Породица мембранске сепарације која се састоји од микрофилтрације (МФ), ултрафилтрације (УФ), нанофилтрације (НФ) и реверзне осмозе (РО) – функционише слично као серија сита, у распону од грубих до финих и који хватају честице све мање величине. На нивоу реверзне осмозе, међутим, термин "сито" више није довољан; он хвата јоне растворене у честицама воде величине само 0,1 нанометар. Да бисмо разумели разлике између ова четири типа мембрана, кључ није запамтити бројке о величини пора, већ схватити специфичну улогу коју свака мембрана игра у целокупном процесу третмана.
И. Основне разлике међу четири типа мембрана
Микрофилтрација (МФ): Са величином пора у распону од 0,1 до 10 микрометара, ово делује као сито за песак. Захвата суспендоване чврсте материје, бактерије и неке колоиде, али генерално не успева да задржи велике органске молекуле. Захтева најнижи радни притисак - само 1 до 2 бара (кг/цм²). Кроз њих пролазе растворене соли, протеини и вируси.
Ултрафилтрација (УФ): Са величином пора од 0,001 до 0,1 микрометар, ово функционише као сито за брашно. Може да ухвати вирусе, велике органске молекуле и колоидне честице, иако растворене соли и органска једињења мале молекулске тежине и даље пролазе. Радни притисак је 1 до 5 бара. Разлика између ултрафилтрације и микрофилтрације лежи у величини пора: микрофилтрација хвата веће честице, док ултрафилтрација хвата оне средње величине.
Нанофилтрација (НФ): Са величином пора од приближно 1 нанометар, ово представља облик фине филтрације. Може да ухвати двовалентне јоне (као што су калцијум, магнезијум и сулфат) као и поливалентне јоне, док дозвољава неким моновалентним јонима (као што су натријум и хлорид) да прођу. Оно што нанофилтрацију чини јединственом је то што се ослања и на просејавање на основу величине и на одбијање на бази наелектрисања. Површина мембране носи негативно наелектрисање, које снажно одбија двовалентне ањоне попут сулфата; сходно томе, нанофилтрација нуди селективно задржавање тврдоће воде и одређених соли. Радни притисак се креће од 5 до 15 бара.
Реверзна осмоза (РО): Овај процес се не ослања на конвенционални концепт „величине пора“; уместо тога, ради преко механизма дифузије раствора. Молекули воде могу продрети кроз густи активни слој полиамида, док су практично сви растворени јони, органска једињења и бактерије блокирани мембраном. Са стопом одбацивања соли од 95% до 99,5%, вода производа је скоро чиста. Радни притисци се крећу од 10 до 70 бара (кг/цм²), или чак и виши за десалинизацију морске воде. Међу четири типа мембранских процеса, реверзна осмоза (РО) нуди најтемељније одвајање – а такође је и најскупља.
ИИ. Слив: од „просијавања“ до „дифузије раствора“
Микрофилтрација (МФ) и ултрафилтрација (УФ) се ослањају на чисто физичко просејавање: честице веће од величине пора су блокиране, док оне мање пролазе. У принципу, ово се не разликује од употребе сита.
Нанофилтрација (НФ) заузима прелазни простор. Комбинује физичко просејавање (на основу величине пора) са електростатичким одбијањем од наелектрисања на површини мембране. Сходно томе, НФ показује много већу стопу одбацивања за двовалентне јоне (и катјоне и ањоне) него за моновалентне јоне. У поређењу са РО, НФ је енергетски ефикаснији и захтева нижи радни притисак за задатке као што су уклањање тврдоће, сулфата или боје; у поређењу са УФ, обезбеђује ефикасније одвајање.
Реверзна осмоза ради на другом принципу. Његов активни слој је толико густ да се поре не виде - чак ни под микроскопом. Молекули воде улазе у слој мембране кроз растварање, а затим дифундују на другу страну, вођени притиском. Пошто су растворљивост и брзина дифузије јона далеко нижа од оних код молекула воде, вода пролази кроз њу док соли остају иза. Ово је модел "раствор-дифузија" - концепт који се потпуно разликује од просејавања. Ово објашњава зашто РО постиже високе стопе одбацивања за скоро све растворене соли: не ради се о томе да су честице соли превелике да би могле да прођу кроз њих, већ да је њихова брзина растварања и дифузије унутар мембранског слоја изузетно ниска.
ИИИ. Хијерархијски односи у типичним токовима процеса
У практичним инжењерским апликацијама, МФ, УФ, НФ и РО се ретко користе изоловано; уместо тога, они се користе као вишеслојни, прогресивни одбрамбени систем.
Комбинација МФ/УФ праћена РО је најчешћа конфигурација. УФ производи ефлуент са индексом густине муља (СДИ) мањим од 3, који служи као предтретман за РО да би заштитио РО мембране од запрљања колоидима и честицама. Смањењем замућености и колоидног садржаја напојне воде, УФ значајно успорава пад флукса РО мембране. Сходно томе, многи пројекти поновне употребе индустријске воде и десалинизације морске воде користе процес са двоструком мембраном: ултрафилтрацију (УФ) праћену реверзном осмозом (РО).
Нанофилтрација (НФ) нуди већу флексибилност у погледу њене примене. Када пречишћена вода захтева уклањање специфичних јона - али не и потпуно десалинизацију - НФ је економичнији од РО. На пример, у омекшавању воде за пиће (уклањање тврдоће), НФ може задржати двовалентне јоне као што су калцијум и магнезијум, док дозвољава неким моновалентним јонима да прођу, чиме се чувају одређени минерали. Друге примене, као што је деколоризација отпадних вода текстила/бојењем или одвајање натријум сулфата од натријум хлорида у хемијској отпадној води, користе селективне способности задржавања НФ-а који РО недостаје.
Микрофилтрација (МФ) се обично користи или као замена за традиционалну филтрацију песка или као компонента мембране у процесу мембранског биореактора (МБР). У МБР систему се користе МФ или ултрафилтрационе (УФ) мембране за постизање потпуног одвајања активног муља из воде; ово резултира ефлуентом са изузетно ниским садржајем суспендованих чврстих супстанци (СС), елиминишући потребу за секундарним таложником.
ИВ. Разлике у притиску и потрошњи енергије
МФ и УФ раде на притисцима испод 5 бара, што резултира веома ниском потрошњом енергије, првенствено помоћу пумпи напојне воде. НФ ради на притисцима између 5 и 15 бара, уз умерену потрошњу енергије. РО захтева високе радне притиске, што доводи до нивоа потрошње енергије неколико до десетина пута виших од оних код друга три типа мембрана. Пумпе високог притиска су примарни потрошачи енергије у РО систему, који чине 60% до 80% укупне потрошње енергије.
Стога, приликом одабира технологије мембранске сепарације, мора се узети у обзир не само циљни квалитет воде, већ и спремност да се сносе енергетски трошкови потребни да се то постигне. Ако је циљ једноставно уклањање суспендованих чврстих материја и бактерија, довољан је МФ. Ако је потребно уклањање великих органских молекула и вируса, УФ је адекватна. За апликације које укључују омекшавање воде (уклањање тврдоће) или одвајање соли, НФ је идеалан избор. Ако ефлуент захтева стопу десалинизације од преко 95% или ако је вода намењена за поновну употребу као пречишћена вода, РО је неопходан.
В. Разлике у прљању и чишћењу мембране
Прљање у МФ и УФ мембранама је првенствено органске или биолошке природе. Због веће величине пора, честице имају тенденцију да формирају слој "филтерског колача" на површини мембране; у већини случајева, флукс у мембрани може се у великој мери обновити чишћењем ваздуха и испирањем водом. Загађивање мембране у нанофилтрацији (НФ) и реверзној осмози (РО) је далеко сложеније, укључујући комбинацију четири различита механизма: неорганско стварање каменца, органско зарастање, биообраштање и концентрацијску поларизацију. Једном када се РО мембрана зачепи каменцем од калцијум карбоната или калцијум сулфата, често је тешко обновити хемијским чишћењем на лицу места; у тешким случајевима, мембрана се мора потпуно заменити.
Међу четири типа мембрана, РО има најстроже захтеве за квалитет напојне воде. Параметри као што су индекс густине муља (СДИ), замућеност, резидуални хлор, садржај гвожђа и мангана, тврдоћа, нивои силиката и микробна активност морају се држати у веома уским границама. Због тога је дизајн система за предтретман још критичнији од избора саме мембране – ако је предтретман неадекватан, чак и најквалитетнија РО мембрана ће пропасти у року од шест месеци.
ВИ. Практична правила за избор мембране
Када бирате између микрофилтрације (МФ) и ултрафилтрације (УФ), размислите шта треба да уклоните. Ако је захтев за суспендоване чврсте материје (СС) испод 1 мг/Л и СДИ испод 5, довољан је МФ. Ако вам је потребан СДИ испод 3 и ефикасно уклањање бактерија и вируса, одлучите се за УФ.
Када бирате између НФ и РО, размислите да ли треба да задржите одређене соли. Ако желите да уклоните калцијум и магнезијум уз задржавање мало натријума и калијума, изаберите НФ. Ако треба да уклоните све растворене соли - на пример, да бисте произвели чисту воду - изаберите РО. Ако је циљ да се одвоје моновалентне соли од двовалентних соли, НФ је једина одржива опција.
Избор величине и типа пора мембране не би требало да се заснива на тврдњама произвођача о томе „колико је отпадна вода чиста“, већ на специфичним захтевима за квалитет воде за вашу низводну примену. За допунску воду расхладног торња УФ може бити довољна; за напојну воду за котлове, међутим, комбинација РО и измењивача јона са мешовитим слојем је неопходна. На крају крајева, специфични захтеви крајње употребе диктирају избор мембране.
У мембранској технологији, мања величина пора или већа стопа одбацивања соли нису нужно бољи. Прекомерно пречишћавање доводи до непотребних капиталних улагања и веће потрошње енергије. Права стручност лежи у одабиру правог алата за конкретну примену, уместо да се једноставно одлучите за „најнапреднију“ технологију.
