1 1.Filtrarea prin membraneIn domeniul tratării apelor, filtrarea prin membrane reprezintă tehnica cu cel mai scăzut cost de exploatare utilizată pentru înlăturarea particulelorşi a sărurilorminerale din apă.Filtrarea prin membrane este un procedeu fizic, utilizat pentru separarea particulelor, prin intermediul unor membrane semipermeabile. Membrana semipermeabilăeste o membrană realizată dintr-un film compozit care constă în 3 straturi: o plasă de suport din poliester, un interstrat sulfonat microporos şi un strat barieră de poliamidă aromatică ultrasubţire situat la suprafaţă. Porii membranei au un diametru ce reprezintă a zecea mia parte dintr-un micron, adică mărimi microscopice care fac imposibilă trecerea bacteriilor, viruşilor, elementelor radioactive şi a altor impurităţi. Comparativ cu diametrul porilor membranei, dimensiunile celei mai mici bacterii sunt de 0,2 microni, iarmărimea celui mai mic vi rus este de 0.02 microni. 1.1. Membrane şi procese de membranăIn cadrul proceselor de separare, pe lânga procesele clasice de separare (distilarea, rectificarea, extracţia, schimbul ionic, filtrarea, centrifugarea, sedimentarea), au apărut o serie de alte proc ese, cunoscute ca procese demembrană. Procesele de membrană au cunoscut, incepand cu anii '70, o dezvoltare spectaculoasa, utilizandu-se la nivel industrial in domenii cum ar fi: tratarea apelorreziduale, te hnologiile medicale, industria chimică. Ev oluţia rapidă şi d iversă a acestor tehnologii a fost posibilă da torită punerii la punct a tehnicilor experimentalede preparareşi caracterizare a membranelor. Un sistem complex format dintr-un solvent în care se găsesc dizolvate specii chimice ionice, molecule şi macromolecule şi dispersate macromolecule, agregate moleculare şi particule, poate fi separat în componente p rin procese membranare. Datorită gamei largi de utilizări a acestora se evidenţiază cinci importante procese membranare (microfiltrarea, ultrafiltrarea, osmoza inversă, dializa şi electrodializa) care acoperă întregul domeniu de mărimi de particu le de separate. După c um se observă din tabelul 1.1, microfiltrarea, ultrafiltrarea, nanofiltrarea şi osmoza inversa au ca forţa motrice diferenţa de presiune, acestea numindu -se procese de baro membrană.
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Procesele de baromembrană ocupă primul loc în gama aplicaţiilor industriale.
Aceste procese sunt de obicei încadrate în categoria tehnicilor de filtrare înaintată.
Astfel, osmoza inversa este similară unei deshidratări prin hiperfiltrare, ultrafiltrarea
seamană cu tehnicile de concentrare, purificare şi fracţionare a macromoleculelor sau
dispersiilor coloidale, iar microfiltrarea este consacrată în separarea suspensiilor.Practic fiecare proces membranar se poate constitui într-o alternativă viabilă pentru
alte procese de separare.
Tabel 1.1 Procesele membranare şi caracteristicile lor
Membranele omogene se obţin din materiale care nu permit formarea de
structuri asimetrice sau compozite şi sunt destinate unor aplicaţii care
utilizează morfologii membranare anizotrope sau care nu necesită valori mari ale
fluxurilor de produs.
Structura membranară influenţează criteriile de selectare a materialelor membranare, constituind factorul esenţial în mecanismele de separare şi transport.
Membranele poroase , materiale care conţin goluri de dimensiuni mult mai mari
decât dimensiunile moleculare, conform clasificărilor internaţionale, pot fi
membrane macroporoase, mezoporoase şi microporoase, după cum mărimea porilor
este mai mare de 50 nm, cuprinsă între 50 si 2 nm şi respectiv mai mică de 2 nm.
Procesul de transport al speciilor chimice prin acest tip de membrane, având ca forţă
motrice gradientul de presiune, concentraţie sau potential electric, are loc prinsistemul de pori printr-un mecanism de curgere capilară.
Membranele neporoase nu posedă pori detectabili microscopic, acestea fiind
asimilate, din punct de vedere structural, cu un solvent imobil pentru moleculele
supuse transportului. Procesul de transport prin membranele de acest tip se
efectuează printr -un mecanism de solubilizare-difuzie, speciile chimice se dizolvă şi
difuzează în interiorul membranei sub acţiunea gradientului de concentraţie şi/sau de
presiune. Un factor important în procesul de transport prin membranele neporoase îl
constituie interacţia dintre faza fluidă şi membrană. Ca urmare a procesului de
interacţie, membrana se poate gonfla în fluid sau poate fi complet dizolvată.
Reprezentatrea schematică a structurilor membranare este prezentată in figura 2.4.
Fig. 1.2 Structuri membranare
Exemplificari:
) Membranele de microfiltrare se prepară din soluţii polimerice de concentraţii
10% si 12% prin dizolvarea poliacrilonitrilului in 1-metil-2-pirolidonă. Soluţiile sunt
depuse pe un suport textil şi precipitate prin imersare intr-o baie de apă.
Membranele se păstrează intr -o soluţie de condiţionare de 7-10% glicerină şi sunt
caracterizate prin metode fizico-chimice. Aceste membrane au o structură asimetrică.
) Membranele de ultrafiltrare se prepara din soluţii polimerice deconcentraţie 15% poliacrilonitril in N-metilpirolidonă şi au de asemenea o structură
asimetrică.
) Membranele de osmoză inversă se prepară prin tehnica inversiei de fază, din
soluţii polimerice de concentraţii 25, 27 şi 30% acetat de celuloză in acetonă, in
prezenţa formamidei ca aditiv. Soluţiile polimerice se depun pe un suport neţesut.
1.4. Procesele de membrană şi forţa motrice necesară Asa cum a fost definită anterior, o membrană poate fi considerata simplu, ca o
barieră între două faze. Prin aplicarea unei forţe motrice de-a lungul acesteia are loc
un transport de materie (flux) din faza numită donor spre faza numită acceptor.
Separarea unor specii chimice faţă de altele are loc atunci când fluxurile
acestora prin membrană sunt diferite. O reprezentare simplă a acestui proces
este reprezentat în figura 1.3.
Forţa motrice într -un astfel de proces de separare poate fi diferenţa(gradientul) de concentraţie, diferenţa de potenţial electric sau diferenţa de presiune.
Atunci când forţa motrice este diferenţa de concentraţie (ΔCi)/ diferenţa de
presiune pe o distanţă Δx, transportul compusului i poate fi estimat prin legea
lui Fick/ Hagen- Poiseuille, care măsoară fluxul de masă (Ji)/(Jv) al compusului i în
unitatea de timp, funcţie de diferenţa de concentraţie / diferenţa de presiune şi
coeficientul de difuziune Di / rezistenţa hidrodinamică Lp specific compusului i în
mediul în care este transportat. În tabelul 1.2 suntprezentate procese de membrană,
for ţele motrice specifice şi procedeul tehnologic la care pot fi aplicate.
Fig. 1.3. Reprezentarea unui proces de separare bazat pe o membrană
b. pentru o concentraţie constantă şi masă molară dată, presiunea
osmotică variază cu temperatura conform legii lui Gay-Lussac:
c. pentru temperatură constantă şi concentraţie constantă, presiuneaosmotică este invers proporţională cu masa molară a soluţiei.
Cele trei legi sunt conţinute în legea Van’t Hoff: presiunea osmotică a unei
soluţii este egală cu presiunea pe care ar exercita-o substanţa dizolvată dacă ar fi în
stare gazoasă şi ar ocupa un volume egal cu al soluţiei.
Relaţiile sunt identice cu ecuaţia de stare a gazelor ideale: v este volumul
soluţiei, n este numărul molilor de substanţă dizolvată, μ masa molară şi m – masa
solvitului. Ele pun în evidenţă faptul că presiunea osmotică a unei soluţii nu
depinde de natura particulelor ci numai de concentraţie, temperatură şi masa
molară a soluţiei. În plus, ea permite determinarea masei molare pe baza
măsurării presiunii osmotice.
Presiunea osmotică, π, este definită prin legea lui van't Hoff cu formula (2.5),care este identică cu formula presiunii unui gaz ideal:
π = cRT (2.5)
unde: c ( c = m/ μ, m – masa solvitului, μ - masa molară) este concentraţia molara a
soluţiei, R = 8310 J/kmolK, este constanta universală a gazului ideal, şi T este
temperatura pe scară absolută (grade Kelvin).
De exemplu, apa care conţine 33g/l clorură de sodiu (NaCl), tipic pentru apa
de mare, are o concentraţie ionică c=1,128mol/l. Înlocuind această valoare înformula X.1 pentru temperatura ambientală de T = 300 K, presiunea osmotică va fi:
“Semi-permeabilitatea ” membranei se traduce prin faptul ca aceasta permitetrecerea unor anumite substanţe şi nu permite trecerea altora. Primul material folosit
la confecţionarea membranelor semi-permeabile a fost acetatul de celuloză, obţinut
în condiţii speciale (celofan cu calităţi speciale). Ulterior s-au obţinut şi membrane
semipermeabile din materiale polimerizate stabile (poliamide, esteri micşti de acetat
– butirat de celuloză, amestecuri de acetat şi nitrat de celuloză, ş.a.). În prezent
se obţin membrane ce permit o eliminare a substanţelor dizolvate, mai ales a
speciilor ionice, în proporţie de 95-99%.Membranele folosite în separarea prin osmoză sunt foarte subţiri (0,2 µm) şi
au o fragilitate ridicată. Membranele utilizate în osmoza inversă sunt supuse la
diferenţe mari de presiune de 20 – 100 bar, ceea ce determină dificultăţi deosebite la
realizarea instalaţiilor practice care trebuie să aibă o bună etanşeitate, o structură
compactă, durabilitate mare şi să evite colmatarea şi polarizarea de concentraţie.
Membrana semipermeabilă este constituită din diferite straturi de fibre
speciale, de diferite tipuri şi configuraţii (spirală, fibre cave, etc.). Cu termenulpermeat / ozmozat se numeşte apa produsă, în vreme ce prin termenul
concentrat/refuzat se întelege fluxul de apă evacuată ce conţine sărurile eliminate şi
care nu mai sunt prezente în permeat.
2.2. Osmoza – procedeu tehnologic
Cercetările aplicative asupra fenomenului termodinamic studiat anterior
(osmoza) au început acum 40 de ani, în laboratoarele NASA. Cercetătorii americani
au creat aparate de filtrare dotate cu o membrană foarte asemănătoare cu
membrana celulară. Această membrană este semipermeabilă şi blochează
impurităţile, lăsând să treacă doar apa pură. La început, aparatele au fost folosite
pentru zborurile în spaţiu, în submarine şi în industria farmaceutică.
Osmoza inversă este o metodă performantă de purificare a apei care a
revoluţionat noţiunea de filtru de apă. In ultimii ani comercializarea purificatoarelor de apă cu osmoza inversă a luat amploare, nenumărate familii şi instituţii optând
pentru instalarea acestora în propriile reşedinţe pentru o apă sigură.
Osmoz a inversă este cel mai adecvat procedeu de producere a apei pure ,
concurând cu distilarea pentru obţinerea aceluiaşi grad foarte înalt de puritate.
Avantajul net al osmozei inverse este cantitatea aproape neglijabilă de
energie consumată, în comparaţie cu distilarea. Dacă în urmă cu mai mulţi ani,
osmoza inversă era considerată un procedeu de purificare scump de înaltătehnicitate, în zilele noastre, graţie dezvoltării continue a tehnicilor mecanico-
chimice, se poate spune că a devenit un procedeu de eliminare a impurităţilor la
îndemâna tuturor.
După cum am aratat anterior, osmoza este un fenomen fizic ce rezultă din
tendinţa de egalizare a concentraţiilor a două soluţii de concentraţii diferite
separate de o membrană semipermeabilă (perete separator semipermeabil).
Egalizarea concentraţiilor se face prin trecerea moleculelor de apă din
soluţia de concentraţie mai mică în soluţia de concentraţie mai mare prin membrana
semipermeabilă (permeabilă numai la apă, impermeabilă la săruri). Acest proces
de osmoză normală încetează când presiunea hidrostatică, care se exercită
asupra soluţiei mai concentrate, atinge o valoare de echilibru, numită presiune
osmotică. Valoarea acestei presiuni depinde în mod proporţional de concentraţia
slab concentrată, ajungându-se la obţinerea de molecule de apă fără nici o altă
impuritate fizico-chimică în preajmă. Se obţine deci, apă pură.
Fig. 2.5. Osmoza inversă
Ca urmare, prin osmoză inversă se blochează trecerea tuturor
impurităţilor cu dimensiuni mai mari decât microorificiile membranei osmotice,
deci obţinem performanţe superioare oricărui alt procedeu de filtrare clasică.
Astfel pe partea cu apă filtrată se acumulează numai moleculele de
apă, impuritaţile din apa de intrare fiind reţinute de membrana semipermeabilă.
Membrana osmotică se consideră semipermeabilă deoarece microorificiile pe care
le are sunt cu un diametru foarte mic (aprox. 0,0001 microni).De exemplu, poriimembranei semipermeabile au o dimensiune de aproximativ 0,0001 microni, viruşii
au dimensiuni cuprinse între 0,02 şi 0,4 microni iar bacteriile au dimensiuni cuprinse
între 1 si 4 microni.
Pentru a împiedica blocarea membranei cu impurităţile din apa de intrare,
impurităţile reţinute de membrană trebuie spălate continuu de pe membrană
(clătirea membranei). O instalaţie cu osmoză inversă produce deci în afară de apă
pură (permeat) si apă reziduală (concentrat) care conţine impuritaţile din apa de
intrare si este deversată în canalizare.
2.2.2. Echipamentele cu proces de osmoză inversă
Echipamentele cu proces de osmoză inversă reprezintă actualmente cea mai
bună şi cea mai eficientă metodă pentru producerea apei potabile de uz casnic,
medical si industrial. Agenţia americană pentru protecţia mediului înconjurător
EPA (Environmental Protection Agency - USA) a confirmat şi recomandat osmoza
inversă şi distilarea ca fiind singurele două metode sigure şi efective pentru
potabilizarea apei.
Echipamentele cu proces de osmoză inversă nu necesită tratarea
chimică a apei, elimină peste 99% din impurităţile organice şi anorganice dizolvate
în apă, elimină peste 99% din impurităţile biologice (bacterii, viruşi, streptococifecali) din apă şi asigură o calitate ideală a apei filtrate, independent de calitatea
apei de intrare.
Filtrarea pe principiul osmozei inverse se realizează prin intermediul unor
module compuse dintr-un vas sub presiune în care se introduc membranele filtrante.
În figura 3.6 este prezentată schema desfăşurată a unui echipament cu proces de
osmoză, fiind descrisă atât alcătuirea cât şi funcţionarea acestuia.
Apa obţinută prin osmoză inversă este o apă pură, demineralizată şi aproapesterilă.
Datorită faptului că marea majoritate a mineralelor necesare organismului uman
provin din hrană solidă asimilată zilnic, apa poate fi privită doar ca un material
dizolvant şi un mediu pentru eliminarea toxinelor din organismul uman.
Fig. 2.6. Schema desfăşurată a unui echipament cu proces de osmoză inversă
Fig. 2.10. Diagrama tipică a instalaţiei de osmoză
Firma DOW CHEMICAL produce membranele FILMTEC prin metode de
mare precizie, în cadrul unor instalaţii complet automatizate. Rezultatele
obţinute utilizând instalaţii de tratare a apei compuse din module cu membrane
FILMTEC sunt spectaculoase din punct de vedere al randamentului, aleconomiei de energie şi al uşurinţei cu care membranele pot fi curăţate şi
reutilizate pe termen lung.
Principalii factori care influenţează performanţele sistemelor pe bază de
osmoză inversă sunt:
• presiunea
• temperatura
• recovery • concentraţia în săruri a fluxului de alimentare.
Performanţele membranelor sunt afectate şi de anumite impurităţi care se pot
găsi în fluxul de alimentare, cum sunt: hidraţi ai oxizilor metalici, precipitate de
calciu, materii organice şi biologice etc. Pretratarea apei de alimentare a sistemelor
cu membrane reduce considerabil contaminarea acestora şi le îmbunătăţeşte
performanţele.
Curăţarea membranelor, în cazul contaminării acestora, este relativ simplă dincauza stabilităţii mari de pH şi a rezistenţei termice a membranelor. Pentru o
exploatare corectă şi de maximă eficienţă elementele cu membrane trebuie curăţate
de fiecare dată când:
• debitul de permeat scade cu 10%;
• conţinutul stabilit de săruri în apa produsă creşte cu 10%;
• diferenţa de presiune (presiunea de alimentare – presiunea concentratului)
P creşte cu 15%faţă de condiţiile de referinţă (stabilite în primele 24 -48 de ore de
3. Firme specializate în producerea şi c omecializarea
echipamentelor pe bază de osmoză inversă
În toată lumea, sistemele domestice de purificare a apei de băut, care includ
osmoza inversă, sunt folosite de obicei pentru îmbunătăţirea calităţii apei de băut
şi pentru gătit. Astfel de sisteme includ mai multe etape:
- un filtru de sedimente pentru a opri particlulele, inclusiv rugina şi carbonatul
de calciu;
- opţional, un al doilea filtru de sedimente cu pori mai mici;
- un filtru de cărbune activ pentru stoparea substanţelor chimice organice şi a
clorului care atacă şi degradează membranele TFC pentru osmoza inversă;
- un filtru de osmoză inversă (OI) care este o membrană compozită de film
subţire (thin film composite membrane, TFM sau TFC);
- opţional, un al doilea filtru de cărbune pentru a opri acele substanţe chimice
neîndepărtate de membrana OI;
- opţional, o lampă cu ultraviolete pentru dezinfectarea oricăror microbi care pot
scăpa înprocesul de filtrare prin membrana OI.
În unele sisteme, pre-filtrul de cărbune este omis, folosindu-se membrana
triacetat de celuloză (cellulose triacetate, CTA). Membrana CTA putrezeşte dacă nu
este protejată de apă clorinată, în timp ce membrana TFC se distruge sub influenţaclorului. În sistemele CTA este necesar un post-filtru pentru a îndepărta clorul din
apă la final.
Procesoarele de apă portabile prin osmoza inversă (OI) sunt vândute
pentru purificarea apei în diferite locaţii. Pentru eficienţă, apa care alimentează
aceste unităţi trebuie să aibă o anumită presiune minimă (40 psi sau mai mult).
Procesoarele de apă portabile OI pot fi folosite de persoane care trăiesc în
mediul rural fără acces la apă tratată, departe de aducţiunea de apă de la oraşe. Lasate, oamenii filtrează ei înşişi apa din râuri şi oceane, cu un astfel de dispozitiv (apa
sărată necesită membrane speciale). Unii călători pe vasele de cursă lungă, la
pescuit, în zone pustii, sau în ţări unde apa este poluată sau neconformă cu
standardele, se pot folosi filtre de apă prin OI cuplate cu una sau mai mult e
sterilizatoare cu ultraviolete. Sistemele OI sunt de asemenea folosite mult de
entuziaştii în acvatica marină. În producţia de apă minerală îmbuteliată, apa trece
printr-un filtru de apă OI pentru a îndepărta poluanţii şi microorganismele. În
Europa, totuşi, o astfel de procesare a apei minerale naturale (aşa cum este ea