Membrane și Procese de Membrane

CAP.I ASPECTE GENERALE

In cadrul proceselor de separare, pe langa procesele clasice de separare (distilarea, rectificarea, extractia, schimbul ionic, filtrarea, centrifugarea, sedimentarea), au aparut o serie de alte procese, cunoscute ca procese de membrana.

Procesele de membrană au cunoscut, incepand cu anii '70, o dezvoltare spectaculoasa, utilizandu-se la nivel industrial in domenii cum ar fi: tratarea apelor reziduale, tehnologiile medicale, industria chimică. Evolutia rapida si diversa a acestor tehnologii a fost posibila datorita punerii la punct a tehnicilor experimentale de preparare si caracterizare a membranelor.

Un sistem complex format dintr-un solvent in care se gasesc dizolvate specii chimice ionice, molecule si macromolecule si dispersate macromolecule, agregate moleculare si particule, poate fi separat in componente prin procese membranare. Datorita gamei largi de utilizari a acestora se evidentiaza cinci importante procese membranare (microfiltrarea, ultrafiltrarea, osmoza inversa, dializa si electrodializa) care acopera intregul domeniu de marimi de particule de separat, egaland in versatilitate sedimentarea in camp centrifugal. Procesele membranare permit si separarea unor specii chimice dizolvate, deci fracţionarea unor sisteme omogene, asemanandu-se din acest punct de vedere cu extracţia, distilarea sau schimbul ionic.

Dupa cum se observa din tabelul 1, microfiltrarea, ultrafiltrarea, nanofiltrarea şi osmoza inversa au ca forţa motrice diferenta de presiune, acestea numindu-se procese de baromembrana. Procesele de baromembrana ocupa primul loc in gama aplicatiilor industriale. Aceste procese sunt de obicei incadrate in categoria tehnicilor de filtrare inaintata. Astfel, osmoza inversa este similara unei deshidratari prin hiperfiltrare, ultrafiltrarea seamana cu tehnicile de concentrare, purificare si fractionare a macromoleculelor sau dispersiilor coloidale, iar microfiltrarea este consacrată in separarea suspensiilor. Practic fiecare proces membranar se poate constitui intr-o alternativa viabila pentru alte procese de separare.

Tabel nr. 1 Procesele membranare si caracteristicile lor.

Procesul de membrană Tipul membranei Forţa motrice Mecanism de separare Aplicatii

Microfiltrare (MF) Simetrica microporoasa

(0,1 - 10 mm) Presiune hidrostatica

(0,1 - 1 bar) Curgere capilara si adsorbtie Filtrare sterila, clarificare

Ultrafiltrare (UF) Asimetrica microporoasa

(0,01 - 0,1 mm) Presiune hidrostatica

(0,5 - 5 bar) Curgere capilara Separarea solutiilor de macromolecule

Nanofiltrare (NF)

Asimetrica cu strat Presiune

10 - 30 bar Curgere capilara si solubilizare - difuzie Separarea anionilor de valente diferite.

Osmoza inversa

Hiperfiltrare (HF) Asimetrica cu strat activ Presiune

20 - 200 bar Solubilizare - difuzie Separarea sarurilor si microsolvitilor din solutii

Dializa (D) Simetrica microporoasa Gradient de concentratie Difuzie Separarea diversilor solviti din solutii macromoleculare

Electrodializa (ED) Cationice si anionice Potential electric Schimbul de sarcini Îndepartarea ionilor din solutii

Distilare prin membrane Microporoasa Presiune de vapori Transportul vaporilor prin membrane Apa ultrapura, concentrarea solutiilor

Electrodializa cu membrana Cationice, anionice, microporoase Gradientul de concentratie Transportul si schimbul de sarcina Obtinerea NaOH de inalta puritatea clorului, a hidrogenului

1.1 STRUCTURA MEMBRANELOR

Membranele polimerice sau anorganice, sintetice sau naturale au ca principala caracteristica structura. Termenul "structura" se refera in cazul acesta la textura (morfologia) membranelor, care din acest punct de vedere poate fi: simetrica, asimetrica sau compozita. Membranele omogene se obtin din materiale care nu permit formarea de structuri asimetrice sau compozite si sunt destinate unor aplicatii care utilizează morfologii membranare anizotrope sau care nu necesita valori mari ale fluxurilor de produs.

Structura membranara influenteaza criteriile de selectare a materialelor membranare, constituind factorul esential in mecanismele de separare si transport. Astfel membranele poroase, materiale care conţin goluri de dimensiuni mult mai mari decat dimensiunile moleculare, conform clasificărilor internationale, pot fi membrane macroporoase, mezoporoase si microporoase, dupa cum marimea porilor este mai mare de 50 nm, cuprinsa ntre 50 si 2 nm si respectiv mai mica de 2 nm. Procesul de transport al speciilor chimice prin acest tip de membrane, avand ca forta motrice gradientul de presiune, concentratie sau potential electric, are loc prin sistemul de pori printr-un mecanism de curgere capilara.

Membranele neporoase nu posedă pori detectabili microscopic, acestea fiind asimilate, din punct de vedere structural, cu un solvent imobil pentru moleculele supuse transportului. Procesul de transport prin membranele de acest tip se efectuează printr-un mecanism de solubilizare-difuzie, speciile chimice se dizolvă şi difuzează în interiorul membranei sub acţiunea gradientului de concentraţie şi / sau de presiune. Un factor important în procesul de transport prin membranele neporoase îl constituie interacţia dintre faza fluidă şi membrană. Ca urmare a procesului de interacţie, membrana se poate gonfla în fluid sau poate fi complet dizolvată.