Przejdź do treści

EkoMBR – Generacja nowoczesnych oczyszczalni ścieków

Menu
Strona główna » Membrana – z czym to się je?

Membrana – z czym to się je?

  • przez

Każ­dy z nas sły­sząc sło­wo „mem­bra­na” przy­wo­łu­je licz­ne sko­ja­rze­nia: mem­bra­na ucha lub gło­śni­ka, mem­bra­na bę­ben­ka, czy też mem­bra­na w odzie­ży. Ich za­sto­so­wa­nie znaj­dzie­my w wie­lu dzie­dzi­nach ży­cia, za­le­d­wie kil­ka z nich to: prze­mysł spo­żyw­czy, włó­kien­ni­czy, me­dy­cy­na, ochro­na śro­do­wi­ska. W ostat­nich la­tach tech­no­lo­gia mem­bra­no­wa za­czę­ła być sto­so­wa­na na świa­to­wą ska­lę, co bez wąt­pie­nia zwią­za­ne jest z roz­wo­jem che­mii two­rzyw sztucz­nych, a w szcze­gól­no­ści po­li­me­rów syn­te­tycz­nych, z któ­rych zbu­do­wa­na jest więk­szość wy­so­ce se­lek­tyw­nych i prze­pusz­czal­nych mem­bran. Aby zro­zu­mieć fe­no­men pro­ce­su mem­bra­no­we­go za­cznij­my od te­go, czym w ogó­le jest mem­bra­na.

Mem­bra­na to swe­go ro­dza­ju filtr, przez któ­ry prze­cho­dzi co naj­mniej je­den ze skład­ni­ków nada­nej mie­sza­ni­ny, pod­czas gdy in­ne są na nim za­trzy­my­wa­ne. Co cie­ka­we mie­sza­ni­ną tą mo­że być za­rów­no ciecz jak i gaz, a sa­ma mem­bra­na prze­wyż­sza tra­dy­cyj­ny filtr tym, że roz­dział od­by­wa się w za­kre­sie mo­le­ku­lar­nym.

Z mem­bra­ną wią­że się kil­ka waż­nych po­jęć: nada­wa, per­me­at, re­ten­tat. Nada­wą na­zy­wa się stru­mień roz­two­ru za­si­la­ją­ce­go, któ­ry roz­dzie­la­ny jest na stru­mień fil­tra­tu (per­me­atu) oraz stru­mień kon­cen­tra­tu (re­ten­ta­tu). Istot­ne zna­cze­nie ma fakt, że roz­dzie­la­ne skład­ni­ki nie ule­ga­ją prze­mia­nom che­micz­nym, ter­micz­nym ani bio­lo­gicz­nym, co po­zwa­la na ich po­now­ne za­sto­so­wa­nie.

Kla­sy­fi­ka­cja pro­ce­sów mem­bra­no­wych we­dług ro­dza­ju si­ły na­pę­do­wej wy­wo­łu­ją­cej trans­port sub­stan­cji przez mem­bra­nę jest jed­nym z naj­czę­ściej sto­so­wa­nych kry­te­riów po­dzia­łu. Po­dział ten przed­sta­wio­ny zo­stał w ta­be­li.

O spo­so­bie roz­dzia­łu nada­wy przez mem­bra­nę mó­wi jej struk­tu­ra i wła­śnie ze wzglę­du na struk­tu­rę moż­na wy­od­ręb­nić trzy głów­ne ty­py mem­bran: po­ro­wa­te, zwar­te i cie­kłe.

W mem­bra­nach po­ro­wa­tych pod­sta­wą roz­dzia­łu jest efekt si­to­wy, a więc o roz­dzia­le de­cy­du­ją roz­mia­ry po­rów. Na­to­miast mem­bra­ny zwar­te nie za­wie­ra­ją po­rów w zna­cze­niu ma­kro­sko­po­wym. Sub­stan­cja pod­le­ga­ją­ca roz­dzia­ło­wi roz­pusz­cza się w mem­bra­nie, a na­stęp­nie prze­cho­dzi przez nią w wy­ni­ku dzia­ła­nia od­po­wied­niej si­ły na­pę­do­wej. Roz­dział na­stę­pu­je wsku­tek róż­ni­cy roz­pusz­czal­no­ści lub szyb­ko­ści prze­cho­dze­nia po­szcze­gól­nych skład­ni­ków roz­two­ru nada­ne­go do pro­ce­su. Mem­bra­na cie­kła to war­stwa cie­czy, w któ­rej znaj­du­je się od­po­wied­ni zwią­zek che­micz­ny tzw. no­śnik. Łą­czy się on che­micz­nie z jed­nym ze skład­ni­ków nada­ne­go roz­two­ru i „prze­no­si ” go na dru­gą stro­nę mem­bra­ny, gdzie skład­nik ten uwal­nia­ny jest do me­dium od­bie­ra­ją­ce­go.

Ogól­ny sche­mat dzie­li mem­bra­ny we­dług ich bu­do­wy tak jak zo­sta­ło to przed­sta­wio­ne po­ni­żej.

Już sa­ma kla­sy­fi­ka­cja wska­zu­je na ob­szer­ność za­gad­nień zwią­za­nych z tech­no­lo­gią mem­bra­no­wą, a prze­cież to za­le­d­wie ich na­miast­ka. Jed­nak zna­jąc pod­sta­wy te­go pro­ce­su mo­że­my przyj­rzeć się do­kład­niej sto­so­wa­niu mem­bran w oczysz­cza­niu ście­ków ko­mu­nal­nych.

Mi­kro­fil­tra­cja (MF) i ul­tra­fil­tra­cja (UF) są klu­czem do uzy­ska­nia tak wy­so­kiej ja­ko­ści oczysz­czo­nych ście­ków, ja­kich nie da nam ża­den in­ny pro­ces w ukła­dach kon­wen­cjo­nal­nych. Jak wy­ni­ka z po­wyż­szej ta­be­li – są to pro­ce­sy ci­śnie­nio­we, w któ­rych pod­sta­wą roz­dzia­łu jest efekt si­to­wy, co ozna­cza, że przez mi­kro­po­ro­wa­tą mem­bra­nę prze­cho­dzą cząst­ki o śred­ni­cy mniej­szej niż po­ry mem­bra­ny. W MF to śred­ni­ca > 0,1 µm, na­to­miast w UF 0,1 – 0,001 µm. W oczysz­cza­niu ście­ków naj­czę­ściej sto­so­wa­ne są mem­bra­ny wy­ko­na­ne z pu­stych włó­kien ka­pi­lar­nych (ty­pu „hol­low-fi­ber”) o śred­ni­cy po­rów 0,03 – 0,04 µm. Po­je­dyn­cze włók­na są mo­co­wa­ne w pa­kie­ty two­rzą­ce mo­du­ły za­nu­rzo­ne w osa­dzie czyn­nym. Fil­tra­cja od­by­wa się przy za­sto­so­wa­niu lek­kie­go pod­ci­śnie­nia od ze­wnętrz­nej stro­ny rur­ki do we­wnątrz, po­zo­sta­wia­jąc wszyst­kie nie­po­żą­da­ne w per­me­acie skład­ni­ki nada­wy na ze­wnętrz­nej stro­nie ka­pi­lar.

Oczy­wi­ście na­su­wa się py­ta­nie, co z osa­dem, któ­ry po pew­nym cza­sie za­czy­na przy­wie­rać do po­wierzch­ni mem­bra­ny? Otóż, aby do te­go nie do­pusz­czać, ka­pi­la­ry uno­szą się swo­bod­nie w ście­kach i są cy­klicz­nie omy­wa­ne pę­che­rzy­ka­mi po­wie­trza wpro­wa­dza­ne­go od do­łu wiąz­ki mem­bran. Do­dat­ko­wo w ce­lu za­po­bie­ga­nia za­py­cha­nia się ka­pi­lar au­to­ma­tycz­nie sto­so­wa­ne jest na­po­wie­trza­nie, prze­płu­ki­wa­nie fil­tra­tem w prze­ciw­prą­dzie oraz okre­so­we czysz­cze­nie che­micz­nie. A wszyst­ko to spra­wia, że mem­bra­ny dzia­ła­ją nie­zwy­kle sku­tecz­nie i po­zwa­la­ją nam cie­szyć się czyst­szym śro­do­wi­skiem.  Czyż to nie jest ge­nial­ne?

Opra­co­wa­no w opar­ciu o na­stę­pu­ją­ce po­zy­cje li­te­ra­tu­ro­we:

  1. Pro­ce­sy mem­bra­no­we w prze­my­śle spo­żyw­czym, P. Kró­li­czak, T. Jan­kow­ski, Po­znań 2008
  2. Mem­bra­ny i tech­no­lo­gie mem­bra­no­we sto­so­wa­ne w ochro­nie śro­do­wi­ska, M. Hof­man, R. Pie­trzak
  3. Mem­bra­ny se­lek­tyw­ne i pro­ce­sy mem­bra­no­we, J. Cey­no­wa: Mem­bra­ny. Teo­ria i prak­ty­ka Z.1 /red R. Wódz­ki, 2003, s. 7–29. Fun­da­cja Roz­wo­ju Wy­dzia­łu Che­mii, UMK, To­ruń 2003