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. Dodatkowo w procesie ultrafiltracji przy zastosowaniu membran, w których średnica porów nie przekracza kilku nanometrów, obok efektu sitowego coraz większą rolę pełnią oddziaływania rozdzielanych substancji z materiałem membrany oraz procesy dyfuzji. Dlatego też przyjmuje się, że proces ten wykazuje cechy dwóch innych technik membranowych: ultrafiltracji (efekt sitowy) oraz procesu dyfuzji (odwróconej osmozy). Nanofiltracja jest przykładem jednego z wielu procesów membranowych, których głównym zastosowaniem jest rozdział składników mieszanin ciekłych i gazowych. W procesie tym dzięki zastosowaniu specjalnych typów membran możliwe jest rozdzielanie składników mieszanin niewiele różniących się rozmiarami np. par i gazów lub też jonów albo podobnych co do rozmiaru obojętnych związków małocząsteczkowych od rozpuszczalnika, co w praktyce jest stosowane m.in. w procesie oczyszczania wody. Nanofiltracja pozwala na produkcję wody o wysokiej jakości, z której usunięte są nie tylko naturalne substancje organiczne oraz związki nieorganiczne, ale również mikrozanieczyszczenia organiczne. Ponadto nanofiltacjia jest stosowana również w odniesieniu do procesu usuwania pestycydów z wody gruntowej, metali ciężkich ze ścieków, azotanów jak również zmiękczania wody.
Moduły membranowe stosowane w procesie nanofiltracji
W procesach nanofiltracji podstawową rolę spełniają odpowiednio dobrane membrany, które stanowią fazę ciągłą oddzielającą dwa roztwory (ciekłe albo gazowe) i jednocześnie stwarzają mniej lub bardziej skuteczne przeszkody dla przepływu poszczególnych składników tych roztworów. Procesy rozdzielania membranowego są prowadzone w tzw. modułach membranowych, dzięki którym zapewniony jest przepływ separowanej mieszaniny w kierunku prostopadłym albo równoległym do powierzchni membrany. Składniki przepływają z tzw. roztworu zasilającego przez membranę do roztworu „odbierającego”, inaczej permeatu z różnymi szybkościami, dzięki czemu membrana jest przegrodą selektywną. W celu zmniejszenia blokowania powierzchni membrany przez osad czynny, ruch roztworu zasilającego powinien być turbulentny, najlepiej skierowany wzdłuż powierzchni membrany. Kierunki przepływu roztworu zasilającego i permeatu są wtedy prostopadłe (cross-flow filtration), a z modułu poza permeatem wypływa tzw. retentat. Jest nim reszta roztworu zasilającego zubożona o składnik, który przeszedł do permeatu. Tak działające moduły membranowe poza procesem nanofiltracji stosuje się również w innych procesach membranowych takich jak ultrafiltracja, odwrócona osmoza, perwaporacja i dializa.
Nanofiltracja w oczyszczaniu wody
Sprawne oddzielenie szkodliwych składników zawartych w wodzie jest warunkiem zagwarantowania jej odpowiednich parametrów jakościowych. Realizacja tego jest możliwa m.in. dzięki zastosowaniu w technologiach uzdatniania wody procesu separacji membranowej, jakim jest nanofiltracja. 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. Zastosowanie nanofilracji pozwala na całkowite usunięcie NOM z wody. Dodatkowo proces nanofiltracji już od drugiej połowy lat 80. jest wykorzystywany do zmiękczania wody jako alternatywny do wcześniej stosowanych procesów zmiękczania chemicznego i wymiany jonowej. Dzięki właściwościom separacyjnym membran możliwe jest oddzielenie jonów dwuwartościowych od jednowartościowych jak również zatrzymanie substancji organicznych o masach cząsteczkowych ponad 200-300 Da. Jonoselektywność nanofiltracji jest możliwa dzięki obecności na powierzchni membrany lub w jej porach grup ze stałym ładunkiem ujemnym, które w skutek wzajemnych oddziaływań elektrostatycznych przeszkadzają w przenikaniu (permeacji) jonom wielowartościowym.
Autor: Beata Rola
Literatura:
1. Bodzek M., Konieczny K. Technologie membranowe w uzdatnianiu wody do picia. Instytut Inżynierii Wody i Ścieków Politechnika Śląska
2. Ceynowa J. „Membrany selektywne i procesy membranowe” Wydział Chemii, Uniwersytet M. Kopernika, Toruń
3. Mielczarek M., Winnicki T. 1993 Nowoczesne techniki interwencyjnego oczyszczania wód. Ochrona Środowiska 4:3-6
