Membranowe Procesy Ciśnieniowe

Ćwiczenie odwrócona osmoza Membranowe Procesy Ciśnieniowe Pierwsze badania nad procesami membranowymi rozpoczęły się w połowie XIX wieku i związane były z pracami prowadzonymi przez T. Grahama (1805-1869) które dotyczyły dyfuzji gazów przez membrany kauczukowe, ceramiczne i metalowe i zostały uwieńczone sformułowaniem prawa dyfuzji gazów. Następnie pracował nad rozdzieleniem mieszanin ciekłych (oddzielenie fosforanu potasu od fosforanu glinu w ałunie) by w roku 1854r skonstruować pierwszy aparat do dializ. Jednocześnie inny chemik i fizjolog A. Fick (1829-1901) pracował nad membranami z nitrocelulozy i dyfuzją cieczy, co zaowocowało sformułowaniem w roku 1855 prawa opisującego te zjawiska, według którego ilość dyfundującej substanc ji przez daną powierzchnię w określonym czasie, jest proporcjonalna do pola powierzchni, spadku stężenia i czasu przepływu (prawo Ficka). Pierwsze praktyczne zastosowanie membrany znalazły w czasie II wojny światowej w Niemczech gdzie opracowano testy oparte o techniki membranowe pozwalające na monitorowanie skażenia biologicznego wody. Jednak intensywny rozwój metod rozdziału membranowego rozpoczął się dopiero po kolejnych 20 latach, kiedy to w roku 1962 Loeb i Sourirajan opracowali technologię wytwarzania wydajnych i selektywnych membran, które zostały zastosowane w procesie odwróconej osmozy do odsalania wody morskiej, co okazało się przełomowe dla przemysłowego zastosowania technik membranowych. Czynnikiem decydującym o separacji w każdej z metod jest odpowiednia membrana, czyli wg definicji Europejskiego Towarzystwa Membranowego, faza (stała, ciekła) rozdzielająca dwie inne fazy i działająca, jako przegroda pasywna lub aktywna w transporcie materii pomiędzy tymi fazami. Rys. 1 Schematyczne przedstawienie procesu separacji membranowej Uogólniając, każdą membranę można traktować jako filtr przez który, przechodzi bez przeszkód co najmniej jeden ze składników rozdzielanej mieszaniny, podczas gdy inne są przez nią zatrzymywane. Roztwór kierowany do procesu separacji membranowej nazywany jest nadawą, roztwór przechodzący przez membranę permeatem (filtrat), natomiast roztwór wzbogacony to retentat (koncentrat) (Rys 1). W zależności od budowy membrany separacja substancji spowodowana jest: - efektem sitowym, (małe cząsteczki przechodzą przez membranę a duże nie), - różnicami w rozpuszczalności substancji i różnicami w szybkości dyfuzji w membranie wg tzw. mechanizmu rozpuszczania dyfuzji, - różnicami w szybkości migracji składników jonowych przez membrany jonowymienne, - odwracalnej reakcji separowanej substancji ze składnikiem membrany wg tzw. mechanizmu mechanizmu reakcyjno dyfuzyjnego. 1

W separacji membranowej siłą napędową procesu może być różnica stężeń roztworów po obu stronach membrany (stężeniowe procesy membranowe) lub jak w przypadku omawianych procesów różnica ciśnień po stronie nadawy i permeatu. Jako siła napędowa procesu wykorzystana może też być różnica temperatur lub potencjału elektrycznego. Ciśnieniowe procesy membranowe z wyjątkiem procesu odwróconej osmozy (RO reversed osmosis) zostały nazwane od wielkości cząsteczek, które są oddzielane w danym procesie (rys 2) i zwyczajowo obejmują one jeszcze mikrofiltrację (MF microfiltration), ultrafiltrację (UF ultrafiltration) i nanofiltrację (NF nanofiltration). Rys. 2 Skuteczność separacji w zależności od użytej metody membranowej Budowa wykorzystywanej membrany zmienia się w zależności od parametrów prowadzonego procesu. Różnorodność metod i warunków prowadzenia procesów membranowych powoduje konieczność dopasowania zarówno właściwości separacyjnych membrany (porowatość, wielkość porów) jak i jej właściwości mechanicznych. Różnorodność tą uzyskano dzięki zróżnicowanej budowie membran (Rys 3) oraz wykorzystaniu różnych materiałów. Główny podział budowy membrany dzieli je na porowate (symetryczne i asymetryczne) oraz lite. Membrany porowate wykorzystywane są w procesach mikro- i ultrafiltracji, przy czym techniki mikrofiltracyjne (MF) posiłkują się głównie membranami symetrycznymi natomiast w ultrafiltracji (UF) stosowane są membrany asymetryczne. Z kolei membrany lite używane są w procesach nanofiltracji (NF) oraz odwróconej osmozy (RO) gdyż mają wysoką zdolność separacyjną natomiast do ich prawidłowego działania konieczne jest wysokie ciśnienie. W celu podwyższenia ich wytrzymałości mechanicznej oraz zmniejszenia ciśnienia potrzebnego do prowadzenia procesu skonstruowano membrany kompozytowe. Łączą one w sobie porowate podłoże zapewniające wytrzymałość i niskie opory przepływu z cienką litą warstewką naskórkową odpowiadającą za parametry separacji. W przeważającej liczbie ciśnieniowych technik membranowych wykorzystuje się syntetyczne membrany polimerowe. Głównym uzasadnieniem takiego stanu rzeczy jest dostępność technologii umożliwiających produkcję membran polimerowych o różnej budowie np. metody rozciągania, metody radiacyjnej (membrany symetryczne) czy metody inwersji faz (membrany asymetryczne). Coraz szerzej stosowane są jednak membrany ceramiczne i metaliczne, które mają budowę porowatą. Znalazły zastosowanie szczególnie w przemysłowych procesach mikro- i ultrafiltracji, ze względu na swoje właściwości mechaniczne oraz odporność w przypadku konieczności prowadzenia procesu w wysokich temperaturach czy granicznych wartościach ph. Membrany te w większości uzyskiwane są w procesach spiekania, a surowcem może być tlenek krzemu, tlenek glinu, tlenek cyrkonu lub tytanu. 2

Rys 3. Podział membran ze względu na ich budowę. Charakterystyka Ciśnieniowych Procesów Membranowych Mikro- i Ultrafiltracja MF jest techniką separacji membranowej pozwalającą na oddzielenie cząstek do wielkości ok. 0,1 um. Separacja zachodzi na membranie porowatej o porach 0,01 10 um dzięki efektowi sitowemu. Membrany mikrofiltracyjne mają budowę symetryczną i mogą być wykonane zarówno z polimerów hydrofilowych jak i hydrofobowych, spieków ceramicznych lub metalowych. W procesie mikrofiltracji stosuje się ciśnienia w zakresie 0,1 0,3 MPa Proces mikrofiltracji można prowadzić w dwóch głównych konfiguracjach (Rys. 4). Pierwszą jest filtracja jednokierunkowa (ang. dead end mode), w której strumień nadawy jest prostopadły do membrany (Rys 4a). Filtracja jednokierunkowa musi być prowadzona okresowo (batch mode) z uwagi na konieczność cyklicznego usuwania narastającej warstwy cząsteczek odfiltrowanych odkładających się na membranie. Drugą możliwą konfiguracją procesu jest filtracja w prądzie krzyżowym (ang. cross flow filtration), której nazwa pochodzi od skrzyżowanych kierunków strumieni nadawy i permeatu. Dzięki strumieniowi nadawy skierowanemu równolegle do membrany osadzanie odfiltrowanych cząsteczek jest ograniczone a proces może być prowadzony w sposób ciągły. Rys 4. Konfiguracje przepływu strumienia w procesach mikrofiltracji W procesie mikrofiltracji usuwa się z roztworu zawiesiny koloidy i bakterie, dlatego często jest on stosowany w przemyśle spożywczym do klarowania płynów np. win i piwa. Przykładem szerokiego zastosowania mikrofiltracji jest przemysł mleczarski, w którym technikę tą stosuje się do zimnej pasteryzacji mleka, produkcji twarogu, czy standaryzacji poziomu kazeiny. 3

Podobnie jak w MF separacja w ultrafiltracji zachodzi dzięki efektowi sitowemu, a w procesie usuwane są cząstki o wielkości do 2nm. W procesie ultrafiltracji stosuje się membrany porowate asymetryczne najczęściej polimerowe lub ceramiczne pracujące pod ciśnieniem z zakresu 0,3 1 MPa Nanofiltracja Nanofiltracja (NF) jest najmłodszym z procesów membranowych. Wykazuje ona cechy zarówno procesów ultrafiltracji (efekt sitowy) jak i procesu dyfuzyjnego - odwróconej osmozy. Jest przeznaczona głównie do zmniejszenia np. zasolenia wody albo zawartości składnika organicznego do akceptowanego poziomu. Nie ma wtedy potrzeby stosowania kosztownej techniki RO. Wystarczy zastosować membrany o istotnie większych porach, co zapewnia duże wydajności procesu, nie przekraczających jednak średnic kilku nm, a selektywność względem soli zwiększyć dodatkowo przez wykluczanie elektrostatyczne, pochodzące od pewnej liczby grup jonowych (0,5 2 mili mol/g membrany) związanych chemicznie z materiałem membranowym. Odwrócona Osmoza Procesy polegające na samorzutnym przenikaniu rozpuszczalnika przez półprzepuszczalne membrany w celu wyrównania stężeń roztworów nazywamy procesami osmotycznymi. Jeżeli membrana rozdziela roztwory o różnych stężeniach to następuje przepływ rozpuszczalnika w kierunku roztworu o wyższym stężeniu (Rys 5a). Przepływ ten będzie trwał aż do wyrównania stężeń po obu stronach membrany lub też do czasu wytworzenia po stronie odbioru ciśnienia hydrostatycznego równoważącego przepływ osmotyczny (Rys 5b). Ciśnienie to nazywamy ciśnieniem osmotycznym ( ) Δp<Δπ Δp=Δπ Δp>Δπ Δπ Rys 5. Proces osmozy i odwróconej osmozy a) b) c) Wytworzenie po stronie roztworu ciśnienia większego od ciśnienia osmotycznego prowadzi do wytworzenia przepływu w kierunku odwrotnym (Rys 5c), a ponieważ membrana nie przepuszcza cząsteczek rozpuszczonych w roztworze proces prowadzi do wytworzenia czystego rozpuszczalnika (permeatu) oraz zatężonego roztworu (retentatu, koncentratu). Proces taki nazywamy odwróconą osmozą. Proces odwróconej osmozy pozwala na blisko stuprocentową separację substancji rozpuszczonych z rozpuszczalnika. Szczególnie w przypadku demineralizacji wody, prowadzić to może do problemów technologicznych, gdyż osad zawieszonych w roztworze związków organicznych i koloidów łatwo osadza się na membranie podwyższając opory przepływu, a z zatężonego retentatu mogą się wytrącać trudno rozpuszczalne sole jak węglany i siarczany wapnia czy magnezu oraz koloidy żelaza. Dlatego przed skierowaniem wody do procesu RO konieczne jest jej wstępne oczyszczenie, którego zakres zależy głównie, od jakości wody surowej. W zakres wstępnego oczyszczania wchodzić może filtracja bez usuwająca przyczyny zanieczyszczania membran osadzonymi zawiesinami i koloidami, adsorpcja na węglu aktywnym usuwająca substancje organiczne. Jeżeli woda surowa zawiera wolny chlor, który niszczy membrany RO stosuje się dodatki wodorosiarczanu sodu (NaHSO 3 ) w celu jego usunięcia. Środki kompleksujące takie jak 4

heksametafosforan sodu (SHMP) oraz wersenian dwusodowy EDTA stosować można w celu usunięcia obecnych w wodzie surowej soli wapnia i magnezu. Coraz częściej do wstępnego oczyszczenia wody przed procesem RO stosuje się inne procesy membranowe jak mikro- i ultrafiltrację. W pierwszych przemysłowych procesach RO stosowano lite membrany polimerowe, które charakteryzowały się dobrymi właściwościami separacyjnymi, lecz generowały bardzo durze opory przepływu co podwyższało koszty inwestycji oraz zapotrzebowanie energii ze względu na konieczność używania wysokich ciśnień rzędu 12 MPa. Obecnie w procesach RO stosuje się polimerowe membrany kompozytowe, w których odpowiedzialna za separację lita warstewka naskórkowa jest bardzo cienka (0,1-10 um), natomiast warstwa podłoża odpowiedzialna za właściwości mechaniczne jest mocno porowata i zapewnia odprowadzenie permeatu bez oporów. Doprowadziło to do zmniejszenia ciśnień procesowych do poziomu 2-5 MPa. Stosowanie wysokiego ciśnienia jest konieczne by pokonać opory membrany do odwróconej osmozy, w której brak porów a mechanizm transportu polega na rozpuszczaniu i dyfuzji cząsteczek rozpuszczalnika. Selektywność membrany zależy w głównej mierze od powinowactwa cząsteczek rozpuszczalnika do materiału, z którego membrana jest wykonana. Tab 1. Charakterystyka membran stosowanych w procesach ciśnieniowych Proces Mikrofiltracja Ultrafiltracja Nanofiltracja Konstrukcja Membrany Materiał Membrany symetryczna, porowata Ceramiczna, polimerowa asymetryczna, porowata ceramiczna, polimerowa asymetryczna, kompozytowa polimerowa Odwrócona Osmoza asymetryczna, kompozytowa polimerowa Wielkość Porów 0,05 10 um 0,001 0,05 um 1-8 nm lita Wielkość separowanych cząstek 0,1 um 2 20 nm 0,001 um 0,0001 um Mechanizm separacji sitowy sitowy sitowy, dyfuzja dyfuzja i rozpuszczanie Łączenie modułów W zastosowaniach praktycznych zachodzi najczęściej potrzeba łączenia modułów membranowych w większe zespoły, co ma związek zarówno z wymogami jakościowym jak i ilościowymi stawianymi procesowi. Dla każdego modułu membranowego występuje zakres natężenia strumienia zasilającego w którym może być on użytkowany. Powyżej tego zakresu moduł zostaje zniszczony zbyt dużym ciśnieniem, natomiast poniżej drastycznie pogarsza się efekt rozdzielania oraz wydajność procesu w wyniku narastania zjawisk polaryzacji stężeniowej oraz foulingu. W połączeniu szeregowym modułów (Rys 6.) przez każdy z nich przepływa całkowity strumień zasilający a każdy z kolejnych modułów pracuje ze strumieniem zasilającym o wyższym stężeniu (koncentrat z poprzedniego modułu). Połączenie takie jest korzystne w wypadku małego strumienia zasilającego. 5

Rys 6. Moduły membranowe połączone w układ szeregowy Strumień zasilający o dużej wartości, który mógł by zniszczyć pojedynczy moduł może zostać podzielony na podstrumienie zasilające moduły w układzie równoległym (Rys 7.). Rys 7. Układ równoległy modułów membranowych Jeżeli pominie się straty ciśnienia i polaryzacji stężeniowej, efekt rozdziału obu wariantów połączeń jest równorzędny, tak więc przy znajomości parametrów pracy modułów istnieje możliwość optymalnego dostosowania instalacji i strumienia zasilającego. Powyższe konfiguracje można łączyć. Takim przypadkiem jest układ choinkowy (Rys 8) w którym zespoły modułów w konfiguracji równoległej łączony się szeregowo. Układ taki często stosuje się w instalacjach do odsalania wody, których cechą charakterystyczną jest duży strumień zasilający procesu wymagający konfiguracji równoległej modułów. Strumień zasilający następne zespoły modułów zostaje istotnie pomniejszony o wartość strumienia permeatu. By zachować odpowiednią wartość strumienia zasilającego w kolejnych zespołach redukuje się ich liczbę. Rys 8. Moduły membranowe w układzie choinkowym (szeregowo-równoległym) 6

Parametry Procesu Efektywność modułów membranowych a co za tym idzie procesu rozdzielania określa się najczęściej za pomocą jednego z dwóch parametrów: współczynnika retencji lub selektywności. Selektywność separacji dwóch składników A i B transportowanych przez membranę wyraża współczynnik separacji α AB definiowany jako stosunek stosunku stężeń substancji A i B w permeacie i retentacie: C PA, C PB - stężenia składników A i B w permeacie, C RA, C RB - stężenia składnika A i B w retentacie, Współczynniki retencji R, czyli stopniem zatrzymania (ang. salt-rejection) definiuje się wzorem: C Z - stężenie substancji rozpuszczonej w roztworze rozdzielanym, C P - stężenie substancji rozpuszczonej w filtracie, [ Intensywności procesu membranowego jest określana przez przepływ objętościowy roztworu j P ] inaczej szybkość filtracji. Wyznaczony jest on objętością przepuszczonego przez membranę roztworu pod wpływem siły napędowej przez jednostkę powierzchni roboczej membrany i jednostkę czasu. gdzie: V P - objętość roztworu [m 3 ] t - czas [s], S - powierzchnia membrany [m 2 ]. Wydajność procesu permeacyjnego określa przepływ substancji rozpuszczonej d S. oraz stopień konwersji (odzysku) Y, definiowane są one odpowiednio: gdzie d s - przepływ substancji rozpuszczonej, [ ] C sp - stężenie substancji rozpuszczonej w permeacie, [ ] gdzie Q P - natężenie przepływu permeatu, [ ] Q Z - natężenie przepływu roztworu zasilającego, [ ] 7

Twardość wody. Twardość wody jest pojęciem umownym określającym zawartość w wodzie kationów dwuwartościowych, głównie wapnia i magnezu. Rozróżnia się twardość węglanową, stałą i całkowitą. Twardość węglanową powoduje obecność wodorowęglanów wapnia i magnezu: Ca(HCO 3 ) 2, Mg(HCO 3 ) 2, które w podwyższonej temperaturze rozkładają się z wytworzeniem nierozpuszczalnych w wodzie: węglanu wapnia i wodorotlenku magnezu. Twardość węglanowa nazywana jest również twardością przemijającą, ponieważ zanika podczas gotowania wody. Twardość stała (niewęglanowa) spowodowana jest obecnością rozpuszczalnych w wodzie soli, które pozostają w wodzie po jej zagotowaniu. Są to przede wszystkim siarczany, chlorki i krzemiany wapnia oraz magnezu (CaSO 4, MgSO 4, CaCl 2, MgCl 2, CaSiO 3, MgSiO 3 ). Na twardość całkowitą składa się zawartość wszystkich soli wapnia i magnezu, a także innych jonów dwuwartościowych, np. Fe 2+, Mn 2+, a więc jest to suma twardości węglanowej i stałej. Ze względu na występujące w wodach duże stężenie jonów Ca 2+ i Mg 2+, a małe stężenie jonów innych metali, twardość wody praktycznie powodowana jest przez sole wapnia i magnezu. Twardość wody wyraża się w jednostkach zwanych stopniami twardości lub w mg węglanu wapnia przypadających na 1 dm 3 wody. Jednostki określające twardość wody nie są ujednolicone, w różnych krajach stosowane są różne jednostki; ich wzajemne zależności przedstawiono w tabeli 6.1. W Polsce nadal używa się tzw. niemieckich stopni twardości wody lub mg CaCO 3 w dm 3. Stopień niemiecki (1 o N) odpowiada zawartości soli wapnia i magnezu w ilości równoważnej 10 mg CaO w 1 dm 3 wody. Stosowany dawniej stopień milimolowy odpowiada twardości równoważnej 1 milimolowi Ca 2+ (40,08 mg) w 1 dm 3 wody. Twardość wód naturalnych może wahać się znacznie, w zakresie od kilku do kilkuset mg CaCO 3 /dm 3. Wody źródlane mają często niską twardość, a zwykle ze wzrostem zanieczyszczenia twardość wód zwiększa się. W dużym stopniu twardość wód zależy od warunków geologicznych zlewni, najczęściej jest to twardość węglanowa. Twardość niewęglanowa w wielu wodach nie występuje, a przeciętnie wynosi 1-2 o N (15-35 mg CaCO 3 /dm 3. Wody opadowe atmosferyczne mają niską twardość. W zależności od twardości wody dzielimy na 6 grup, co przedstawiono w tabeli 6.2. Tab 2. Jednostki twardości wody i współczynniki przeliczeniowe Stopień francuski Stopień niemiecki Jednostka mg CaCO 3 /dm 3 10 mg CaO/dm 3 1g CaCO 3 / 100dm 3 Stopień milimolowy 1mmol = 40.08 mg Ca 2+ /dm 3 mg CaCO 3 /dm 3 1 0,056 0,1 0,01 niemiecki o N 17,84 1 1,784 0,178 francuski o F 10 0,560 1 0,1 milimolowy 100,08 5,6 10 1 8

Tabela 3. Grupy wody w zależności od twardości Twardość ogólna [mg CaCO 3 /dm 3 ] Skala opisowa 0-50 miękka 50-100 średnio miękka 100-150 mało twarda 150-200 średnio twarda 200-300 twarda powyżej 300 bardzo twarda Woda twarda jest niepożądana w gospodarstwach domowych i przede wszystkim w przemyśle. Powoduje ona: - wzrost zużycie mydła, gdyż wytrącają się nierozpuszczalne sole wapnia i magnezu, - jony wapnia i magnezu mogą osadzać się na włóknach pranego materiału pogarszając ich jakość użytkową, - wzrasta korozja w wymiennikach ciepła wskutek hydrolizy soli magnezu i wzrostu stężenia jonów hydroniowych: Mg 2+ + 2 H 2 O = Mg(OH) 2 + 2 H 3 O + - powstaje kamień kotłowy, który utrudnia wymianę ciepła. Przemysł chemiczny i farmaceutyczny stosuje jako rozpuszczalnik wodę całkowicie zdemineralizowaną, chemicznie czystą H 2 O. Wody bardzo miękkie nie nadają się do picia, są wręcz szkodliwe dla człowieka; jak stwierdzono, ich picie powoduje wzrost zachorowań na choroby serca. Oznaczanie twardości wody Oznaczenie twardości węglanowej polega na miareczkowaniu alkacymetrycznym określonej ilości badanej wody kwasem solnym (0,1 M HCl) wobec wskaźnika (oranż metylowy). Podczas miareczkowania zachodzą reakcje: Ca(HCO 3 ) 2 + 2 HCl = CaCl 2 + 2 CO 2 + 2 H 2 O Mg(HCO 3 ) 2 + 2 HCl = MgCl 2 + 2 CO 2 + 2 H 2 O 1 cm 3 0,1 M HCl odpowiada 2,8 mg CaO, lub 5 mg CaCO 3. Oznaczenie twardości całkowitej Najdokładniejszą, a zarazem szybką metodą oznaczania twardości całkowitej jest metoda wersenianowa, będąca reakcją miareczkowania kompleksometrycznego. Polega ona na miareczkowaniu badanej wody 0,01 molowym roztworem wersenianu sodu (0,01 M EDTA) w środowisku buforu amoniakalnego o ph = 8 10 (ph = log[h + ] wobec czerni eriochromowej T jako wskaźnika. Czerń eriochromowa T w roztworze o ph = 8-10 posiada zabarwienie niebieskie. Wprowadzona do wody twardej tworzy z jonami Mg 2+ kompleks o barwie różowo-fioletowej. Wersenian sodu wprowadzony do takiego roztworu tworzy z jonami Ca 2+ i Mg 2+ bezbarwne związki kompleksowe, trwalsze od kompleksu jonów Mg 2+ z czernią. Tak więc w punkcie końcowym miareczkowania nastąpi zmiana barwy miareczkowanego roztworu z różowo-fioletowej na niebieską. 1 cm 3 wersenianu odpowiada 0,56 mg CaO, lub 1 mg CaCO 3. 9

Analiza konduktometryczna wody Przewodnictwo właściwe czystej wody wynikające z autodysocjacji wynosi 0,038 S/cm (18 o ). W wodach naturalnych jony pochodzą prawie wyłącznie z dysocjacji związków nieorganicznch. Pomiar przewodnictwa świadczy więc przede wszystkim o zawartości składników mineralnych w wodzie. Istnieje korelacja między wartością przewodnictwa a zawartością jonów rozpuszczonych w wodzie. Konduktometria bezpośrednia stanowi bardzo często stosowaną metodę badania czystości wód (wody destylowanej, ścieków, wód do zasilania kotłów parowych, wody chłodzącej, itd). Świeżo destylowana woda charakteryzuje się przewodnictwem rzędu 0,5 2 S/cm. Po kilku tygodniach przechowywania wzrasta ono do około 4 S/cm w wyniku absorpcji dwutlenku węgla z powietrza, a także np. amoniaku. Przewodnictwo właściwe wód powierzchniowych waha się przeciętnie od 50 1000 S/cm. Przewodnictwo ścieków może osiągać kilka tysięcy S/cm. Cel i zakres ćwiczenia Ćwiczenie ma na celu zapoznanie z procesem oczyszczania wody metodą odwróconej osmozy. W zakres ćwiczenia wchodzi badanie wpływu zmiany ciśnienia zasilającego na jakość i wydajność procesu osmozy. Badany będzie również wpływ konfiguracji modułów na efektywność procesu. Jakość wody przed i po procesie RO będzie badana metodą konduktometryczną. Wydajność procesu RO wyznaczona będzie przez pomiar strumienia permeatu i retentatu. Ćwiczenie będzie realizowane na instalacji przedstawionej na schemacie. Instalacja składa się z dwóch podsystemów tj. Instalacji wody demineralizowanej (I Klasa czystości <0,1 us/cm) oraz Instalacji Dydaktycznej odwróconej osmozy (III Klasa czystości). Podsystem Instalacji wody demineralizowanej powinien być w trakcie wykonywania ćwiczenia bezwzględnie wyłączony (zawór 4 zamknięty). Rys 9. Schemat instalacji dydaktycznej do otrzymywania wody demineralizowanej 10

Drugi podsystem (Instalacja Dydaktyczna odwróconej osmozy) składa się z dwóch modułów membranowych (I i II) które można połączyć równolegle lub szeregowo. Możliwe jest też badanie procesu prowadzonego wyłącznie na module pierwszym. Regulacja ciśnienia strumienia zasilającego odbywa się zaworem 2, a jego wartość można odczytać na manometrach: ( a- ciśnienie instalacji wodnej, b- ciśnienie za pompą, c- ciśnienie za pierwszym modułem membranowym) Charakteryzacja procesu RO prowadzonym na jednym module membranowym: Przebieg doświadczenia 1) Sprawdzić położenie zaworów: zawory 3, 4, 6, 7 zamknięte, zawory 2, 5, 8 otwarte. 2) Włączyć przepływ wody przez urządzenie z układem RO przez otwarcie zaworu Z1. 3) Otworzyć zawór Z1. 4) Odczekać 10 min. na ustabilizowanie się warunków pracy modułu. 5) Na manometrze B odczytać wartość ciśnienia w układzie RO. Z użyciem cylindrów miarowych i stopera zmierzyć natężenia przepływu filtratu QP i koncentratu QR oraz ich przewodnictwo. Uzyskane wyniki zapisać w tabeli 1. 6) Włączyć pompę przełącznikiem ON/OFF. 7) Zamykając zawór Z2 zwiększamy ciśnienie panujące w układzie RO. Wzrost ciśnienia zmienia natężenia przepływu filtratu i koncentratu. Należy ustalić 3 różne ciśnienia (przy otwartym zaworze Z2, półotwartym i w pełni zamkniętym).uwaga! Najwyższe ciśnienie w układzie nie może przekraczać 200 psi. 8) Po każdej zmianie warunków (ciśnienia i natężenia przepływu) odczekać 10 min. na ustabilizowanie się warunków pracy modułu. Zmierzyć natężenia przepływu filtratu (permeatu) QP i koncentratu (retentatu) QR oraz ich przewodnictwo. Uzyskane wyniki zapisać w tabeli wyników 1. 9) Przy najwyższym ciśnieniu panującym w układzie wartości przepływu koncentratu QK pomiar powtórzyć jeszcze dwukrotnie w odstępach 10-minutowych nie zmieniając parametrów pracy systemu (P= const.). Wyniki zapisać w tabeli 2. 10) Pobrać próbkę wody z króćca za zaworem Z3 i zmierzyć jej przewodnictwo właściwe. W celach porównawczych zmierzyć przewodnictwo właściwe wody wodociągowej 11) Po skończeniu pomiarów otworzyć zawór Z2 Tabela 12) 1. Tabela wyników Lp 1. 2. 3. 4. 5. QR [dm 3 /min] QP [dm 3 /min] R [ S/cm] CR [mg/dm 3 ] P [ S/cm] CP [mg/dm 3 ] [psi] P [Mpa] Tabela 2. Przebieg procesu oczyszczania wody metodą odwróconej osmozy przy stałym ciśnieniu (p=const.) Lp [psi] P [Mpa] t [min.] 5. 0 5a 10 5b 20 Q R [dm 3 /min] Q P [dm 3 /min] R [ S/cm] CR [mg/dm 3 ] P [ S/cm] CP [mg/dm 3 ] 11

Charakteryzacja procesu RO prowadzonym na modułach membranowych w układzie równoległym i szeregowym: Przebieg doświadczenia 13) Skonfigurować połączenie równoległe modułów. Sprawdzić położenie zaworów: zawory 3, 4, 7 zamknięte, zawory 2, 5, 8 otwarte. 14) Włączyć przepływ wody przez urządzenie z układem RO przez otwarcie zaworu Z1. 15) Włączyć pompę przełącznikiem ON/OFF. 16) Zamknąć zawór Z2. 17) Odczekać 10 min. na ustabilizowanie się warunków pracy modułu. Zmierzyć natężenia przepływu filtratu QP i koncentratu QR oraz ich przewodnictwo. Pomiar powtórzyć dwukrotnie. Uzyskane wyniki zapisać w tabeli wyników. 18) Po skończeniu pomiarów otworzyć zawór Z2 19) Wyłączyć pompę przełącznikiem ON/OFF i zamknąć zawór Z1. 20) Skonfigurować połączenie szeregowe modułów. Sprawdzić położenie zaworów: zawory 3, 4, 6, 8 zamknięte, zawory 2, 5, 7 otwarte. 21) Włączyć przepływ wody przez urządzenie z układem RO przez otwarcie zaworu Z1. 22) Włączyć pompę przełącznikiem ON/OFF. 23) Ustawić zawór Z 2 w takim położeniu by ciśnienie w instalacji było takie samo jak w przypadku połączenia równoległego modułów. 24) Odczekać 10 min. na ustabilizowanie się warunków pracy modułu. Zmierzyć natężenia przepływu filtratu QP i koncentratu QR oraz ich przewodnictwo. Pomiar powtórzyć dwukrotnie. Uzyskane wyniki zapisać w tabeli wyników. 25) Po skończeniu pomiarów otworzyć zawór Z2 26) Wyłączyć pompę przełącznikiem ON/OFF i zamknąć zawór Z1. Tabela 3. Przebieg procesu oczyszczania wody metodą odwróconej osmozy w układzie szeregowym i równoległym. Lp [psi] P [Mpa] t [min.] 6. 0 6a 10 7. 0 7a 10 Q R [dm 3 /min] Q P [dm 3 /min] R [ S/cm] CR [mg/dm 3 ] P [ S/cm] CP [mg/dm 3 ] 12

Wyznaczanie współczynnika retencji: Współczynniki retencji R, czyli stopień zatrzymania (ang. salt-rejection) definiuje się wzorem: C Z - stężenie substancji rozpuszczonej w roztworze rozdzielanym, C P - stężenie substancji rozpuszczonej w filtracie (permeacie), Stężenia jonowych substancji rozpuszczonych w wodzie zarówno przed jak i po procesie odwróconej osmozy szacuje się na podstawie pomiarów konduktometrycznych przeliczając na zawartość NaCl. Tabela 4. Przewodnictwo właściwe roztworu NaCl w zależności od stężenia (t=20 o C). C NaCl [mg/dm 3 ] [ms/cm] 5,85 11,30 11,7 22,80 29,2 56,25 58,5 118,0 116,9 221,8 292,3 544,5 585,0 1071,0 Korzystając z danych umieszczonych w tabeli 4 naszkicować wykresy zależności c = f(c) dla NaCl. Na podstawie naszkicowanych wykresów odczytać stężenie roztworu NaCl odpowiadające przewodnictwom poszczególnych prób filtratu i koncentratu. Odczytane wartości stężenia zanotować w tabelach 1, 2 oraz 3. Na podstawie wyznaczonych stężeń obliczyć współczynnik R dla każdego z przypadków przeprowadzanego procesu. 13