Podział i charakterystyka procesów membranowych
Podział procesów membranowych przedstawiony poniżej opiera się na wielkości rozdzielanych w danej metodzie cząstek. Za pomocą tradycyjnych metod separacji można rozdzielić cząstki o wielkości nie mniejszej niż 2 um. Wszystkie mniejsze cząstki mogą być wydzielane z roztworów za pomocą technik membranowych. Wielkość rozdzielanych cząstek jest podstawą przedstawionego poniżej podziału.
- Mikrofiltracja (MF) W mikrofiltracji używa się membran o porach rzędu 0,l-5um. Za pomocą mikrofiltracji usuwa się z roztworu drobne zawiesiny, komórki bakteryjne, niektóre wirusy, drobiny surowców roślinnych, cząstki tłuszczu w emulsjach (np. mleka). Wizualnym efektem tego procesu może być zmiana barwy filtratu, obniżenie się mętności, spadek intensywności rozpraszania światła. Głównym zastosowaniem mikrofiltracji jest więc klaryfikacja roztworów, wydzielanie biomas komórkowych, a także sterylizacja pożywek (tzw. sterylizacja "na zimno"). Siłą napędową procesu mikrofiltracji jest różnica ciśnień hydrostatycznych po obu stronach przegrody, rzędu 0,05-0,5MPa. Mikrofiltrację prowadzi się często w układzie stycznym (filtracja styczna, ang. "cross-flow", "tangential flow"), co w większej mierze zapobiega odkładaniu się osadu na powierzchni membrany.
- Ultrafiltracja (UF) Membrany stosowane w ultrafiltracji mają pory rzędu 0,005-0,1um (5-100nm), a różnica ciśnień na membranie w tym procesie wynosi 0,2-1,0 MPa. Proces ultrafiltracji umożliwia jednoczesne frakcjonowanie i zagęszczanie wybranych składników cieczy. Permeat po UF nie zawiera już białek, polisacharydów, wirusów, niektórych barwników, enzymów i witamin, natomiast pozostają w nim proste cukry, kwasy organiczne, zdysocjowane jony nieorganiczne i większość produktów degradacji cieplnej. Mętność ultrafiltratu całkowicie zanika i nie obserwuje się już zjawiska rozpraszania światła.
- Nanofiltracja to proces, który obejmuje zakres separacji substancji o wymiarach w granicach 0,001-0,005um (l-5nm). Zatrzymywane są tu aminokwasy, proste cukry, enzymy i niektóre jony. Frakcja ta zawiera wiec większość substancji pochłaniających promieniowanie ultrafioletowe (cukry i produkty ich rozpadu), substancje odpowiedzialne za smak i zapach, substancje zabarwiające. Permeat jest jasno zabarwiony, klarowny, zawiera tylko niektóre sole i cząstki o małej masie cząsteczkowej (np. alkohole). Sposób separacji składników w procesie NF jest połączeniem przepływu kapilarnego, typowego dla MF i UF, z mechanizmem rozpuszczająco-dyfuzyjnym, charakterystycznym dla odwróconej osmozy (RO). Membrany nanofiltracyjne posiadają różne zakresy selektywności, począwszy od przegród o wysokiej nieprzepuszczalności dla NaCl, poprzez membrany wybiórczo zatrzymujące niektóre jony, do takich, które zatrzymują cząsteczki kwasów.
- Perwaporacja (PV) Perwaporacja pozwala na rozdzielenie ciekłej mieszaniny z częściowym jej odparowaniem - permeat występuje w postaci pary. Membrany stosowane w PV mają porowatość podobną jak w RO, a transport masy zachodzi na zasadzie mechanizmu sorpcyjno-dyfuzyjnego. Tak więc po jednej stronie membrany następuje adsorpcja i rozpuszczanie się składników danego roztworu, następnie rozpuszczone cząsteczki dyfundują w membranie i z jej drugiej strony ulegają desorpcji ("odparowaniu"). Efekt rozdzielania składników roztworu wynika, podobnie jak w RO, z różnic sorpcji i rozpuszczalności w membranie. Różnice te są natomiast efektem specyficzności oddziaływań układu membrana-ciecz lub też wynikiem uprzywilejowanej sorpcji cząstek o mniejszym rozmiarze. Praktyczne zastosowanie procesu perwaporacji zmierza do zastąpienia tym procesem konwencjonalnej destylacji.
- Elektrodializa to proces membranowego rozdzielania roztworów ciekłych, których składniki jonowe (sole, kwasy, zasady) przenikają przez membrany pod wpływem różnicy potencjałów zewnętrznego pola elektrycznego. W procesie tym membrany są jonowymienne, mają albo ładunek dodatni (przepuszczalne dla anionów - anionity), albo ładunek ujemny (przepuszczalne dla kationów - kationity). Kationity wytwarzane są poprzez fizyczne lub chemiczne unieruchomienie w cienkich foliach wykonanych z polimerów, grup sulfonowych o właściwościach silnie kwaśnych lub grup karboksylowych o właściwościach słabo kwaśnych. Anionity natomiast mają unieruchomione grupy amoniowe, silnie zasadowe lub słabo zasadowe grupy aminowe czy też fenolowe. W ostatnich latach opracowano już membranę dwupolarną, umożliwiającą elektrodializę w pojedynczej membranie. Proces ED ma zastosowanie do odsalania wody morskiej oraz uzdatniania wody technologicznej, a także do innych procesów demineralizacji.
- Odwrócona osmoza wymaga omówienia w osobnej kategorii.