Ultrafiltrace při úpravě vody

Teoretický úvod

Ultrafiltrace se řadí mezi membránové procesy. Je to metoda filtrace vody, při níž dochází k separaci částic při průchodu roztoku přepážkou – membránou. Jako ultrafiltrační se popisují membrány s porozitou v řádech desítek až stovek nanometrů. Hnací silou je rozdíl hydrostatických tlaků. Vstupní voda se na membráně dělí na retentát, který zůstává na vstupní straně, a produkt permeát, který prochází skrz membránu (Mikulášek a kol., 2013). V případě ultrafiltrace existují dva dominantní mechanismy separace částic: (1) na povrchu přepážky (membrány) jsou zachyceny částice větší než je průměr pórů membrány, (2) částice menší než průměr pórů vnikají do pórů a adsorbují se na jejich povrch. K adsorpci (fyzikální i chemisorpci) dochází i mimo póry, na povrchu membrány. Podle toho, který mechanismus převažuje, se poté používá způsob čištění membrán. V prvním případě stačí k odstranění zachycených částic aplikace prostého zpětného proplachu (backwash, viz níže). V případě převažujícího druhého mechanismu bývá obvykle třeba aplikovat chemikálie a použít tak tzv. chemicky posílený proplach (chemical enhanced backwash, viz níže). Použití chemikálií pro vyčištění membrán je také nutné v případě, že na membránách dochází ke srážení anorganických sloučenin (scaling), nebo když jsou membrány zanášeny organickými látkami (fouling). V obou případech je na vině nedostatečně předupravená vstupní voda. Z výše uvedeného je zřejmé, že požadovaný stav je takový, kdy na membránu přichází vstupní voda již obsahující částice agregátně stabilní a o průměru větším, než je průměr pórů. Z tohoto důvodu se surová voda před vstupem do ultrafiltrace dle charakteru zdroje často tzv. předupravuje.

Předúprava se většinou zaměřuje na odstranění organických látek, které jsou v případě ulpění na membráně hůře odstranitelné než anorganické látky. Organické látky ve formě makromolekul (polysacharidy, proteiny, ...) mají často značnou tendenci k adsorpci na membránách. Proto se účinnost předúpravy často vyjadřuje pomocí skupinových stanovení organických látek (ideálně DOC – dissolved organic carbon). Rozpuštěné anorganické látky ve formě samostatných iontů, resp. hydratovaných iontů ultrafiltrační membránou procházejí, byť na fázovém rozhraní membrána-voda může docházet ke srážecím reakcím.

Praktické provedení ultrafiltračních membrán

Většina membrán je v současnosti vyráběna z polymerů, spíše okrajově se používají materiály keramické. V minulosti byly široce rozšířeny membrány z acetátu celulózy, od těch se však již upouští z důvodu nevyhovujících vlastností (chemická, tepelná, mechanická odolnost) v porovnání s např. polysulfonem, polyethersulfonem, polyamidy, PTFE atd. (Mikulášek a kol., 2013).

Nečastějším způsobem uspořádání ultrafiltračních membrán je tzv. modul s dutými vlákny (hollow fiber). Využívá principu dead-end filtrace. V tomto případě prostupuje všechna upravovaná voda přes membránu a retentát nevzniká. Duté vlákno o průměru několika milimetrů je tvořeno materiálem sloužícím jako podpůrná nosná struktura pro samotnou membránu, která pokrývá stěnu kapiláry procházející vláknem (obr. 1). Voda vstupuje z jedné strany vlákna kapilárou, prochází skrz membránu a nosnou strukturu vlákna ke stěnám modulu, odkud je jako permeát vedena dál. Modul bývá naplněn až několika tisíci těchto vláken (obr. 2). Oproti níže uvedeným způsobům uspořádání má tento výhodu v možnosti aplikace vysokých průtoků při zpětném proplachu (díky pevné nosné struktuře) a relativně vysokém výkonu ve vztahu k ploše technologie.

Další používanou možností jsou trubicové (tubular) moduly. Spirálně vinuté membránové moduly se používají spíše při aplikaci technologie reverzní osmózy. Deskové uspořádání membrán se příliš nevyužívá z důvodu velkých nároků na zastavěnou plochu.

Předúprava

Nutností je použití hrubého filtru na přívodu vstupní vody, který odstraňuje případné abrazivní částice, které by mohly membránu mechanicky poškodit. Takováto opatření nejsou předúpravou v přesném slova smyslu. Hlavním důvodem předúpravy vstupní vody je ochrana ultrafiltrace před zanášením. Pokud jsou z vody v maximální možné míře odstraněny látky způsobující scaling nebo fouling, není nutné aplikovat tak často chemicky posílený proplach, popř. linku odstavit a provést intenzivní chemické čištění (CIP – cleaning in place). Je také možné provozovat delší filtrační cykly, snižuje se spotřeba čistících chemikálií a celkově se zvyšuje efektivita provozu.

Cílem je teda převedení potenciálně problematických znečišťujících příměsí do takové formy, která se na membráně spolehlivě zachytí a poté je z ní snadno odstraněna zpětným proplachem. Takovou formou jsou agregáty o dostatečné velikosti (o velikosti větší než je průměr pórů membrány, u ultrafiltrace řádově desítky až stovky nm), vytvořené z destabilizovaných částic znečišťujících příměsí spojených při vhodném pohybu kapaliny (míchání). Destabilizace je zajištěna dávkováním vhodného destabilizačního činidla („koagulantu, flokulantu“), většinou se jedná o soli železa či hliníku, např. síranu železitého, síranu hlinitého, chloridu železitého, polyaluminium chloridu (PACl) apod. Samozřejmostí je optimalizace reakčního pH. Přesné reakční podmínky by měly být stanoveny na základě řádně provedených sklenicových zkoušek. Následným vhodným mícháním kapaliny s nadávkovaným činidlem se vytvoří agregáty vhodných vlastností. Tyto agregáty sestávají především z hydroxidů a hydratovaných oxidů kovu destabilizačního činidla a kovů v surové vodě a z makromolekul organických látek. Navíc dochází k adsorpci dalších částic na povrch tvořených agregátů. Je zřejmé, že cílem není, aby většina vytvořených agregátů měla charakter velkých vloček vhodných pro dvoustupňovou separaci sedimentací a filtrací, tzv. makroagregátů (Hereit a kol., 1980). Požadované agregáty jsou kompaktní mikroagregáty vytvořené pouze při intenzivním míchání suspenze.

Z důvodu dávkování solí kovů do surové vody je samozřejmě nutné kromě koncentrace organických látek sledovat i koncentrace těchto kovů v předupravené vodě.

Provoz

Princip filtrace přes membránu je popsán výše. Provoz ultrafiltračních membrán je v případě použití principu dead-end filtrace cyklický, takže po fázi filtrace nastává fáze praní – přesněji zpětného proplachu. Během filtrace se na povrchu membrány (obdobně jako u objemové filtrace) akumulují zachycené nečistoty a vzrůstá tak tlaková ztráta. Hodnota tlakové ztráty by nicméně neměla být hlavní podmínkou pro spuštění zpětného proplachu. Zpětný proplach by měl být řízen především časově a jeho frekvence by měla být nastavena tak, aby ke spuštění docházelo dříve, než se dosáhne limitní hodnoty tlakové ztráty. S ohledem na charakter zdroje surové vody a kolísání jeho kvality je samozřejmě možné, že se mohou měnit i parametry vstupní (případně předupravené) vody. Projev tohoto kolísání kvality zdroje na účinnost ultrafiltrace a délku cyklů by však měl být minimalizován pečlivými a pravidelnými rozbory surové vody a adekvátní reakcí obsluhy na tyto změny – především změnou reakčních podmínek předúpravy.

Samotný zpětný proplach probíhá tak, že opačným směrem než při filtraci proudí voda o dostatečném průtoku a strhává z membrány zachycené nečistoty. Působení zpětného proplachu je tedy čistě mechanické. Pro zpětný proplach by se měla využívat voda minimálně s kvalitou permeátu, což bývá i provozně nejsnazší řešení.

V menším intervalu než zpětný proplach bývá aplikován chemicky posílený proplach (CEB). Jeho frekvenci zpravidla stanoví dobrý výrobce ultrafiltračních technologií sám na základě dodaných dat o kvalitě vstupní vody a požadovaných provozních podmínkách. Při CEB se většinou na membrány aplikují roztoky s vysokými či nízkými hodnotami pH, podle toho, jaké znečištění je třeba odstranit. Většina dnes vyráběných membrán vydrží působení pH i v rozsahu 1–12. Při odstraňování anorganických sraženin se používají roztoky kyselin, neboť s klesajícím pH začínají u kovů převažovat rozpuštěné formy výskytu. Např. v případě železa dominuje jednoduchý ion Fe3+ až od pH < 2 (Pitter, 2009). Je také možné kombinovat anorganické kyseliny s organickými, protože organické kyseliny (např. kyselina citronová) vytvářejí s kovy rozpustné komplexy a zvyšují tak účinnost rozpouštění zachycených anorganických sraženin. K odstranění organických nárostů se používají roztoky hydroxidů o vysokém pH. Účinnost těchto roztoků je v některých případech možno zvýšit kombinací se sloučeninami chloru, nicméně toto řešení se používá především u aplikací, kde na ultrafiltraci přichází bakteriálně znečištěná odpadní voda. Používaný materiál membrány pochopitelně musí být dostatečně odolný vůči oxidačním činidlům.

Pokud zpětné proplachy a CEB už nejsou schopny membrány dostatečně vyčistit, je nutné aplikovat tzv. čištění CIP – cleaning in place. Technologie ultrafiltrace se odstaví z provozu a do modulů se napustí čistící roztok. Analogicky jako u CEB buď alkalický, nebo kyselý, dle charakteru znečištění. Možností je postupná aplikace obou roztoků, s dostatečnou neutralizací a vypláchnutím technologie mezi jednotlivými aplikacemi. Jako poslední by měl být aplikován roztok kyselý, aby byly rozpuštěny anorganické sloučeniny, které naopak předcházející alkalický roztok částečně zafixoval. Od CEB se CIP liší v několika bodech: (1) délkou aplikace, (2) čistící roztoky nějakou dobu systémem cirkulují, (3) čistící roztok je připraven v externí nádrži, skrz kterou roztok cirkuluje. Účinnost čištění je možné navýšit ohřátím čistícího roztoku.

Závěr

Ultrafiltrace je kompaktní alternativa k tradičním filtračním technologiím úpravy vody. Avšak díky malým průměrům pórů membrány (až 10⁻² µm) umožňuje odstraňování částic řádově menších, než je tomu např. u pískové filtrace, přes membránu tedy neprojdou ani bakterie, viry či organické makromolekulární látky. Proces se dá snadno automatizovat, přesto vyžaduje denní dohled obsluhy, zejména hlídání kvality surové vody a případnou reakci na její změny. Jako všechny modulární systémy se dá relativně snadno rozšiřovat dle měnících se potřeb daného provozu.

Literatura

• Hereit, F., Mutl, S., Vágner, V. (1980): Direct measurement of floc breakage in flowing suspension. Journal of Water Supply: Research and Technology – AQUA 29, 95–99.
• Mikulášek P. a kol. (2013): Tlakové membránové procesy. Vysoká škola chemicko-technologická v Praze. ISBN 978-80-7080-862-7
• Pitter, P. (2009): Hydrochemie. 4. vydání. Vysoká škola chemicko-technologická v Praze. ISBN 978-80-7080-701-9