Rys. 1. Bilans zasobów wody na Ziemi (Bodzek M, Konieczny K; 2005

Tab. 1. Charakterystyka membranowych procesów separacji stosowanych w inżynierii środowiska (Bodzek M., Bohdziewicz J., Konieczny K., 1997)

Woda stanowi podstawę życia i jest zasadniczym czynnikiem kształtującym środowisko naturalne. Pokrywa ona 70% powierzchni Ziemi, jednak jej rozmieszczenie na kuli ziemskiej jest nierównomierne. Zasoby wody pitnej maleją z roku na rok. Na ubytek wody cierpi, jak podaje Bank Światowy, aż 40% ludności. Jej jakość pogarsza się, natomiast zapotrzebowanie rośnie szybciej niż kiedykolwiek wcześniej (Rys. 1.).
Użycie półprzepuszczalnych membran pozwala na oddzielenie cieczy, gazów, cząstek i/lub substancji rozpuszczonych bez konieczności użycia energii cieplnej.

Technologia membranowa ma bardzo duże znaczenie na rynku:

• procesów chemicznych,
• farmaceutycznym,
• żywieniowym, szczególnie w obszarze oczyszczania i uzdatniania wody. 

Zalety stosowania membran to przede wszystkim:

• możliwość odzysku wody zdatnej do picia z procesów oczyszczania ścieków,
• uzyskanie wody wysokiej klasy czystości wymaganej w procesach technologicznych,
• możliwość łączenia ich z innymi procesami – układy hybrydowe.

Fot. 1. Farbiarnia dzianin tkanin w Sieradzu http://www.farbiarniasira.pl/

Fot. 2. Mleczarnia WART-MILK

 

Techniki membranowe w zakładach przemysłowych
Przemysłowe zastosowania metod membranowych jest dość powszechne w sektorze spożywczym i mleczarskim, w przetwórstwie chemicznym, w przemyśle celulozowo-papierniczym oraz w farbiarniach. Membrany służą również odsalaniu wody morskiej i zamykaniu obiegów wodnych w galwanizerniach (Tab. 1.).
 

Procesy membranowe w fabryce włókienniczej i farbiarni
Nanofiltracja to znana i skuteczna metoda separacji zanieczyszczeń z wody, pozwalająca na zamknięcie obiegu wody używanej w zakładach włókienniczych i farbiarniach. Pozostałe po procesie nanofiltracji skoncentrowane mieszaniny barwników i substancji pomocniczych w ściekach usuwane są za pomocą metod biologicznych. W celu skutecznego i wydajnego zamknięcia obiegu wody w farbiarniach łączy się techniki membranowe (NF) z metodami biologicznymi. Ścieki powstające w wyniku barwienia dzianin, po procesie filtracji zostają zawrócone do procesu barwienia różnych tkanin. Wskaźnik objętości, efektywność filtracji i trwałość membrany zależy od wielu parametrów takich jak temperatura, ciśnienie, pH przesączu i jego skład chemiczny (Rys. 2.).

 

pH= 10	pH= 4
Fot. 3. Membrany po procesie filtracji przy różnych wartościach pH (J. Sojka-Ledakowicza, R.Zylla ; Desalination 250 (2010) 634–638)

Najlepsze wyniki nanofiltracji zostały uzyskane w zakresie pH 7-10 i i temperaturze poniżej 60 °C.

Odsalanie wody odwróconą osmozą
Woda odsolona zawiera mniej niż 500 mg/L substancji rozpuszczonych i nadaje się do zastosowań domowych, przemysłowych i rolniczych (Rys. 3.).

Zalety stosowania procesu odwróconej osmozy do odsalania wody morskiej i słonawej:

• membrany pracują w szerokim zakresie pH oraz przy wysokich temperaturach, przez co są odporne,
• koszty instalacji są niskie, • technologie RO mogą być stosowane do usuwania zanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych,
• zużycie chemikaliów do procesu jest małe.

Rys. 2. Zależność współczynnika filtracji od temperatury: pH = 10, przepływ 2 dm3/h, ciśnienie 15 bar (Sojka-Ledakowicza J., 2010)	Rys. 3. Proces odsalania wody morskiej (http://www.wodadlazdrowia.pl/pl/9293/0/Hamma.html)

 

Fot. 4. Zaklad Hamma Seawater Desalination w Algierii (http://www.wodadlazdrowia.pl/pl/9293/0/Hamma.html)

Istotne znaczenie w metodzie RO odgrywa:

• źródło i jakoś wody zasilającej,
• trwałość membran,
• wysokie ciśnienie pomp.

Zmiękczanie wody nanofiltracją
Woda wysokiej jakości charakteryzuje się wysokim stopniem twardości. Zgodnie z przepisami woda do picia powinna mieć twardość 60–500 mg CaCO3/l.
Zmiękczanie wody na ogół polega na usunięciu jonów twardości, w szczególności wapnia i magnezu (Rys. 4). Ponieważ są to jony wielowartościowe, usuwane są preferencyjnie przez membrany NF.

W wyniku nanofiltracji możemy uzyskać:

• z wód miękkich i mało twardych, Tog ok.< 200 mg CaCO3/l
• z wód bardzo twardych i twardych, Tog > 300 mg CaCO3/l

Zalety stosowania systemu nanofiltracji do zmiękczania wody:

• obniżenie barwy i mętności,
• zmiękczanie wody, bez użycia soli,
• minimalny koszt oczyszczania końcowego,
• niewielkie koszty energii,
• selektywna separacja substancji powodujących twardość wody.

Membrany w przemyśle celulozowo-papierniczym
Papiernictwo wymaga dużych ilości wody, gdyż ma ona kluczowe znaczenie dla produkcji papieru. Zużycie świeżej wody w fabryce papieru zróżnicowane jest w zależności od rodzaju produkowanego papieru, jak również wieku
maszyny papierniczej.

Rys. 4. Schemat procesu zmiękczania wody metodą nanofiltracji (Gorenflo A., Valazquez-Padron D., Frimmel F.H., Desalination, 151 (2002) 253-265)

 Cel filtracji membranowej w przemyśle celulozowo-papierniczym:

• obniżenie wartości ChZT i BZT,
• usunięcie kolorowych substancji ściekowych, odprowadzanych z celulozy i papieru.

Fot. 5. Dzięki technologii oczyszczania ścieków i uzdatniania wody, szanse na zamykanie obiegów wodnych w zakładach są coraz większe

Zalety stosowania technologii separacji w sekcji papierni:

• oszczędności energii,
• zmniejszenie emisji dwutlenku węgla i działania próbki,
• usuwanie szkodliwych substancji pozwalające uniknąć rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń.

* * *

Wykorzystanie wody przez człowieka jest niezbędne dla biologicznego przetrwania. Oprócz wody pitnej, wymagana jest również woda dobrej jakości dla potrzeb gospodarstw domowych, dla rolnictwa oraz dla przemysłu. Technologia membranowa zyskała bardzo duże znaczenie w ochronie środowiska – jest szeroko stosowana do zamykania obiegów wodnych. Metody membranowe znalazły zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu do oczyszczania ścieków, jak również do uzdatniania wody w energetyce, zamykania obiegów wodnych w galwanizerniach.

Literatura

1. Bodzek M., Konieczny K., Wykorzystanie procesów membranowych w uzdatnianiu wody. Oficyna Wydawnicza, Projprzem-EKO, Bydgoszcz 2005,
2. Bodzek M., Bohdziewicz J., Konieczny K., Techniki membranowe w ochronie środowiska, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 1997,
3. Downing L, and Squires R.C., Crossflow filtration, British Patent, No. WO86105413, 1986,
4. Bodzek M., Konieczny K., Procesy membranowe i ich zastosowanie w uzdatnianiu wody dla energetyki, Inżynieria i Ochrona Środowiska 1/1998,
5. Stephenson T., Judd S., Jefferson B. and Brindle K., Membrane Bioreactors for Wastewater Treatment, IWA Publishing, London 2000,
6. De Boer R., Hiddink J., Membrane proceses in the dairy industry. State of the art, Desalination, 35, 1980, 168-192,
7. Verenich S., Laari A., Kallas J., Wet oxidation of concentrated wastewaters of paper mills for water cycle closing, Waste Management 20, 2000, 287-293,
8. Sojka-Ledakowicza J., Zylla R., Mrozinska Z., Pazdzior K.,Klepacz-Smolka A., Application of membrane processes in closing of water cycle in a textile dye-house, Desalination 250, 2010, 634–638.

 

Autor: Ewa Puszczało, Politechnika Śląska, Instytut Inżynierii Wody i Ścieków
Artykuł został opublikowany w magazynie "Chemia Przemysłowa" nr 1/2013
Fot.: BMP’