Membraanide eraldamise perekond, mis koosneb mikrofiltrimisest (MF), ultrafiltratsioonist (UF), nanofiltratsioonist (NF) ja pöördosmoosist (RO), toimib sarnaselt sõeladega, mis ulatuvad jämedast kuni peeneni ja püüavad kinni kahaneva suurusega osakesi. Pöördosmoosi tasemel aga terminist "sõel" enam ei piisa; see püüab kinni 0,1 nanomeetri suurustes veeosakestes lahustunud ioone. Nende nelja tüüpi membraanide erinevuste mõistmiseks ei ole oluline mitte jätta meelde pooride suurust, vaid mõista iga membraani spetsiifilist rolli üldises raviprotsessis.
I. Peamised erinevused nelja membraanitüübi vahel
Mikrofiltreerimine (MF): pooride suurusega 0,1–10 mikromeetrit toimib see nagu liivasõel. See püüab kinni suspendeeritud tahked ained, bakterid ja mõned kolloidid, kuid üldiselt ei suuda see säilitada suuri orgaanilisi molekule. See nõuab madalaimat töörõhku - ainult 1 kuni 2 baari (kg/cm²). Lahustunud soolad, valgud ja viirused läbivad kõik.
Ultrafiltreerimine (UF): pooride suurusega 0,001–0,1 mikromeetrit toimib see nagu jahusõel. See võib püüda viirusi, suuri orgaanilisi molekule ja kolloidosakesi, kuigi lahustunud soolad ja madala molekulmassiga orgaanilised ühendid läbivad endiselt. Töörõhk on 1 kuni 5 baari. Ultrafiltratsiooni ja mikrofiltreerimise erinevus seisneb pooride suuruses: mikrofiltreerimine püüab kinni suuremad osakesed, ultrafiltreerimine aga keskmise suurusega osakesed.
Nanofiltratsioon (NF): umbes 1 nanomeetrise pooride suurusega kujutab see peenfiltratsiooni vormi. See suudab kinni püüda kahevalentseid ioone (nagu kaltsium, magneesium ja sulfaat) ja mitmevalentseid ioone, lastes samal ajal läbida mõningaid ühevalentseid ioone (nagu naatrium ja kloriid). Nanofiltratsiooni teeb ainulaadseks see, et see tugineb nii suurusepõhisele sõelumisele kui ka laengupõhisele tõrjumisele. Membraani pinnal on negatiivne laeng, mis tõrjub tugevalt kahevalentseid anioone nagu sulfaat; järelikult tagab nanofiltreerimine vee kareduse ja teatud soolade selektiivse säilitamise. Töörõhk on vahemikus 5 kuni 15 baari.
Pöördosmoos (RO): see protsess ei põhine tavapärasel "pooride suuruse" kontseptsioonil; selle asemel toimib see lahuse difusiooni mehhanismi kaudu. Veemolekulid võivad tungida läbi tiheda polüamiidi aktiivse kihi, samas kui membraan blokeerib praktiliselt kõik lahustunud ioonid, orgaanilised ühendid ja bakterid. Soola hülgamismäär on 95–99,5%, toote vesi on peaaegu puhas. Töörõhud jäävad vahemikku 10 kuni 70 baari (kg/cm²) või merevee magestamise korral isegi kõrgemad. Nelja tüüpi membraaniprotsesside hulgas pakub pöördosmoos (RO) kõige põhjalikumat eraldamist ja on ka kõige kallim.
II. Veelahkme: "Sõelumisest" kuni "Lahendus-difusioonini"
Mikrofiltreerimine (MF) ja ultrafiltreerimine (UF) põhinevad puhtalt füüsilisel sõelumisel: pooride suurusest suuremad osakesed blokeeritakse, väiksemad aga läbivad. Põhimõtteliselt ei erine see sõela kasutamisest.
Nanofiltratsioon (NF) võtab enda alla üleminekuruumi. See ühendab füüsilise sõelumise (pooride suuruse alusel) membraani pinnal olevate laengute elektrostaatilise tõrjumisega. Järelikult on NF kahevalentsete ioonide (nii katioonide kui ka anioonide) tagasilükkamise määr palju suurem kui monovalentsete ioonide puhul. Võrreldes RO-ga on NF energiasäästlikum ja nõuab madalamat töörõhku selliste ülesannete puhul nagu kõvaduse, sulfaatide või värvi eemaldamine; võrreldes UF-ga tagab see tõhusama eraldamise.
Pöördosmoos toimib teisel põhimõttel. Selle aktiivne kiht on nii tihe, et poorid pole nähtavad - isegi mikroskoobi all. Veemolekulid sisenevad membraanikihti lahustumise teel ja hajuvad seejärel rõhu mõjul teisele poole. Kuna ioonide lahustuvus ja difusioonikiirus on palju madalamad kui veemolekulidel, siis vesi läbib, samas kui soolad jäävad maha. See on "lahuse-difusiooni" mudel - kontseptsioon, mis erineb täielikult sõelumisest. See selgitab, miks RO saavutab peaaegu kõigi lahustunud soolade kõrge hülgamismäära: asi pole selles, et soolaosakesed on liiga suured, et need läbi mahuksid, vaid pigem selles, et nende lahustumis- ja difusioonikiirus membraanikihis on äärmiselt madal.
III. Hierarhilised suhted tüüpilistes protsessivoogudes
Praktilistes insenerirakendustes kasutatakse MF, UF, NF ja RO harva eraldi; selle asemel kasutatakse neid mitmekihilise, progressiivse kaitsesüsteemina.
MF/UF kombinatsioon, millele järgneb RO, on kõige levinum konfiguratsioon. UF toodab heitvett, mille mudatiheduse indeks (SDI) on väiksem kui 3, mis toimib RO eeltöötlusena, et kaitsta RO membraane kolloidide ja tahkete osakeste eest. Vähendades toitevee hägusust ja kolloidide sisaldust, aeglustab UF oluliselt RO membraanivoo langust. Sellest tulenevalt kasutavad paljud tööstuslikud vee korduskasutamise ja merevee magestamise projektid kahemembraanilist protsessi: ultrafiltratsiooni (UF), millele järgneb pöördosmoos (RO).
Nanofiltratsioon (NF) pakub selle rakendamisel suuremat paindlikkust. Kui töödeldud vesi nõuab konkreetsete ioonide eemaldamist, kuid mitte täielikku magestamist, on NF ökonoomsem kui RO. Näiteks joogivee pehmendamisel (kareduse eemaldamisel) võib NF säilitada kahevalentseid ioone, nagu kaltsium ja magneesium, võimaldades samal ajal mõnel monovalentsel ioonil läbi minna, säilitades seeläbi teatud mineraalid. Muud rakendused, nagu tekstiili-/värvimisreovee värvitustamine või naatriumsulfaadi eraldamine naatriumkloriidist keemilises reovees, võimendavad NF-a funktsiooni selektiivset säilitusvõimet, mis RO-l puudub.
Mikrofiltreerimist (MF) kasutatakse tavaliselt kas traditsioonilise liivfiltratsiooni asendajana või membraanikomponendina membraani bioreaktori (MBR) protsessis. MBR-süsteemis kasutatakse aktiivmuda veest täieliku eraldamise saavutamiseks MF või ultrafiltratsiooni (UF) membraane; selle tulemuseks on äärmiselt madala hõljuva aine (SS) sisaldusega heitvesi, mis välistab vajaduse sekundaarse selgitaja järele.
IV. Rõhu ja energiatarbimise erinevused
MF ja UF töötavad rõhul alla 5 baari, mille tulemuseks on väga madal energiatarbimine, mida juhivad peamiselt toiteveepumbad. NF töötab rõhkudel 5–15 baari ja mõõduka energiatarbimisega. RO nõuab kõrget töörõhku, mille tulemuseks on energiatarbimise tase, mis on mitu kuni kümneid kordi kõrgem kui ülejäänud kolme membraanitüübi puhul. Kõrgsurvepumbad on RO-süsteemi primaarenergia tarbijad, mis moodustavad 60–80% kogu energiatarbimisest.
Seetõttu tuleb membraanieraldustehnoloogia valikul arvestada mitte ainult vee eesmärgiga, vaid ka valmisolekuga kanda selle saavutamiseks vajalikke energiakulusid. Kui eesmärk on lihtsalt hõljuvate ainete ja bakterite eemaldamine, piisab MF-st. Kui on vaja eemaldada suured orgaanilised molekulid ja viirused, on UF piisav. Rakenduste jaoks, mis hõlmavad vee pehmendamist (kareduse eemaldamist) või soolade eraldamist, on NF ideaalne valik. Kui heitvesi nõuab üle 95% magestamise määra või kui vesi on ette nähtud taaskasutamiseks puhastatud veena, on RO hädavajalik.
V. Membraani saastumise ja puhastamise erinevused
MF- ja UF-membraanide saastumine on oma olemuselt peamiselt orgaaniline või bioloogiline. Suuremate pooride suuruse tõttu kipuvad osakesed moodustama membraani pinnale "filtrikoogi" kihi; enamikul juhtudel saab membraanivoolu suures osas taastada õhu pesemise ja vee tagasipesuga. Membraani saastumine nanofiltratsioonis (NF) ja pöördosmoosis (RO) on palju keerulisem, hõlmates nelja erineva mehhanismi kombinatsiooni: anorgaaniline katlakivi, orgaaniline saastumine, biofouling ja kontsentratsiooni polarisatsioon. Kui RO-membraan on kaltsiumkarbonaadi või kaltsiumsulfaadi katlakiviga ummistunud, on seda sageli raske kohapealse keemilise puhastuse abil taastada; rasketel juhtudel tuleb membraan täielikult välja vahetada.
Nelja tüüpi membraanide hulgas on RO-l kõige rangemad nõuded toitevee kvaliteedile. Sellised parameetrid nagu mudatiheduse indeks (SDI), hägusus, jääkkloori, raua ja mangaani sisaldus, kõvadus, silikaatide tase ja mikroobide aktiivsus tuleb kõik hoida väga kitsastes vahemikes. Seetõttu on eeltöötlussüsteemi disain veelgi kriitilisem kui membraani enda valik – kui eeltöötlus on ebapiisav, siis isegi kõrgeima kvaliteediga RO membraan ebaõnnestub kuue kuu jooksul.
VI. Membraani valiku praktilised reeglid
Mikrofiltrimise (MF) ja ultrafiltratsiooni (UF) vahel valides kaaluge, mida peate eemaldama. Kui nõue on heljumi (SS) alla 1 mg/l ja SDI alla 5, piisab MF-st. Kui vajate SDI väärtust alla 3 ning bakterite ja viiruste tõhusat eemaldamist, valige UF.
NF ja RO vahel valides kaaluge, kas peate teatud soolasid säilitama. Kui soovite eemaldada kaltsiumi ja magneesiumi, säilitades samal ajal veidi naatriumi ja kaaliumi, valige NF. Kui teil on vaja eemaldada kõik lahustunud soolad, näiteks puhta vee tootmiseks, valige RO. Kui eesmärk on eraldada ühevalentsed soolad kahevalentsetest sooladest, on NF ainus elujõuline võimalus.
Membraani pooride suuruse ja tüübi valik ei tohiks põhineda tootja väidetel selle kohta, kui puhas on heitvesi, vaid pigem konkreetsetel veekvaliteedi nõuetel teie järgneval rakendusel. Jahutustorni täitevee jaoks võib piisata UF-st; katla toitevee puhul on aga RO ja segakihtioonivaheti kombinatsioon hädavajalik. Lõppkokkuvõttes määravad membraani valiku konkreetsed lõppkasutuse nõuded.
Membraanitehnoloogias ei ole väiksem pooride suurus või kõrgem soola tagasilükkamise määr tingimata parem. Liigne puhastamine toob kaasa tarbetuid kapitaliinvesteeringuid ja suuremat energiatarbimist. Tõelised teadmised seisnevad konkreetse rakenduse jaoks õige tööriista valimises, selle asemel, et valida lihtsalt kõige "täiustatud" tehnoloogia.
