Τεχνολογίες Φίλτρων Νερού
Μεμβράνη Διήθησης
Τι είναι η Μεμβράνη Διήθησης;
Στη περίπτωση των πορωδών δομών και πιο συγκεκριμένα σε μια μεμβράνη διήθησης ισχύει ο μηχανισμός της ημιπερατότητας, δηλαδή το «φαινόμενο του κοσκινίσματος», όπου ο διαχωρισμός βασίζεται στη διαφορά των μεγεθών.
Σύμφωνα με αυτό το μηχανισμό, όταν το νερό διαπέρνα μέσα από αυτές τις μεμβράνες τα μόρια και τα σωματίδια που βρίσκονται στο νερό και είναι μεγαλύτερου μεγέθους από το μέγεθος των πόρων της μεμβράνης, δεν μπορούν να περάσουν δια μέσου της μεμβράνης, ενώ τα μικρότερα την διαπερνούν.
Επιπλέον ο διαχωρισμός βασίζεται και στη διαλυτότητα των μορίων στη μεμβράνη διήθησης αλλά και στο ηλεκτρικό τους φορτίο. Η διεργασία της διάλυσης, στηρίζεται στις διαφορές των διαλυτοτήτων των ενώσεων που περιέχονται στο υγρό και στην κινητικότητα των διαφορετικών διαλυτών συστατικών στην επιφάνεια της μεμβράνης.
Γεωμετρία και Διατάξεις Μεμβρανών
Επί του παρόντος, χρησιμοποιούνται 5 βασικές διατάξεις μεμβρανών:
- Διάταξη Κοίλων Ινών (Hollow Fibers)
Στη διάταξη κοίλων ινών η μεμβράνη σχηματίζεται από χιλιάδες τριχοειδής σωλήνες εσωτερικής διαμέτρου 0,2-0,5 mm, οι οποίοι συνδέονται παράλληλα και τοποθετούνται μέσα στο κέλυφος για να σχηματισθεί η διάταξη. - Διάταξη Σπειροειδούς Περιέλιξης (Spiral Wound)
Στη διάταξη αυτή τοποθετείται ένα εύκαμπτο πλέγμα διαχωρισμού ροής (για το διήθημα) μεταξύ δύο επίπεδων μεμβρανικών φύλλων. Οι μεμβράνες στεγανοποιούνται σε τρεις πλευρές, ενώ ένας διάτρητος σωλήνας συλλογής του διηθήματος προσαρμόζεται στην πλευρά των μεμβρανών που παραμένει ανοιχτή. Μετά την προσθήκη ενός δεύτερου εύκαμπτου πλέγματος διαχωρισμού ροής (για την τροφοδοσία), τα επίπεδα φύλλα τυλίγονται γύρω από το διάτρητο σωλήνα συλλογής, σχηματίζοντας ένα συμπαγές κυλινδρικό σάντουιτς. Η ονομασία της διάταξης αυτής, οφείλεται στο γεγονός ότι οι γραμμές ροής του διηθήματος έχουν ελικοειδή μορφή. - Η Διάταξη Πλακών και Πλαισίου (Plate and Frame)
Στην πλακοειδή διάταξη οι μεμβράνες αποτελούνται από μια σειρά επίπεδων μεμβρανικών φύλλων και πλακών υποστήριξης, όπου το νερό κινείται μεταξύ των στενών καναλιών που σχηματίζονται από τις γειτονικές πλάκες στήριξης των μεμβρανών. - Σωληνωειδής Διάταξη (Tubular)
Οι μεμβράνες έχουν σχήμα σωλήνα με διάμετρο 1-2,5mm. Τοποθετούνται σε σωλήνα από πορώδη υλικό(κεραμικό ή πολυεστερικό ή ανοξείδωτο χάλυβα) με αξονική ροή τροφοδοσίας και κάθετη έξοδο του διηθήματος. - Διάταξη Κασέτας Πτυχωτών Φίλτρων (Pleated-Cartridge Filters)
Η διάταξη αυτή χρησιμοποιείται αποκλειστικά σε εφαρμογές μικροδιήθησης. Οι διατάξεις αυτού του είδους προορίζονται συνήθως, βάσει σχεδιασμού, για μία και μόνο χρήση.
Τύποι Μεμβρανών
Ισοτροπικές
Οι μεμβράνες με ομοιογενή δομή διατομής ονομάζονται συμμετρικές (symmetrical) ή ισοτροπικές (isotropic). Αυτό σημαίνει ότι ο διαχωρισμός γίνεται κατά τον ίδιο ακριβώς τρόπο, ανεξάρτητα από τη διεύθυνση ροής. Χωρίζονται σε:
- Μικροπορώδεις
-Μεμβράνες Αναστροφής Φάσεων
-Μεμβράνη Εγχαραγμένων Διαύλων
-Μεμβράνη Διογκωμένου Υμενίου - Πυκνές
Ανισοτροπικές
Οι μεμβράνες που δεν εμφανίζουν ομοιογενή δομή σε ολόκληρη τη διατομή τους, δηλαδή η μορφολογία τους διαφέρει σημαντικά κατά μήκος του πάχους τους ονομάζονται ασυμμετρικές (asymmetrical) ή ανισοτροπικές (anisotropic) και αποτελούνται από μία ενεργό στιβάδα (active layer) και μία στιβάδα υποστήριξης (support layer). Χωρίζονται σε:
- Μεμβράνες Διαχωρισμού Φάσεων
- Σύνθετες Μεμβράνες Λεπτού Υμενίου
Υλικά Κατασκευής των Μεμβρανών
Ένα από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά των υλικών που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή μεμβρανών είναι η υδροφοβικότητα (hydrophobicity). Τα οργανικά υλικά που χρησιμοποιούνται κατά κόρον στη βιομηχανία μεμβρανών περιλαμβάνουν:
- Οξική Kυτταρίνη (CA)
Είναι το πλέον υδρόφιλο από τα συνηθέστερα χρησιμοποιούμενα υλικά στη βιομηχανία μεμβρανών, γεγονός που περιορίζει την έμφραξη και βοηθάει στη διατήρηση υψηλών τιμών ροής διηθήματος. - Πολυσουλφόνες (PSU) και Πολυαιθερικές Σουλφόνες (PES)
Πρόκειται για μετρίως υδρόφοβα υλικά που ενδέχεται όμως να είναι επιρρεπή σε μεγάλο βαθμό έμφραξης. Είναι πολύ σταθερά και εμφανίζουν εξαιρετική χημική και βιολογική ανθεκτικότητα. - Πολυβινυλιδενοφθορίδιο (PVDF)
Είναι μετρίως υδρόφοβο και εμφανίζει εξαιρετική διάρκεια ζωής, χημική σταθερότητα και βιολογική ανθεκτικότητα. - Πολυπροπυλένιο (PP)
Είναι το πλέον υδρόφοβο από τα συνηθέστερα χρησιμοποιούμενα υλικά στη βιομηχανία μεμβρανών. Έχει μεγάλη διάρκεια ζωής, είναι χημικά και βιολογικά σταθερό. - Άλλα Οργανικά & Ανόργανα Υλικά
Σε αυτά ανήκουν τα χλωριούχα πολυβινύλια, τα πολυαμίδια, τα πολυακρυλικά, τα συμπολυμερή του ακρυλονιτριλίου και του βινυλοχλωριδίου, η πολυβινυλική αλκοόλη, η ακετυλιωμένη κυτταρίνη, το διοξείδιο του τιτανίου και του ζιρκονίου.
Οι Διεργασίες Φιλτραρίσματος για τη Μεμβράνη Διήθησης
Μικροδιήθηση (MF)
- Τύπος Μεμβράνης: Συμμετρική / Ασσυμετρική
- Γεωμετρία Μεμβράνης: Σωληνοειδής/ Κοίλων Ινών
- Υλικά Κατασκευής: Λεπτό Υμένιο/ Οξική Κυτταρίνη (CA)
- Εύρος Πίεσης: < 2 bar
- Μέγεθος Πόρων: 0,1-1,5 micron
Η μικροδιήθηση (MF) είναι μια διεργασία χαμηλής διαμεμβρανικής πίεσης και η μεμβράνη της χαρακτηρίζεται ως πορώδης. Ο διαχωρισμός επιτυγχάνεται μόνο μηχανικά και κατακρατά τα αιωρούμενα σωματίδια, τα βακτήρια και τη θολότητα. Xρησιμοποιείται συνήθως ως προεπεξεργασία πριν την εφαρμογή της νανοδιήθησης και της αντίστροφης όσμωσης.
Υπερδιήθηση (UF)
- Τύπος Μεμβράνης: Ασσυμετρική
- Γεωμετρία Μεμβράνης: Σωληνοειδής/ Κοίλων Ινών/ Σπειροειδούς Περιέλιξης/ Πλακών και Πλαισίου
- Υλικά Κατασκευής: Λεπτό Υμένιο/ Οξική Κυτταρίνη (CA)
- Εύρος Πίεσης: 1-10 bar
- Μέγεθος Πόρων: 0,01-0,1 micron
Η υπερδιήθηση (UF) είναι και αυτή μια διεργασία χαμηλής διαμεμβρανικής πίεσης και η μεμβράνη της χαρακτηρίζεται ως πορώδης. Ο διαχωρισμός επιτυγχάνεται μόνο μηχανικά, ενώ κατά τη διεργασία απορρίπτονται τα αιωρούμενα σωματίδια, τα μικροπλαστικά, τα κολλοειδή σωματιδία, οι κύστες, τα βακτηρία και τα συστατικά υψηλού μοριακού βάρους (High Molecular Weight Components, HMWCs), όπως οι πρωτεΐνες, ενώ όλα τα συστατικά χαμηλού μοριακού βάρους (Low Molecular Weight Components, LMWCs) διέρχονται χωρίς δυσκολία μέσω της μεμβράνης.
Νανοδιήθηση (NF)
- Τύπος Μεμβράνης: Ασσυμετρική
- Γεωμετρία Μεμβράνης: Σωληνοειδής/ Σπειροειδούς Περιέλιξης/ Πλακών και Πλαισίου
- Υλικά Κατασκευής: Κεραμικά/ Πολυσουλφόνες (PSU)/ Πολυβινυλιδενοφθορίδιο (PVDF)/ Λεπτό Υμένιο/ Οξική Κυτταρίνη (CA)
- Εύρος Πίεσης: 5-35 bar
- Μέγεθος Πόρων: 0,001-0,01 micron
Η νανοδιήθηση (NF) είναι μια διεργασία υψηλής διαμεμβρανικής πίεσης και η μεμβράνη της χαρακτηρίζεται ως πυκνή. Στις πυκνές μεμβράνες ο διαχωρισμός εκτός από μηχανικά επιτυγχάνεται και με τις φυσικοχημικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των συγκρατούμενων συστατικών και του υλικού της μεμβράνης. Η ειδικότητά της είναι η κατακράτηση πολυσθενών ιόντων όπως των θειικών ή των φωσφορικών, των βαρέων μετάλλων, των νιτρικών αλάτων, των οργανικών μακρομορίων, τα ραδιονουκλεϊδίων, των ολικά διαλυμένων στερεών (TDS), των βακτηρίων, των ιών, και των κυστών. Επιπλέον, επειδή αφαιρεί τα διτανθρακικά ιόντα, τα ιόντα ασβεστίου και τα ιόντα μαγνησίου. Τα χαρακτηριστικά διαχωρισμού της νανοδιήθησης βρίσκονται μεταξύ της αντίστροφης ώσμωσης και της υπερδιήθησης. Ο μηχανισμός διαχωρισμού των μεμβρανών της νανοδιήθησης βασίζεται στο ταυτόχρονο αποτέλεσμα του ηλεκτρικού διαχωρισμού και του διαχωρισμού με βάση το μέγεθος των σωματιδίων.
Αντίστροφη Όσμωση (RO)
- Τύπος Μεμβράνης: Ασσυμετρική
- Γεωμετρία Μεμβράνης: Σωληνοειδής/ Σπειροειδούς Περιέλιξης/ Πλακών και Πλαισίου
- Υλικά Κατασκευής: Κεραμικά/ Πολυπροπυλένιο (PP)/ Πολυσουλφόνες (PSU)/ Πολυβινυλιδενοφθορίδιο (PVDF)
- Εύρος Πίεσης: 15-150 bar
- Μέγεθος Πόρων: 0,0001-0,001 micron
Η αντίστροφη όσμωση (RO) ασκεί υψηλή πίεση σε μια πυκνή ημιπερατή μεμβράνη, που κατακρατά όλες τις οργανικές ενώσεις, τους ιούς, τα μέταλλα, αλλά και τα μονοσθενή ιόντα. Στην ουσία διαχωρίζει το νερό σε δύο διαδρομές, επιτρέποντας μόνο στα μόρια του νερού να περάσουν. Η μεμβράνη αντίστροφης όσμωσης χρησιμοποιείται για αφαλάτωση του νερού. Ο διαχωρισμός γίνεται με μεγαλύτερη ακρίβεια από ότι στη νανοδιήθηση και επιτυγχάνεται με το συνδυασμό της μηχανικής διεργασίας και των φυσικοχημικών αλληλεπιδράσεων που συμβαίνουν στην επιφάνεια της μεμβράνης.
