Elektrohemijski postupci tretmana otpadnih voda
Tema:
Membranski procesi u pripremi vode za piće
Student: Profesor:
Asistent:
Membranski procesi u pripremi vode za piće
Seminarski rad Strana 2
Sadržaj
1. Membranski procesi u pripremi vode za piće.........................................................................3
2. Membranski procesi separacije...............................................................................................3
3. Mehanizam membranske separacije.......................................................................................4
3.1. Selektivno delovanje membrane
...............................................................................4
3.2. Tok strujanja fluida u odnosu na membranu
............................................................5
3.3. Koncentraciona polarizacija
....................................................................................5
4. Parametri procesa membranske separacije..............................................................................6
5. Tehnička izvedba procesa membranske separacije.................................................................7
5.1. Membrane
.................................................................................................................7
5.2. Moduli
.......................................................................................................................9
5.3. Uređaji za membransku separaciju
........................................................................11
5.4. Uređaj za elektrodijalizu
........................................................................................11
6. Primena membranskih procesa u pripremi vode...................................................................12
6.1. Uklanjanje mikroorganizama
.................................................................................12
6.2. Uklanjanje organskih materija
...............................................................................12
6.3. Demineralizacija
....................................................................................................12
6.4. Ostale namene
........................................................................................................13
7. Literatura...............................................................................................................................14
Membranski procesi u pripremi vode za piće
Seminarski rad Strana 4
3. Mehanizam membranske separacije
3.1. Selektivno delovanje membrane
Separacija suspenzije ili rastvora kroz membranu zasnovana je na selektivnoj
propustljivosti membrane. Postoje četiri osnovna tipa membrana:
porozna membrana,
neporozna membrana,
nodularna membrana,
sunđerasta membrana.
Dok se u slučaju mikrofiltracije uglavnom zna kako membrana deluje, selektivno
delovanje membrane u slučaju ultrafiltracije, elektrodijalize, a naročito reverzne osmoze,
zasnovano je na nekoliko teorija.
Mikrofiltraciju uspešno objašnjava teorija pora ili membranskog sita. Po toj teoriji
pore membrane su cilindrične i pružaju se kroz membranu, normalno na njenu površinu.
Takva struktura membrane deluje kao sito, što u slučaju mikrofiltracije znači da se
suspendovane i koloidno dispergovane čestice veće od prečnika pora zadržavaju na membrani,
a manje prolaze sa rastvorom. U slučaju ultrafiltracije ili reverzne osmoze membrana deluje
kao membransko sito:molekuli veći od pora se zadržavaju na membrani a rastvarač (voda) i
molekuli manjih prečnika prolaze. Teorija molekulskog sita uglavnom dobro objašnjava
ultrafiltraciju ali nije u stanju da objasni da se prilikom reverzne osmoze, uprkos praktično
istoj veličini molekula vode i jona natrijuma ili hlora, na membrani zadržavaju joni Na i Cl a
da voda prolazi.
Elektrodijalizu dobro objašnjava teorija permselektivnog mehanizma, što je zapravo
teorija pora upotpunjena sa gledištem da membrana sadrži veliki broj fiksiranih naelektrisanja
istog znaka naelektrisanja, a zadržava i propušta kroz pore jone suprotnog naelektrisanja.
Selektivnost membrana od acetata celuloze dobro objašnjava teorija vodoničnih veza,
molekuli vode formiraju vodonične veze i popunjavaju slobodan prostor između lanaca
sprečavajući tako prolaz ostalih supstanci:
molekuli vode se kreću kroz membranu premeštajući se sa jednog mesta vodonične
veze na drugo pod dejstvom hidrostatičkog pritiska,
jonizovani molekuli ne formiraju vodonične veze i kroz membranu prolaze samo kroz
pore koje nisu ispunjene vodom.
Mehanizam reverzne osmoze najbolje objašnjava teorija preferencijalne sorpcije – difuzije
rastvora, pogotovo za polimerne materijale. Posmatra li se sistem voda (rastvarač)-rastvorak-
membrana, voda je polarna, rastvorak moze da bude polaran, nepolaran ili jonizovan, a
membrana (polimer) je polarna ili nepolarna. Iz toga slede sledeći mogući slučajevi:
membrana (polimer) više privlači (ili manje odbija) vodu od rastvorka, javlja se
preferencijalna sorpcija vode na membrani i dolazi do razdvajanja rastvorka,
membrana isto privlači vodu i rastvorak, na površini membrane ne formira se vodeni
sloj i ne dolazi do razdvajanja rastvorka, bez obzira na veličinu pora,
membrana više privlači rastvorak od vode, javlja se preferencijalna sorpcija rastvorka
na membrani, rastvaranje će biti pozitivno, negativno ili ga nema u zavisnosti od
relativne pokretljivosti molekula rastvorka i vode.
Membranski procesi u pripremi vode za piće
Seminarski rad Strana 5
3.2. Tok strujanja fluida u odnosu na membranu
Mikrofiltracija može da se izvodi kao statička i dinamička filtracija. U slučaju statičke
mikrofiltracije membrana “pregrađuje” tok, voda prolazi kroz membranu a čestice mutnoće
veće od otvora pora zaostaju na membrani. Filtracijom izdvojene čestice mutnoće stvaraju sloj
koji progresivno prekriva površinu membrane izazivajući pad protoka da bi vremenom,
povećanjem debljine sloja, došlo do potpune blockade membrane i prestanka filtracije. Kod
dinamičke mikrofiltracije voda sa suspendovanim česticama teče duž membrane,
tangencijalno, a u unakrsnom toku kroz membranu, filtrira se voda, dok čestice mutnoće
zaostaju u tangencijalnom toku.
Ultrafiltracija, elektrodijaliza i reverzna osmoza izvode se samo u cross-flow režimu strujanja.
Deo toka koji prolazi kroz membranu naziva se permeat, a deo toka tangencijalan na
membranu, u kome zaostaju čestice mutnoće (u slučaju ultrafiltracije makromolekuli, a u
slučaju reverzne osmoze i soli), naziva se retentat. Kod cross-flow režima rada razlikujemo
dva pada pritiska:
duž membrane, nastao usled otpora membrane, tzv. aksijalni pad pritiska, i
kroz membranu, tzv. transmembranski pad pritiska, koji je pogonska sila cross-flow
mikrofiltracije, odnosno ultrafiltracije i reverzne osmoze.
3.3. Koncentraciona polarizacija
Osnovni postulat cross-flow režima rada je da se, usled proticanja fluida, čestice
mutnoće održavaju u suspenziji, odnosno da se ne izdvajaju na membrani, a da se zbog
dovoljno velike brzine proticanja i one materije koje su se ipak izdvojile na membrani uklone
sa nje i vrate u retentat, tj. da fluid svojom brzinom svojim brzim proticanjem čisti
membranu. Naravno, tako je u idealnom slučaju. U praksi ipak dolazi do izdvajanja
suspendovanih čestica i/ili molekula rastvorka na membrani i kod cross-flow režima rada, iz
više razloga: membrana i pored turbulentnog režima “koči” sloj fluida uz samu njenu
površinu, a uz samu površine membrane se povećava koncentracija čestica/rastvorka jer se
deo toka izdvaja kroz membranu. Ta pojava naziva se koncentraciona polarizacija, a sloj
nakupljen na membrani zove se gel-sloj. Na stvaranje gel-sloja utiče i distribucija veličina
pora u membrani i veličina suspendovanih čestica molekula rastvorka i sile na površini
membrane koje dovode do zadržavanja čestica/molekula rastvorka manjih od prečnika pora u
membrani. Fluks permeata zavisiće od oslova koncentracione polarizacije.
Koncentaciona polarizacija u procesu elektrodijalize javlja se usled toga što je
mobilnost jona veća u jonoizmenjivačkim membranama nego u rastvoru.
Sem što drastično smanjuje fluks permeata, formirani gel-sloj se ponaša kao
membrana, odnosno, na pravoj membrani imamo sada novu, sekundarnu membranu koja je u
pravilu manjeg poroziteta, tako da, na primer, membrane za mikrofiltraciju poprimaju karakter
membrana za ultrafiltraciju. Zbog svega toga se teži da se koncentraciona polarizacija, počto
se već ne može izbeći, smanji koliko je moguće. Postoji niz postupaka i njihovih kombinacija,
a glavni su: održavanje male vrednosti fluksa, i održavanje minimalne razlike koncentracija
komponenti u suspenziji/rastvoru i na površini membrane. Mala vrednost fluksa se postiže
povećanjem površine membrane. Smanjivanje razlike u koncentraciji komponenti u fluidu i
gel-sloju ostvaruje se na različite načine. Obično se to postiže održavanjem dovoljno velike
