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:
- Procesy membranowe w przemyśle spożywczym, P. Króliczak, T. Jankowski, Poznań 2008
- Membrany i technologie membranowe stosowane w ochronie środowiska, M. Hofman, R. Pietrzak
- 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