Ultrafiltracja, dializa dyfuzyjna i odwrócona osmoza.

Oczyszczanie ścieków wymaga szeregu wzajemnie uzupełniających się technologii, które w pierwszej kolejności pozwalają na odzyskanie wartościowych substancji znajdujących się w ściekach lub też na usunięcie zanieczyszczeń do takiego stopnia, aby oczyszczone ścieki mogły ponownie zostać wykorzystane do celów przemysłowych lub bezpiecznie odprowadzone do środowiska. Do oczyszczania przez rozdział na skalę przemysłową stosuje się między innymi takie procesy jednostkowe jak: sedymentacja, filtracja, adsorpcja, absorpcja, flokulacja, ekstrakcja, wytrącanie, przedmuchiwanie powietrzem oraz procesy separacji membranowej.

Na wybór odpowiedniej metody separacji wpływają w głównej mierze dwa czynniki – musi być ona możliwa technicznie oraz atrakcyjna ekonomicznie. Nie mniej ważny, a w wielu przypadkach decydujący o zastosowaniu metod oczyszczania ścieków jest aspekt ekologiczny, w tym uwarunkowania prawne. Pomimo, że problem oczyszczania ścieków nie jest nowy, wciąż poszukuje się nowych, atrakcyjniejszych, bardziej wydajnych i mniej obciążających środowisko metod oraz rozwiązań dostosowanych do specyfiki przetwarzanych odpadów.

Ponadto, zważywszy na ogólnoświatową tendencję do pozyskiwania surowców z materiałów odpadowych, zgodnie z rezygnacją z liniowego modelu gospodarki i z przyjętym modelem gospodarki o obiegu zamkniętym (ang. circular economy), problem odzysku cennych składników, na przykład metali ze ścieków, jest bardzo aktualny i wpisujący się w trendy światowe. Coraz większym zainteresowaniem i popularnością cieszą się techniki membranowe, które pozwalają na zatężanie (usuwanie rozpuszczalnika z roztworu rozcieńczonego), oczyszczanie (usuwanie zanieczyszczeń z roztworów wodnych) i frakcjonowanie (rozdzielanie substancji znajdujących się w mieszaninie lub roztworze na składniki) [1]. Szerokie zastosowanie procesów membranowych jest możliwe dzięki specyfice procesu opartej na podziale strumienia zasilającego (nadawy) na strumień retentatu (koncentratu o wzbogaconym składzie) i permeatu (filtratu o zubożonym składzie).

Transport masy (permeacja) zachodzi przez membranę, czyli przegrodę cienkowarstwową zdolną do selektywnego lub preferencyjnego przenoszenia składników mieszanin, pod wpływem siły napędowej, czyli pod wpływem różnicy potencjałów chemicznych składnika po obu stronach membrany. Różnica może być wywołana różnicą: ciśnień, stężeń, temperatury lub różnicą potencjału chemicznego po obu stronach membrany [2].
W ochronie środowiska stosuje się następujące techniki membranowe: mikrofiltrację, ultrafiltrację, odwróconą osmozę, nanofiltrację, dializę, elektrodializę 
i destylację membranową.

Ultrafiltracja

Proces ultrafiltracji (UF) polega na fizycznym odsiewaniu cząsteczek substancji rozpuszczonych lub koloidalnych przez membrany o odpowiedniej wielkości porów. Siłą napędową procesu jest różnica ciśnień po obu stronach membrany. Różnica ciśnień nie przekracza zwykle 1 MPa (10 atm). W procesie ultrafiltracji zatrzymywane są bakterie, koloidy oraz związki wielkocząsteczkowe o średnicach od 2 nm do 50 nm lub takie, których masa cząsteczkowa jest większa od 500 Da [3]. Ultrafiltracje (proces niskociśnieniowy) wykorzystuje są do usuwania mikroorganizmów, substancji humusowych i zmniejszania mętności oraz – w mniejszym stopniu – intensywności barwy wody. W porównaniu do mikrofiltracji, proces ultrafiltracji jest skuteczniejszy w eliminowaniu wirusów i mniej podatny na blokowanie membran (fouling) [4].

Dializa dyfuzyjna

W dializie dyfuzyjnej stosuje się membrany jonowymienne, co pozwala na separację elektrolitów. Do tych membran wprowadza się grupy funkcyjne zdolne do dysocjacji na jony, z których jeden jest stałe unieruchomiony w strukturze membrany. Grupy jonowymienne mogą mieć charakter stałych kwasów np. grupy sulfoniowe lub zasad np. grupy amoniowe [2]. Zależne od znaku jonu unieruchomionego membrana ma ładunek dodatni albo ujemny. Jeśli ma ładunek dodatni, będzie dostępna dla anionów (membrana anionitowa lub anionowymienną), a jeśli ładunek ujemny, to będzie przepuszczalna dla kationów (membrana kationitowa lub kationowymienną). Szkielet polimerowy membrany to najczęściej polistyren sieciowany diwinylobenzenem. Dializa dyfuzyjna z powodzeniem została zaproponowana do oczyszczania 
i odzyskiwania składników z roztworów wodnych, np. do odzysku kwasu siarkowego z odpadu pochodzącego z fabryki produkcji diamentów, z odpadu pochodzącego z procesu nakładania powłok na aluminiowe elementy [6] oraz z odpadu pochodzącego z produkcji bieli tytanowej [7].

Odwrócona osmoza

Proces odwróconej osmozy polega na wymuszonej dyfuzji jonów lub cząsteczek przez półprzepuszczalną błonę z roztworu o wyższym stężeniu do roztworu o niższym stężeniu. Ciśnienie wymuszające przenikanie cząstek przez membranę wynosi od 1 do 10 MPa. Odwróconą osmozę często stosuje się do oczyszczania odcieków, powstających podczas składowania odpadów na składowiskach. Badania wskazują, że skuteczność procesu zależy od rodzaju zanieczyszczeń. W przypadku konieczności dokładniejszego oczyszczenia odcieku wykorzystuje się układy kilkustopniowe. Pozwala to uzyskać wyższą skuteczność usuwania azotu azotynowego(V), amoniaku oraz zmniejszyć wartość przewodności elektrolitycznej [7]. Odwróconą osmozę wykorzystuje się też do usuwania zanieczyszczeń (olei, zawiesin, wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA), fenoli, toksycznych organiczne związków azotu i tiocyjanianu, cyjanków, amoniaku, siarkowodoru) z poprocesowych wód koksowniczych po to, aby mogły być one zawrócone do cyklu technologicznego w celu uzupełnienia obiegu gaśniczego mokrego gaszenia koksu [8]. Odwróconą osmozę stosuję się też do odsalania wód, demineralizacji i otrzymywania wody ultraczystej, denitryfikacji wody pitnej i odzyskiwania metali ze ścieków [9].

Techniki membranowe w stosunku do tradycyjnych metod uzdatniania wody i oczyszczania ścieków posiadają wiele zalet m.in.: niskie zużycie energii, brak konieczności dodawania chemikaliów i łatwe powiększanie skali technologicznej. Pozwalają też na prowadzenie procesu w sposób ciągły, jego automatyzację i mogą łączyć się z innymi procesami jednostkowymi. Wszystko to spowodowało wzrost zainteresowania membranami w ochronie środowiska i intensywny rozwój tej dziedziny w ostatnim czasie.

Bibliografia

[1] Bodzek M., Bohdziewicz J., Konieczny K., Techniki membranowe w ochronie środowiska, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 1997.
[2] red. Prochaska K., Membranowe Techniki Separacji, Wyd. Politechniki Poznańskiej, Poznań 2013.
[3] Bodzek M., Konieczny K., Wykorzystanie procesów membranowych w uzdatnianiu wody, Projprzem-EKO, Bydgoszcz 2005.
[4] Małgorzata Kabsch-Korbutowicz, Katarzyna Majewska-Nowak, Ochrona Środowiska, vol. 32, nr 3, 2010
[5] Sheng H. Lin, Mu C. Lo., Recovery of sulfuric acid from waste aluminum surface processing solution by diffusion dialysis, Journal of Hazardous Materials 60, 1998, 247-257.
[6] Tongwen X., Weihua Y., Sulfuric acid recovery from titanium white (pigment) waste liquor using diffusion dialysis with a new series of anion exchange membranes — static runs, Journal of Membrane Science 183, 2001, 193–200.
[7] Tałaj I., A., Zastosowanie odwróconej osmozy w procesie oczyszczania odcieków, Ekonomia i Środowisko, 2(45), 2013
[8] Smol M., Włodarczak-Makuła M., Bohdziewicz J., Mielczarek K., Włódka D., Zastosowanie koagulacji oraz odwróconej osmozy do usuwania zanieczyszczeń za ścieków przemysłowych.
[9] http://filtertech.com.pl/odwrocona-osmoza-ro/