1

TECHNIKI

TECHNIKI

MEMBRANOWE

MEMBRANOWE

W INŻYNIERII

W INŻYNIERII

ŚRODOWISKA

ŚRODOWISKA



Wprowadzenie



Membrany



Procesy membranowe



Techniczne aspekty procesów membranowych



Projektowanie systemów membranowych



Membranowe uzdatnianie wody



Membranowe oczyszczanie ścieków i

powietrza



Zaawansowane techniki separacji w

przygotowaniu wody do celów energetycznych



Membrany w biotechnologii

2

Schemat modelu zanie-
czyszczenia środowiska

w procesie

produkcyjnym

zużywającym surowce i

energię

Proces

przemysłowy

Surowce

Energia

Produkty

Konsumpcja

Odpady

Odpady

stałe

Zanieczyszczenie

wody

Zanieczyszczenie

powietrza

Głównymi

powodami

wzrastającego

zanieczyszczenia środowiska jest

wysoki i stale

rosnący

poziom

uprzemysłowienia

oraz

przeludnienie.

przeludnienie.

Procesowi

otrzymywania

głównego,

pożądanego produktu w ogólnym przypadku
towarzyszy powstawanie odpadów

odpadów

, co w

konsekwencji prowadzi do zanieczyszczenia
środowiska naturalnego.

3

Zanieczyszczenia

występujące

w

środowisku charakteryzują się na ogół

niskim

stężeniem

,

ale

wysokim

zagrożeniem zdrowia ludzi

.

Koszt usuwania (oczyszczania) substancji
toksycznych z roztworów rozcieńczonych
jest praktycznie odwrotnie proporcjonalny
do

ich

stężenia, dlatego usuwanie

zanieczyszczeń ze środowiska jest na ogół
bardzo drogie.
Ponadto, zanieczyszczenia charakteryzują
się w wielu przypadkach bardzo niską
wartością

lub

są

mieszaniną

kilku

substancji





ujemna wartość ekonomiczna

ujemna wartość ekonomiczna

4

Wykorzystanie technik

Wykorzystanie technik

separacji w ochronie i

separacji w ochronie i

zarządzaniu środowiskiem

zarządzaniu środowiskiem



Strategia I

Strategia I

-

- technologie oczyszczania (end-

technologie oczyszczania (end-

pipe technology)

pipe technology)

- oczyszczanie ścieków i

- oczyszczanie ścieków i

powietrza,

unieszkodliwianie

odpadów

powietrza,

unieszkodliwianie

odpadów

stałych

stałych



Strategia II

Strategia II

-

- oczyszczanie strumieni

oczyszczanie strumieni

odpadowych w miejscu ich powstawania

odpadowych w miejscu ich powstawania

-

-

możliwość

ponownego

wykorzystania

możliwość

ponownego

wykorzystania

surowców wtórnych

surowców wtórnych



Strategia III

Strategia III

-

- oczyszczanie zintegrowane

oczyszczanie zintegrowane

-

-

techniki separacji w procesie produkcyjnym

techniki separacji w procesie produkcyjnym



Strategia IV

Strategia IV

-

- technologie bezodpadowe

technologie bezodpadowe

-

-

eliminują zanieczyszczenie środowiska

eliminują zanieczyszczenie środowiska

5

W

usuwaniu

zanieczyszczeń

i

minimalizowaniu

ich

wpływu

na

poszczególne

elementy

środowiska

możliwe

są

zatem

dwa

sposoby

postępowania:

Technologie

proekologicz

ne

Technologie

czyszczące

(cleaning

technology)

Technologie

czyste

(clean

technology)

Technologie proekologiczne

Technologie proekologiczne

6

Technologie czyszczące

Technologie czyszczące

W pierwszym przypadku - Technologie

Technologie

czyszczące

czyszczące

-

jest

to

dodatkowa

technologia

, polegająca na przetwarzaniu

strumienia zawierającego zanieczyszczenia.

Postępowanie to prowadzi do zmniejszenia
rozprzestrzeniania

się

zanieczyszczeń

występujących w strumieniu kierowanym na
instalację oczyszczania.

Zanieczyszczo

ne

źródło wody

Technolog

Technolog

ia

ia

czyszcząc

czyszcząc

a

a

Woda

Woda

czysta,

czysta,

do

do

ponownego

ponownego

użycia lub

użycia lub

odprowadz

odprowadz

enia do

enia do

środowiska

środowiska

Odpady stałe,

np.osady

ściekowe

Ścieki

(strategia I )

(strategia I )

7

Strategia

Strategia

II.

II.

Recyrkulacja

produktów

ubocznych

Procesy

przemysło

we

Technolo

Technolo

gia

gia

czyszcząc

czyszcząc

a

a

Odpady

stałe

Woda

Surowce

Produk

t

Woda

czysta,

do

ponownego

użycia lub

odprowadz

enia do

środowiska

Technologie czyszczące

Technologie czyszczące

Możliwość odzysku i ponownego
wykorzystania

produktów

ubocznych

8

Technologie

Technologie

czyste

czyste

Drugi sposób postępowania to tzw.

Strumień zanieczyszczeń nie opuszcza instalacji,
w której jest wytwarzany. W odpowiednio
zaprojektowanych

procesach

jest

on

modyfikowany lub frakcjonowany i zawracany do
odpowiednich węzłów procesu technologicznego.

Strategie III i IV.

Strategie III i IV.

Procesy

przemysłowe

Technologia

separacji

Woda

Surowce

Produkt

Zredukowana

ilość odpadów

lub układ

bezściekowy

Układ

zintegrowany

9

Wprowadzanie

czystych

technologii

(bezodpadowych) wiąże się z zastąpieniem

zastąpieniem

lub zmodernizowaniem

zmodernizowaniem

konwencjo

konwencjo-

nalnych

nalnych

przemysłowych procesów produkcyjnych, w
kierunku zminimalizowania zużycia energii i
wyeliminowania strumieni odpadowych.
Rozpowszechnienie technologii czystych

technologii czystych

jest

jednak ciągle w stadium początkowym,
ponieważ

procesy

produkcyjne

są

zaprojektowane dla optymalnych parametrów,
a ich każda zmiana komplikuje główny proces
technologiczny.

Wdrożenie

Wdrożenie

technologii czystych

technologii czystych

wymaga

wymaga

zmiany sposobu myślenia oraz poniesienia

zmiany sposobu myślenia oraz poniesienia

dodatkowych kosztów inwestycyjnych, jak

dodatkowych kosztów inwestycyjnych, jak

również

zwiększenia

ceny

produktu

również

zwiększenia

ceny

produktu

końcowego.

końcowego.

Technologie proekologiczne

Technologie proekologiczne

I.

II.

III.

10

Procesy separacji stosowane jako

Procesy separacji stosowane jako

technologie

technologie

czyszczące i czyste

czyszczące i czyste

Podział procesów separacji według własności rozdzielanych cząsteczek

Własność cząsteczki

Proces separacji

wielkość cząsteczki rozdzielanej filtracja,

mikrofiltracja, ultrafiltracja,

nanofiltracja, odwrócona osmoza,

dializa,

ciśnienie (prężność) pary

destylacja,

destylacja membranowa,

separacja gazów, perwaporacja

temp. krzepnięcia

krystalizacja

powinowactwo pomiędzy

cząsteczką separowaną a

materiałem separującym

ekstrakcja, adsorpcja, absorpcja, ,

chromatografia

ładunek elektryczny

wymiana jonowa

, elektrodializa

,

elektroforeza

gęstość

wirowanie

tworzenie wiązań chemicznych i

międzycząsteczkowych

kompleksowanie,

membrany ciekłe

11

Procesy separacji

Procesy separacji

pozwalają

na

osiągnięcie kilku

celów

, z których

najważniejsze to:



zatężanie

zatężanie

:

usuwanie

rozpuszczalnika (wody) z roztworu
rozcieńczonego,



oczyszczanie

oczyszczanie

:

usuwanie

zanieczyszczeń ze strumienia,



frakcjonowanie

frakcjonowanie

:

rozdzielanie

substancji w mieszaninie lub
roztworze na dwa lub więcej
strumieni różniących się składem.

Wybór odpowiedniej techniki separacji
określają dwa czynniki:

musi ona być wykonalna
technicznie oraz

atrakcyjna ekonomicznie.

12

PROCESY HYBRYDOWE

PROCESY HYBRYDOWE

Np. Odcieki z wysypisk:

Ultrafiltra

Ultrafiltra

cja

cja

Proces

Proces

biotechnologi

biotechnologi

czny

czny

Odwróco

Odwróco

na

na

osmoza

osmoza

Czysty

strumień

•odzyskiwanie surowców i produktów ubocznych,

•ograniczenie zużycia energii,

•możliwość otrzymania ulepszonych lub nowych

produktów.

Główny

proces

produkcyjny

Produ
kt

Proces

Proces

separacji I

separacji I

np.

np.

membranowy

membranowy

Proces separacji

Proces separacji

II

II

np.

np.

biotechnologicz

biotechnologicz

ny

ny

Czysty

strumie

ń

Koncent

rat

recyrkulac
ja

odpad
y

14

By sprostać unijnym przepisom odnośnie
ochrony

środowiska

w

najbliższych

kilkunastu latach inwestycje w ochronę
środowiska muszą wynieść szacunkowo

około

40

mld

euro.

Wynika

to

z

wynegocjowanych okresów przejściowych w
obszarze „środowisko”:

Jakie są szanse dla technik

Jakie są szanse dla technik

membranowych w

membranowych w

związku z wejściem

związku z wejściem

do UE?

do UE?

 dyrektywa

dotycząca

jakości

wody

przeznaczonej do spożycia przez ludzi –

bez

okresu przejściowego

 w

sprawie

oczyszczania

ścieków

komunalnych

– 2015,

 w

sprawie

zrzutu

substancji

niebezpiecznych do wód

– 2007,

 dyrektywa w sprawie emisji LZO w wyniku

magazynowania i transportu paliw

– 2005,

15

Co to oznacza?

•w obszarze „środowisko” wynegocjowano

dostosowanie i wdrożenie w Polsce prawa z
takich dziedzin inżynierii środowiska, jak:
jakość wód i powietrza, zanieczyszczenia
przemysłowe, gospodarka odpadami

i

inne,

 modernizacja

lub

budowa

nowych

składowisk odpadów

– 2012

 w sprawie ograniczenia emisji SO

2

z dużych

obiektów energetycznego spalania węgla

-

2015

 w sprawie ograniczenia emisji NO

x

z dużych

obiektów energetycznego spalania

węgla

-

2017

16

Korzyści są szanowane na kwotę znacznie
wyższą- zdrowie, remonty budynków,
uzdatnianie wody, turystyka i inne.

•wg szacunków MOŚ do 2015 roku muszą

powstać w Polsce 402 nowe oczyszczalnie a
418

musi

zostać

zmodernizowanych

(obecnie

ok.

4

tys.).

Unijne

prawo

przewiduje by oczyszczalnie miały nawet
miasteczka ok.. 2 tys. mieszkańców.

•duże inwestycje w ochronę powietrza –

spalanie paliw i śmieci.

Stwarza to nieograniczone możliwości w
dziedzinie wdrażania nowoczesnych technik
separacji, w tym technik membranowych.
Wstępne

szacunki

określają

potrzeby

inwestycyjne

na

realizacje

programów

dostosowawczych w ochronie środowiska na
kwotę 36,3 mld euro w ciągu 15 lat.

17

Charakterystyka procesów

Charakterystyka procesów

membranowych stosowanych w

membranowych stosowanych w

inżynierii środowiska

inżynierii środowiska

Proces

membranowy

Nadawa Permeat Siła

napędowa

Zastosowanie w ochronie

środowiska

Mikrofiltracja

Ultrafiltracja

Nanofiltracja

Odwrócona

osmoza

ciecz

ciecz

ciecz

ciecz

ciecz

ciecz

ciecz

ciecz

ciśnienie

(<0,5 MPa)

ciśnienie

(0,2-1,0

MPa)

ciśnienie

(0,5-2,0

MPa)

ciśnienie

(1,0-8,0

MPa)

klarowanie wody,

ścieki emulsyjne

ścieki emulsyjne, usuwanie

substancji

koloidalnych i

wielkocząsteczkowych

usuwanie jonów dwuwar-

tościowych,

zmiękczanie

wody,

usuwanie

mało-

cząsteczkowych

związków

organicznych

odsalanie wody i ścieków,

usuwanie metali ciężkich i

małocząsteczkowych

związków organicznych

18

Elektrodializa

ciecz ciecz potencjał

elektryczny

odsalanie,

usuwanie

cyjanków,

azotanów,

metali ciężkich

Separacja gazów (par)

Perwaporacja

gaz

ciecz

gaz

para

ciśnienie

(cząstkowe)

ciśnienie

(cząstkowe)

oczyszczanie powietrza,

biogaz, usuwanie lotnych

związków organicznych

usuwanie

substancji

lotnych z wody

Destylacja

membranowa

ciecz ciecz temperatura

(ciśnienie

cząstkowe)

usuwanie

substancji

lotnych,

odsalanie

Kontaktory

membranowe

(ekstrakcja i absorpcja

membranowa)

ciecz

gaz

ciecz

ciecz

stężenie

(aktywność)

usuwanie

substancji

lotnych z wody i z

powietrza,

usuwanie

SO

2

, NO

x

, NH

3

,

Proces

membranowy

Nada

-wa

Perm

eat

Siła

napędowa

Zastosowanie w ochronie

środowiska

Charakterystyka procesów

Charakterystyka procesów

membranowych w zastosowaniu do

membranowych w zastosowaniu do

inżynierii środowiska

inżynierii środowiska

19

Zalety technik

Zalety technik

membranowych w

membranowych w

inżynierii

inżynierii

środowiska

środowiska

•niskie zużycie energii,
•brak

konieczności

dodawania

chemikaliów,

•łatwe

powiększanie

skali

(system

modułowy),

•separacja

w

łagodnych

warunkach

środowiskowych,

•prowadzenie separacji w sposób ciągły,
•możliwość łatwego łączenia procesów

membranowych z innymi procesami
jednostkowymi (procesy hybrydowe),

•możliwość

ulepszania

własności

separacyjnych

membran

w

trakcie

eksploatacji systemu.

20

•polaryzacja stężeniowa
•fouling membran
•ograniczona żywotność i selektywność

membran

•ograniczona wytrzymałość chemiczna

i termiczna

membran

Wady technik

Wady technik

membranowych w

membranowych w

inżynierii

inżynierii

środowiska

środowiska

21

• wydajność

musi być ekonomicznie

uzasadniona,

• rozwiązanie kontroli

zanieczyszczenia

membran

(foulingu),

• ustalenie

odpowiednich

metod

wstępnego przygotowania

strumienia

wody i ścieków przed wprowadzeniem
do systemów membranowych,

• należy

znaleźć

sposoby

redukcji

kosztów

inwestycyjnych

i

eksploatacyjnych, ponieważ to one
decydują o atrakcyjności metody.

Problemy związane z zastosowaniem

membran w inżynierii środowiska: