Tlakové membránové procesy ve vodním hospodářství

24. 4. 2014

Standardní metody úpravy pitné vody , jako jsou změkčení vápnem, desinfekce chlorem, koagulace a filtrace jsou již časem prověřené a spolehlivé, nedokáží však reagovat na změněnou kvalitu surové vody (např. přítomnost pesticidů, farmaceutik apod., se kterými se původně při návrhu úpravny nemohlo počítat). V tomto stále více nacházejí uplatnění membránové procesy , zejména ultrafiltrace, nanofiltrace a reverzní osmóza.

Membránové systémy umožňují např. fyzikální desinfekci vody na základě sítové filtrace organismů, které jsou větší než velikost pórů membrán. Menší částice prochází membránou do filtrátu tzv. permeátu. Je tak možná např. desinfekce bez použití chemických činidel. Určení velikosti pórů a jejich rozložení na povrchu membrány je důležitým faktorem pro účinnost odstranění sledovaného polutantu – viz Obr. 1.

Ucpávání a čištění membrán

Ucpávání membrán může probíhat prostřednictvím série fyzikálně-chemických a biologických mechanizmů. Ty způsobují zvýšené ukládání pevných částic na povrchu a ve struktuře membrány. Obecně lze rozdělit typy ucpávání membrán na scaling a fouling a biofouling. Scaling představuje ucpávání v důsledku složení filtrovaného média, ze kterého krystalizují minerální látky na povrchu membrány a blokují tak průchod. Obvykle se dá odstranit působením kyseliny. Fouling představuje fyzikální ucpávání pórů částicemi. Biofoulingem rozumíme tvorbu biofilmů nebo vrstvy extracelulárních polymerů na povrchu membrány. Takto ucpané membrány se čistí pomocí působení oxidačních činidel, kdy nejčastěji se volí slabé roztoky chlornanu sodného. U některých typů membrán se využívá i pravidelného zpětného proplachu filtrátem, čímž se výrazně prodlužuje interval chemického čištění.

Mikrofiltrace a Ultrafiltrace

Mikrofiltrace (MF) a Ultrafiltrace (UF) jsou procesy založené na principu mechanické separace nerozpuštěných a koloidních látek, bakterií, řas a obecně zákalu. Pomocí UF se dají separovat i proteiny a polymerní látky s dlouhými řetězci. Zároveň slouží i jako vhodný způsob předčištění pro desalinační technologie, jako jsou reverzní osmóza a nanofiltrace.

MF se vyznačuje proti UF větší velikostí pórů membrán. Udávaný rozsah pórů mikrofiltračních membrán je 0,05 – 10 µm. Hnací silou filtrace je rozdíl tlaků na membráně, který se pohybuje od 0,2 do 3,5 bar a může být buď důsledkem působení tlaku na straně filtrovaného média, nebo vytváření podtlaku na straně filtrátu. Typický flux mikrofiltračních membrán je obvykle větší než 200 l•m ^-2 •h ^-1 . Mikrofiltrační membrány jsou vyráběny v široké škále polymerních materiálů (PTFE, PVDF, PP, PE, PS, CA,…) a keramiky (α-Al ₂ O  ₃ ). Nejčastější aplikace MF jsou v potravinářství, čištění a úpravě vody včetně separace biomasy od vyčištěné vody v tzv. membránových bioreaktorech často označovaných jako MBR.

Pro ultrafiltrační membrány se póry pohybují od 1 do 50 nm, ale mnohem častěji se uvádí tzv. MWCO (Molecular Weight Cut Off) od 5 kDa do 5000 kDa. Tato hodnota udává nejmenší molekulovou hmotnost testovacího polymeru, který je z 90 % zadržen na membráně. Pro správný návrh UF se volí membrána s polovičním nebo nižším MWCO, než je molekulová hmotnost látek, které chceme efektivně odstraňovat. Tabulka 1 udává přibližný poměr mezi MWCO a velikostí pórů. MWCO není možné jednoduše převést na délkový rozměr, je s ním však v dobré korelaci.

Ultrafiltrační membrány jsou vyráběny v široké škále polymerních materiálů (PVDF, PES, CA,…) a keramiky (α- a g-Al ₂ O  ₃ ). Aplikované tlaky se pohybují v rozmezí 1-10 bar. Typický flux těchto membrán je obvykle v rozmezí 5-200 l•m ^-2 •h ^-1 . Aplikace UF jsou stejné jako u MF a navíc je využitelná na separaci olejových emulzí, snižování CHSK v odpadních vodách, čištění odpadních vod z povrchových úprav kovů, papírenského průmyslu, zakoncentrování vaječných bílků, atd.

Nanofiltrace a reverzní osmóza

Nanofiltrace (NF) se pohybuje na pomezí ultrafiltrace a  reverzní osmózy . Typická velikost pórů je 2 nm. Nanofiltrace je efektivní metoda pro separaci vícevalentních iontů (Ca ²⁺ , Mg ²⁺ , SO ₄ ^2- , organických barviv apod.)

Membrány jsou vyráběny z kompozitních polymerů (CA, PA a PVA). Pro provozní aplikace se používají prakticky pouze spirálně vinuté moduly s délkou ca 1 m a průměrem 4, 8 nebo 16 palců. Typický flux nanofiltračních membrán se pohybuje 20-80 l•m ^-2 •h ^-1 . Aplikace se zaměřují na odstraňování nebo zakoncentrování barviv, změkčování vody (separace Ca ²⁺ a Mg ²⁺ ) a snižování koncentrací SO ₄ ^2- . Obvykle se uplatňuje tam, kde UF nemá dostatečnou rejekci polutantu, ale RO již není ekonomická. Typickým příkladem uplatnění nanofiltrace je výroba pitné vody na Floridě (USA) – viz Obr. 6.

Reverzní osmóza (RO) je jedním z řady membránových procesů, využívajících k separaci látek rozpuštěných v kapalině semipermeabilní membránu, která je propustná pro vodu a zachycuje mikroorganismy, koloidy, ionty rozpuštěných solí i molekuly organických látek. Princip je znázorněn na Obr. 7.

Aplikované tlaky jsou až 80 bar. Průměrný flux se pohybuje v rozmezí 5-40 l m ^-2 h ^-1 , podle kvality filtrovaného média. Aplikace jsou hlavně na odsolování brakických a mořských vod, příprava velmi čisté vody pro laboratoře, farmaceutický průmysl, chemický průmysl, výroba polovodičových součástek, potravinářský průmysl – výroba koncentrátů, napájecí vody pro teplárny a elektrárny, apod.

Závěr

Rychlý vývoj membránových procesů , jejich klesající investiční i provozní náklady a schopnost dosahovat výborné kvality permeátu při minimální produkci odpadních proudů a kalů, menší spotřeby chemikálií, automatický provoz a možnost pružně reagovat na změny v produkci jsou skvělými předpoklady pro široké uplatnění nejen v oblastech s nedostatkem pitné vody, ale také u nás a to především v průmyslových aplikacích a menších úpravnách.

Ing. Ondřej Škorvan

Tento článek byl již v plném znění publikován ve sborníku k seminářům ASIO, spol. s r.o. „Separační procesy … aneb síta, bublinky a zemská tíže“ (říjen,listopad 2013).