Wiele osób nie do końca rozumie różnice pomiędzy różnymi technologiami filtracji membranowej. W tym artykule przedstawimy szczegółowe wyjaśnienie.
Oprócz usuwania kationów i anionów (tj. odsalania), odwrócona osmoza (RO) może również wyeliminować szeroką gamę zanieczyszczeń, dlatego uważa się ją za rodzaj filtracji. Zakresy zanieczyszczeń usuwanych przez RO, nanofiltrację (NF), ultrafiltrację (UF), mikrofiltrację (MF) i filtrację konwencjonalną (CF) pokazano na rysunku 1, natomiast rozmiary typowych substancji można znaleźć w tabeli 2.
Odwrócona osmoza (RO), nanofiltracja (NF), mikrofiltracja (MF) i ultrafiltracja (UF) to typy filtracji z-przepływem krzyżowym. Podczas procesu woda zasilająca jest dzielona na strumień permeatu (woda produktowa) i strumień koncentratu zawierający stężone substancje rozpuszczone lub zawieszone cząstki, przy czym większość substancji rozpuszczonych i zanieczyszczeń jest odprowadzana w koncentracie (patrz rysunek poniżej).
Natomiast konwencjonalna filtracja umożliwia przepływ wody bezpośrednio przez media filtracyjne (takie jak złoża filtracyjne lub membrany), gdzie zanieczyszczenia zatrzymują się na mediach lub w nich (patrz rysunek poniżej).
Na podstawie informacji zawartych na powyższych rysunkach możemy podsumować charakterystykę różnych technologii filtracji membranowej:
1.Mikrofiltracja (MF)
Usuwa cząsteczki o wielkości około 0,1–1 μm. Stosowany głównie do eliminacji bakterii, zawiesin i substancji koloidalnych. Rozpuszczone ciała stałe i duże cząsteczki mogą przechodzić. Ciśnienie robocze wynosi zazwyczaj około 0,07 MPa.
2.Ultrafiltracja (UF)
Usuwa cząstki większe niż około 0,002–0,1 μm. Stosowany głównie do usuwania koloidów, białek, zawiesin i mikroorganizmów. Potrafi odrzucać substancje o masie cząsteczkowej (MWCO) powyżej 1 000–100 000, jednocześnie przepuszczając rozpuszczone ciała stałe i małe cząsteczki. Ciśnienie robocze na ogół mieści się w zakresie od 0,1 do 0,7 MPa.
3.Nanofiltracja (NF)
Nazwany ze względu na zdolność usuwania cząstek o wielkości około 1 nm (0,001 μm). Zwykle usuwa substancje organiczne o masie cząsteczkowej powyżej 200–400, przy stopniu odsalania 20–98%. Usuwanie jonów jednowartościowych waha się od 20–98%, podczas gdy jony dwuwartościowe można usuwać z większą szybkością, wynoszącą 90–98%. Nadaje się do usuwania barwników, całkowitego węgla organicznego (TOC) i twardości. Ciśnienie robocze zwykle waha się od 0,35 do 1,6 MPa.
4. Odwrócona osmoza (RO)
Usuwa cząsteczki o wielkości zaledwie 0,0001 μm i substancje organiczne o masie cząsteczkowej powyżej 150–200. Stopień odsalania może przekraczać 95%, co czyni tę metodę podstawową metodą wstępnego oczyszczania wody o wysokim-zasoleniu i jedną z najbardziej zaawansowanych obecnie technologii uzdatniania wody. Jej zastosowania są coraz szersze. Ciśnienie robocze na ogół mieści się w zakresie od 1,4 do 6,0 MPa.
Membrany odwróconej osmozy (RO) nie tylko zapewniają wysoką wydajność odsalania, ale także działają jako wysoce precyzyjne filtry. Ich efektywna wielkość porów może być mniejsza niż 0,001 µm (średnica ludzkiego włosa przekracza 30 µm), co pozwala systemom RO usuwać drobne zawieszone ciała stałe, bakterie, endotoksyny i inne zanieczyszczenia. Należy jednak zauważyć, że pory w sensie fizycznym w rzeczywistości nie istnieją w membranach RO; takich porów nigdy nie zaobserwowano, nawet pod mikroskopem-o dużym powiększeniu. To sprawia, że filtracja RO zasadniczo różni się od procesów z prawdziwymi porami membrany, takich jak ultrafiltracja.
Rysunek ilustruje sposób, w jaki woda przepływa przez membranę RO. Wynika z niego, że podczas filtracji woda przepływa niemal całą powierzchnią membrany, a prędkość głównego przepływu w pobliżu powierzchni membrany jest w zasadzie taka sama, jak rzeczywisty przepływ permeatu przez membranę.
Gdy woda przepływa przez pory membrany ultrafiltracyjnej (UF), całkowite pole- przekroju poprzecznego porów jest znacznie mniejsze niż całkowita powierzchnia membrany. W rezultacie woda w pobliżu powierzchni membrany UF jest przepychana przez pory pod ciśnieniem, powodując, że prędkość przepływu przez każdy z porów jest znacznie wyższa niż prędkość głównego przepływu w pobliżu powierzchni membrany.
Zarówno w procesach RO, jak i UF, gdy woda przenika przez powierzchnię membrany, cząstki zawieszone i inne zanieczyszczenia w wodzie zasilającej są zatrzymywane na powierzchni membrany. Ciągły przepływ permeatu wywiera siłę na te zanieczyszczenia, uniemożliwiając im ponowne-przedostawanie się do głównego strumienia, który porusza się równolegle do powierzchni membrany. Aby zanieczyszczenia mogły powrócić do głównego strumienia, siła ścinająca równoległego przepływu wzdłuż powierzchni membrany musi pokonać siłę ścinającą przenikającej wody. To wyjaśnia, dlaczego utrzymanie określonego natężenia przepływu wody zasilającej ma kluczowe znaczenie dla systemów RO. Jednakże w membranach UF lokalna prędkość przez pory jest bardzo duża, a równoległe ścinanie przepływu w pobliżu powierzchni membrany jest niewystarczające, aby zapobiec pozostawaniu zatrzymanych zanieczyszczeń na membranie.
