Mikrofiltracja, ultrafiltracja i nanofiltracja. Katarzyna Trzos Klaudia Zięba Dominika Stachnik

Procesy membranowe Procesy separacji przebiegające dzięki obecności membrany

Zasadą technik mikrofiltracji, ultrafiltracji i nanofoltracji jest fizyczna seperacja bez konieczności stosowania przemian fazowych oraz możliwość zachowania pożądanych fizycznych i chemicznych cech kluczowych składników żywności Wielkość porów membrany określa stopień, do którego rozpuszczona substancja stała, mętność oraz mikroorganizmy są usuwane Substancje, których cząsteczki są większe niż pory membrany są całkowicie zatrzymywane na filtrze Są to procesy zależne od ciśnienia, dzięki którym usuwane są z wody rozpuszczone substancje stałe oraz inne substancje

Mikrofiltracja Przy pomocy tego procesu usuwa się z roztworu min.: drobne zawiesiny, komórki bakteryjne, niektóre wirusy, drobiny surowców roślinnych, cząstki tłuszczu w emulsjach (np. mleka). Ciśnienia stosowane w MF są rzędu od 0,01 do 0,1 MPa. Średnica porów w membranie mieści się w zakresie od 0,1 do 10 μm

Proces mikrofiltracji można prowadzić w dwóch głównych konfiguracjach : filtracja jednokierunkowa - strumień nadawy jest prostopadły do membrany, filtracja jednokierunkowa musi być prowadzona okresowo filtracja w prądzie krzyżowym - dzięki strumieniowi nadawy skierowanemu równolegle do membrany osadzanie odfiltrowanych cząsteczek jest ograniczone a proces może być prowadzony w sposób ciągły

Membrany stosowane do procesu mikrofiltracji Przykłady zastosowań mikrofiltracji: Sterylizacja na zimno w procesie produkcji napojów i w przemyśle farmaceutycznym Klarowanie soków, wina oraz piwa Separacja bakterii z wody (oczyszczanie biologiczne wody) Oczyszczanie ścieków Separacja emulsji olej/woda Oczyszczanie wstępne wody przed procesami nanofiltracji i osmozy odwróconej

Ultrafiltracja To proces filtracji z użyciem sit molekularnych, membran i wszelkich materiałów porowatych, o porach, których rozmiary są zbliżone do wielkości pojedynczych cząsteczek (zwykle kilka kilkadziesiąt nanometrów). Wielkość cząsteczek oddzielanych substancji musi znacznie przekraczać wielkość cząsteczek rozpuszczalnika. Siłą napędową procesu jest wysokie ciśnienie hydrauliczne roztworu rozdzielanego

Charakterystyka ultrafiltracji jest jednym z najczęściej stosowanych procesów separacji do klarowania i zatężania roztworów wymaga zwykle stosowania znacznych ciśnień (0,1-1 MPa) proces ultrafiltracji jest absolutną barierą dla mikroorganizmów jest czasochłonna występuje problem polaryzacji stężeniowej

Ultrafiltracja znajduje zastosowanie w : przemyśle mleczarskim przy produkcji mleka lub serwatki przemyśle spożywczym (np. przy produkcji skrobi) metalurgii (np. przy odzyskiwaniu farb z lakierni elektroforetycznych) przemyśle tekstylnym (np. przy odzyskiwaniu barwników ze ścieków) przemyśle farmaceutycznym (np. przy oczyszczaniu antybiotyków, separacji bakterii, sterylizacji) ochronie środowiska (np. przy oczyszczaniu wody i ścieków, przygotowaniu wody do procesu RO)

Hemodializa jako przykład ultrafiltracji Polega na usuwaniu produktów przemiany materii i wody lub leków oraz toksyn z krwi pacjenta poprzez sztuczną błonę półprzepuszczalną, zabieg umożliwia także korektę kwasicy metabolicznej oraz zaburzeń elektrolitowych. Podczas zabiegu krew jest wielokrotnie przepompowywana na zewnątrz ciała do dializatora, który działa jak sztuczna nerka. Hemodializa może być przeprowadzana w domu lub w ośrodku dializ. W Polsce zabieg wykonywany jest wyłącznie w warunkach szpitalnych. W trakcie zabiegu krew krąży pomiędzy aparatem ( sztuczną nerką ) a pacjentem. Krew jest oczyszczana przepływając przez dializator.

Hemodializa jako przykład ultrafiltracji

Nanofiltracja Nanofiltracja zwana również niskociśnieniową odwróconą osmozą jest jednym z najnowszych membranowych procesów ciśnieniowych, w których siłą napędową jest różnica ciśnień pomiędzy dwoma stronami membrany. W procesie nanofiltracji stosuje się typowe membrany porowate, dla których podstawą separacji jest efekt sitowy, w którym to efektywność separacji jest uzależniona od stosunku wielkości cząsteczek wnikających do wielkości porów.

Moduły membranowe stosowane w procesie nanofiltracji Procesy rozdzielania membranowego są prowadzone w tzw. modułach membranowych, dzięki którym zapewniony jest przepływ separowanej mieszaniny w kierunku prostopadłym albo równoległym do powierzchni membrany

Do nanofiltracji stosowana jest membrana półprzepuszczalna. Ma większe pory (większa tolerancja przepuszczania wody) w porównaniu z odwróconą osmozą, więc filtracja jest mniej dokładna. Przez membranę przepuszczane są jony jednowartościowe, natomiast likwidowane wielowartościowe. Do procesu nanofiltracji potrzebne jest o wiele niższe ciśnienie, co pozwala zaoszczędzić energię

Stacja nanofiltracji typu 03-24 o wydajności 24 m³ / h. Służy do redukcji siarczanów w wodzie podziemnej

Zastosowanie nanofiltracji Przykłady zastosowania procesu nanofiltracji są następujące: - sterylizacja i zmiękczanie wód procesowych i pitnych (tj. usuwanie bakterii i soli wapnia, magnezu i siarczanów), - jako jeden z etapów uzdatniania wód przeznaczonych do pełnego odsolenia w procesach jonowymiennych lub odwróconej osmozie do obniżania stężenia doli w wodach, - usuwanie zanieczyszczeń ze ścieków z przemysłu tekstylnego i celulozowego, - odzyskiwanie laktozy i protein z serwatki z jednoczesnym, częściowym odsalaniem, - odzyskiwanie środków powierzchniowo-czynnych, - uzdatnianie wód powierzchniowych i podziemnych.

Nanofiltracja w oczyszczaniu wody Zastosowanie procesu nanofiltracji w technologii oczyszczania wody umożliwia usuniecie z niej nie tylko substancji nieorganicznej oraz organicznej substancji naturalnej ale także mikrozanieczyszczeń organicznych takich jak hormony roślinne (fitoestrogeny) oraz związki chemiczne wytwarzane przez człowieka i wprowadzane do środowiska wodnego, wśród których wyróżniamy takie związki jak alkilofenole, chlorofenole i bisfenol A (ksenoestrogeny). Jedną z najważniejszych operacji w technologii oczyszczania wody jest usuwanie naturalnych substancji organicznych (NOM). Chlorowanie prowadzone regularnie w procesie uzdatniania wody prowadzi do powstawania szeregu różnych związków halogenoorganicznych, których stężenie w wodzie może być kontrolowane poprzez wprowadzenie nanofiltracji do procesu oczyszczania wody.

Zalety nanofiltracji Brak potrzeby stosowania środków chemicznych Niskie zużycie energii Mały odrzut wody do kanalizacji Optymalny proces, w którym nie wykorzystuje się zbiorników na wodę Woda filtrowana bezpośrednio przed użyciem Z wody jest usuwana większość zanieczyszczeń Wady nanofiltracji Woda nie jest całkowicie zmiękczana Jest to proces mniej dokładny niż odwrócona osmoza Użytkownik nadal odczuje obecność osadu powodowanego przez twardość wody

Bibliografia 1. www.wigo.pl/artykuly/cisnieniowe-procesy-membranowe-mikrofiltracjaultrafiltracja-nanofiltracja-odwrocona-osmoza 2. www.wikipedia.pl 3. http://www.e-biotechnologia.pl/artykuly/ultrafiltracja/ 4. https://www.lenntech.pl/nanofiltracja-i-osmoza-odwrocona.htm 5. https://www.wigo.pl/artykuly/cisnieniowe-procesy-membranowe-mikrofiltracjaultrafiltracja-nanofiltracja-odwrocona-osmoza 6.,,MEMBRANY SELEKTYWNE I PROCESY MEMBRANOWE Józef CEYNOWA 7. https://www.lenntech.pl/mikrofiltracja-i-ultrafiltracja.htm