Membrany BASF w procesie filtracji wody

Morza i oceany to największe zbiorniki wody na ziemi. Od dziesięcioleci z wody morskiej uzyskuje się wodę pitną dzięki procesowi odsalania prowadzonego na dużą skalę. Realizowane są także nowe inwestycje - na przykład w Ghanie trwa właśnie budowa nowoczesnego zakładu odsalania wody morskiej, który będzie wytwarzać nawet 60 tys. metrów sześciennych wody pitnej dziennie. Taka ilość pozwoli na zaopatrzenie pół miliona mieszkańców.

W tym właśnie zakładzie istotną rolę odgrywają membrany ultrafiltracyjne Multibore wytwarzane przez inge, spółkę zależną BASF. Wykorzystuje się je do wstępnego oczyszczania słonej wody w celu optymalizacji właściwego procesu odsalania i ochrony przed zanieczyszczeniem filtrów soli, znajdujących się w dalszej części instalacji. Te filtry soli działają na zasadzie odwróconej osmozy – pojedyncze cząsteczki wody dyfundują przez czułą membranę. Ponieważ proces ten wymaga wysokiego ciśnienia (nawet 80 barów), wstępne oczyszczanie za pomocą ultrafiltracji umożliwia ograniczenie koniecznych nakładów energii.

Woda morska przepuszczana przez membrany Multibore o bardzo drobnych porach przenika przez nie, natomiast niepożądane substancje, takie jak piasek, glina i glony, a nawet drobnoustroje chorobotwórcze, są zatrzymywane. Na pierwszy rzut oka membrany ultrafiltracyjne przypominają cienkie, białe kanaliki. Dopiero przekrój poprzeczny ujawnia ich złożoną, wewnętrzną strukturę: włókno składa się z kilku kapilar, przez które przepływa woda. W ścianach kapilar znajdują się maleńkie pory o średnicy około 20 nanometrów - są więc 500 razy cieńsze od nici, z których utkana jest pajęczyna. Wszystkie większe cząstki są zatrzymywane przez membranę. Do plastikowego włókna przez pory przenika tylko oczyszczona woda, która ponownie pojawia się na zewnątrz włókna.

- Wyzwanie, któremu należy sprostać w procesie produkcji, polega na uzyskaniu odpowiednio małych porów równomiernie rozmieszczonych na powierzchni membrany – mówi dr Nicole Janssen z firmy BASF.

Dr Janssen jest liderką zespołu laboratoryjnego w dziale badań nad nowoczesnymi materiałami BASF. Ze swoim zespołem zajmuje się optymalizacją warunków oraz materiału wyjściowego, z którego produkuje się włókna membrany: opracowanego przez BASF polieterosulfonu Ultrason E.

- Obecnie potrafimy dostosować rozwiązanie Ultrason i proces tak dokładnie, by wyprodukowane membrany zapewniały skuteczne filtrowanie - stwierdza Janssen.

Aby jednak filtr działał w sposób niezawodny, w praktyce konieczne jest nie tylko uzyskanie porów o właściwej wielkości i rozmieszczeniu. Włókna muszą również posiadać odpowiednią odporność. Tę cechę zapewnia im struktura plastra miodu zaprojektowana przez specjalistów z firmy inge.

- Sposób ułożenia kapilar w strukturze materiału zapewnia włóknom mechaniczną stabilność, a co za tym idzie - zwiększa ich odporność – wyjaśnia Martin Heijnen, dyrektor działu Membrane Development w spółce inge. - To zapewnia membranom ochronę przed powstawaniem drobnych pęknięć, przez które mogłyby przeniknąć bakterie lub wirusy.

W instalacji filtrującej, przez którą pompowana będzie woda morska w Ghanie, włókna są łączone w białych plastikowych cylindrach. Ich końce są umieszczone w obudowie z żywicy epoksydowej. W trakcie eksploatacji dolna powierzchnia jest zapieczętowana, tak aby kapilary były otwarte tylko w górnej części. Na tym etapie surowa woda jest pompowana pod ciśnieniem około 0,5 bara. Jedyna droga, którą może przepłynąć woda, biegnie przez pory w wewnętrznych ściankach kapilar znajdujących się w włóknach. Na zewnątrz wypływa już czysta woda.

Z czasem pozostałości gromadzą się w kapilarach. Aby woda mogła przeniknąć przez tzw. placek filtracyjny, konieczne jest zwiększenie ciśnienia. Wymaga to dużych nakładów energii i wywołuje nacisk na membrany. Dlatego właśnie system filtrów jest regularnie czyszczony (co godzinę lub dwie) poprzez odwrócenie kierunku przepływu wody: Czysta woda jest przez krótki okres wtłaczana do włókien z zewnątrz w celu wypłukania placka filtracyjnego z kapilar.

W porach mogą jednak pozostać niedrożności lub lepkie substancje, takie jak cukier lub białka. Usuwa się je chemicznie w dłuższych odstępach czasu, na przykład za pomocą wodorotlenku sodu. Z czasem jednak Ultrason E może zostać osłabiony przez utleniacze. Dr Janssen, specjalistka doskonale znająca ten materiał, oraz jej współpracownicy chcą rozwiązać ten problem. Pracują na przykład nad zwiększeniem hydrofilowego charakteru powierzchni kapilar. Utrudniłoby to odkładanie się zanieczyszczeń. Czyszczenie stałoby się wówczas prostsze i można by ograniczyć stosowanie środków chemicznych.

- Oznacza to wydłużenie czasu działania i okresu eksploatacji – mówi Janssen.

Rozwiązania te nie tylko ułatwią wstępne oczyszczanie wody morskiej. Będą także przydatne w procesie uzdatniania wody pitnej lub oczyszczania ścieków, czego dobrym przykładem jest praktyka naszych zachodnich sąsiadów. Wzdłuż rzeki Ruhry znajdują się nowoczesne instalacje wodociągowe, obsługiwane wspólnie przez dwa przedsiębiorstwa komunalne z miejscowości Menden i Fröndenberg. Dzięki wieloetapowemu procesowi filtracji instalacja może oczyścić nawet 600 metrów sześciennych surowej wody na godzinę, uzyskując wysokiej jakości wodę pitną. Woda z rzeki Ruhry poddawana procesowi wstępnej mechanicznej filtracji wcześniej przechodzi przez filtry piaskowe i podglebie. Po usunięciu gruboziarnistych składników woda dostaje się do systemu membran ultrafiltracyjnych. Po zakończeniu ultrafiltracji woda jest poddawana trzem kolejnym etapom oczyszczania zapewniającym wysoką jakość wody pitnej z Ruhry: filtr z węgla aktywnego skutecznie usuwa wszelkie śladowe ilości substancji organicznych, takie jak pozostałości produktów leczniczych. Następnie odgazowywacze z płaskim dnem odkwaszają wodę, a naświetlanie promieniami ultrafioletowymi zapewnia końcową dezynfekcję.

Inne nowoczesne oczyszczalnie, których centralnym elementem są innowacyjne membrany Multibore, działają na przykład w Trewirze, korzystającym z wody z zapory, a także w miejscowości Männedorf w Szwajcarii, gdzie instalacje wody pitnej również zasilane są wodą powierzchniową.