Charakterystyka procesu nanofiltracji

Nanofiltracja jest przykładem procesu membranowego, służącego do oczyszczania ciekłych mieszanin. Separacja składników odbywa się w trakcie przepływu próbki przez odpowiednio dobraną membranę, nazywaną także błoną półprzepuszczalną. Siłą napędową tego procesu jest różnica ciśnień po obu stronach membrany. Wielkość cząstek odseparowanych podczas procesu nanofiltracji mieści się w przedziale od 10(-1) do 10(-3) μm. To powoduje, że w klasyfikacji metod rozdziału, biorąc pod uwagę rozmiar rozdzielanych molekuł, nanofiltracja jest usytuowana między ultrafiltracją a odwróconą osmozą.

Najczęściej wykorzystywanym materiałem filtracyjnym w nanofiltracji są zwarte membrany nanofiltracyjne, których rozmiary porów nie przekraczają 2 nm. Szczególną cechą tych membran jest ich jonoselektywność. Dodatkowo obecność grup funkcyjnych, znajdujących się na lub w membranie, determinuje powstanie powierzchniowego ładunku elektrycznego, a to wpływa na retencję związków zjonizowanych oraz ujemnie naładowanych. Wyróżnia się membrany kationo- i anionoselektywne. Cząsteczki zatrzymywane na membranie to m.in.: jony wielowartościowe, małocząsteczkowe związki organiczne i nieorganiczne, a także bakterie i wirusy. Należy pamiętać, że jony jednowartościowe oraz cząsteczki wody nie zostaną zatrzymane. Szacuje się, że na filtrach nanofiltracyjnych możliwa jest retencja cząsteczek o masach molowych od ok. 150 do 500 Da. Proces nanofiltracji prowadzony jest w układzie krzyżowym. Roztwór zasilający przepływa stycznie do powierzchni membrany. Pozwala to na zmniejszenie blokowania powierzchni membrany przez osad czynny. Po oddzieleniu składniki gromadzą się na powierzchni membrany w formie placka filtracyjnego, skąd są usuwane. Aby zapewnić skuteczniejsze działanie membran nanofiltracyjnych, zaleca się, aby za każdym razem przeprowadzać wstępne oczyszczanie próbek wodnych, szczególnie tych z dużą zawartością zawiesin łatwoopadających. Do najczęściej stosowanych metod wytwarzania membran nanofiltracyjnych należą metoda inwersji faz (strącenie polimeru z roztworu homogenicznego na powierzchni warstwy nośnej) oraz metoda nakładania cienkich warstw polimeru na strukturę makroporowatą. Membrany pracują zwykle pod ciśnieniem od 0,55 do 1,7 MPa.

Wykorzystanie techniki nanofiltracji niesie za sobą szereg korzyści, takich jak: praca z niskimi ciśnieniami roboczymi, możliwość osiągnięcia wysokiej retencji wielowartościowych soli anionowych i organicznych, a także znaczne wyeliminowanie zużycia odczynników chemicznych. Ponadto stosunkowo niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne oraz możliwość automatyzacji całego procesu powodują, że nanofiltracja jest coraz chętniej wybierana do licznych zastosowań środowiskowych i przemysłowych.

Optymalizacja procesu nanofiltracji

Przeprowadzając proces nanofiltracji, należy pamiętać o kilku ważnych aspektach, gdyż jest on niezwykle złożony. Właściwości fizykochemiczne membrany oraz odseparowanych zanieczyszczeń, decydują o charakterze występujących w trakcie nanofiltracji zjawisk, a także wpływają na mechanizm rozdziału i transportu masy. Przede wszystkim trzeba rozważyć zasadność wykorzystania tej techniki do wybranej mieszaniny ciekłej. Istotną kwestią jest znajomość molekuł wchodzących w jej skład oraz cel zastosowania nanofiltracji, ponieważ nie wszystkie ze składników chemicznych są zatrzymywane na membranach. Podczas procesu należy brać pod uwagę pH mieszaniny oczyszczanej. Jako przykład można podać proces oczyszczania wód podziemnych z arsenu w postaci związków chemicznych. Forma występowania tego pierwiastka (szczególnie w przypadku arsenianów [III]) jest silnie uzależniona od wartości pH, a co za tym idzie – zmienia się wartościowość i wielkość danej molekuły (nanofiltracja zapewnia wysoką retencję jonów wielowartościowych i znacznie niższą jonów jednowartościowych).

Najistotniejszym zagadnieniem w procesie optymalizacji procesu nanofiltracji jest właściwy dobór membrany. Jej wydajność oraz selektywność w dużej mierze uzależniona jest od materiału, z którego składa się jej struktura. Równie ważnym zagadnieniem jest jej wytrzymałość termiczna i mechaniczna. Membrana nanofiltracyjna zbudowana jest z kilku warstw. Górna (zewnętrzna) wykazuje wysoką selektywność w stosunku do wybranych składników, natomiast dolna (zewnętrzna) stanowi stelaż, który odpowiada za wytrzymałość całego elementu. Membrany nanofiltracyjne wytwarzane są najczęściej w sposób syntetyczny, z materiałów organicznych, takich jak: octan celulozy, polietylen, polipropylen, politereftalan, poli(fluorek winylodienu), poliwęglan lub poliamid. Dostosowanie membrany do warunków filtracji wpływa korzystnie na jej żywotność. Jako przykład można podać błonę filtracyjną na bazie octanu celulozy, której żywotność może wynieść nawet 3 lata, jeżeli wartość pH roztworu zasilającego będzie utrzymana poniżej 6,5. Można też zastosować membranę np. z poliamidu, co prawda o mniejszej trwałości niż ta z octanu celulozy, ale za to pozwoli ona na wydajniejsze filtrowanie, dzięki zwiększeniu prędkości filtracji spowodowanej luźniejszą strukturą poliamidu. Zawsze warto także zapoznać się z zakresem temperatur niepowodujących degradacji oraz informacjami na temat odporności na utleniacze.

Najważniejsze zastosowania i perspektywy

Zastosowanie nanofiltracji obejmuje trzy główne cele:

1) frakcjonowanie, czyli rozdział mieszaniny na co najmniej dwa składniki,

2) usunięcie nadmiaru rozpuszczalnika z rozcieńczonego roztworu, czyli zatężenie pożądanej substancji,

3) wyeliminowanie przeszkadzających zanieczyszczeń z próbek różnego pochodzenia.

Jednym z najważniejszych zastosowań nanofiltracji jest oczyszczanie i regeneracja wody i ścieków. Tą techniką oczyszczane są wody przeznaczone do spożycia, do celów gospodarskich, a także ścieki przemysłowe. Konwencjonalne metody oczyszczania nie gwarantują usunięcia szeregu, specyficznych składników, które bardzo często wykazują aktywność biologiczną wpływającą niekorzystnie na jakość wody zarówno pod względem fizykochemicznym, jak i toksykologicznym. Przykładem takich substancji są związki o aktywności farmaceutycznej. W wyniku niedostatecznego oczyszczenia ścieków przedostają się do wód gruntowych, w których są wykrywane, a w szczególnych przypadkach – nawet do wody pitnej. Wykorzystanie nanofiltracji do oczyszczania ścieków w dużej mierze rozwiązuje ten problem. Poza oczyszczaniem ścieków z wykorzystaniem nanofiltracji oczyszcza się wodę, która jest przeznaczona do spożycia. Polega to głównie na jej odsalaniu (zatrzymywaniu na membranie jonów, zwłaszcza nieorganicznych), zmiękczeniu, usunięciu barwy, bakterii i wirusów.

W procesach przemysłowych nanofiltrację wykorzystuje się do oczyszczania ścieków poprodukcyjnych (np. w przemyśle tekstylnym) i celulozowych, a także wstępnego przygotowania komponentów do procesów przemysłowych, np. wody o wymaganym składzie do przerobu skór. Tą techniką przeprowadza się również uzdatnianie wody produkcyjnej i zazwyczaj stanowi to jeden z etapów takiego oczyszczania. Innym celem stosowania nanofiltracji w przemyśle jest odzysk niektórych substancji, np. środków powierzchniowo-czynnych, laktozy lub protein z serwatki. Po odpowiedniej regeneracji mogą następnie być kolejny raz wprowadzone do cyklu produkcyjnego. Techniką nanofiltracji otrzymuje się też ultraczystą wodę do specyficznych zastosowań.