumieniu z drewna miękkiego, w którym wynosił do 30 g/litr. Wysoka zawartość materii zawieszonej przemawiała na korzyść zastosowania geometrii membran otwarto tunelowej, zatem wybrano system tubularny PCI Membranes. Wybór sprawdzono na instalacji pilotażowej, która została zablokowana z powodu nadmiernej koncentracji, jednak udało się instalację zregenerować, bez szkody dla membran. W testach wstępnych przeprowadzonych przez specjalistów PCI wykazano, że chociaż celem było zmniejszenie ChZT o 50%, to jednak realne było obniżenie aż o 98% objętościowo – na drewnie miękkim – za pomocą membrany polietersulfonowej, dostępnej w ofercie handlowej PCI. W przypadku ścieków z linii drewna twardego wystąpiło nadmierne zanieczyszczenie membrany. Zatem docelowo zamontowano i uruchomiono dużą instalację do ultrafiltracji PCI Membranes. Nadal skutecznie i bezproblemowo obniża ChZT w zrzutach ścieków z papierni.