Wrocław, 01.12.16 ODWRÓCONA OSMOZA Separacja laktozy z

Wrocław, 01.12.16
ODWRÓCONA OSMOZA
Separacja laktozy z permeatu mikrofiltracyjnego serwatki
1. OPIS PROCESU
Podstawowym elementem odróżniającym procesy osmozy od ultrafiltracji są znacznie
mniejsze rozmiary cząstek substancji rozpuszczonych i oddzielanych od roztworów.
Ponieważ substancje rozpuszczone, takie jak: sole, cukry, mają małą masę cząsteczkową, ich
roztwory wykazują znaczne ciśnienie osmotyczne, aby je przekroczyć należy zastosować
odpowiednio wysokie robocze ciśnienie hydrostatyczne podczas separacji.
Zjawisko osmozy zachodzi wtedy, gdy dwa roztwory o różnych stężeniach są rozdzielone
membraną półprzepuszczalną dla rozpuszczalnika, a nieprzepuszczalną dla substancji
rozpuszczonej. Zasadę zjawisk osmotycznych przedstawia rysunek 1. Jeżeli stężenia i
ciśnienie hydrostatyczne w obu roztworach są równe (A) układ jest w stanie równowagi
chemicznej. Jeśli stężenie i cieśninie osmotyczne pierwszego będzie większe niż drugiego (B)
i ciśnienie izostatyczne w obu przypadkach jest takie samo, rozpuszczalnik z roztworu
drugiego do pierwszego. Gdy różnica ciśnień pomiędzy roztworami jest równa różnicy
ciśnień osmotycznych tych r-ów (C), rozpuszczalnik nie przepływa przez membranę, mimo że
stężenia są różne – układ pozostaje w równowadze osmotycznej. Natomiast, gdy różnica
ciśnień hydrostatycznych w poprzek membrany jest większa od różnicy ciśnień
osmotycznych (D), rozpuszczalnik przepływa przez membranę z r-u o większym stężeniu do
roztworu o stężeniu mniejszym. To zjawisko określane jest mianem odwróconej osmozy
(RO).
Rys. 1. Zasada zjawisk osmotycznych: a) równowaga c’=c’’, p’=p’’, ’=’’, μ’=μ’’; b)
osmoza bezpośrednia (prosta) c’>c’’, p’=p’’, ’>’’, μ’<μ’; c) równowaga osmotyczna
c’>c’’, p’>p’’, ’>’’, μ’=μ’’, p=; d) osmoza odwrócona c’>c’’, p’>p’’, ’>’’, μ’>μ’’,
p>;
c – stężenie roztworu, μ – potencjał chemiczny rozpuszczalnika,  - ciśnienie osmotyczne
roztworu, p – ciśnienie hydrostatyczne
Membrany do RO są membranami asymetrycznymi zbudowanymi z tych samych
materiałów co do procesu ultrafiltracji. Różnią się jedynie wyższą wytrzymałością na
ciśnienie i mniejszymi rozmiarami porów, co jest oczywiste z uwagi na wysokie ciśnienia i
stosowanie do procesów oddzielania małych jonów nieorganicznych.
Charakterystyka membran stosowanych w RO powinna odpowiadać wysokim
wymaganiom stawianym procesowi UF, z wyjątkiem współczynnika cut-off. Ten parametr w
przypadku RO zastępowany jest stopniem odsalania, czyli stopniem oddzielania soli
nieorganicznych. Jest on po za szybkością permeacji, najważniejszym parametrem
określającym przydatność membran osmozy odwróconej.
Transport masy w procesach RO jest bardziej, niż innych technikach membranowych,
skomplikowany i istnieje wiele hipotez próbujących opisać to zagadnienie.
Teoria Rickles’a i Freidlander’a, mówi o tym, że transport wody przez membranę RO
zachodzi w wyniku dyfuzji, w czasie której tworzą się i rozrywają wiązania wodorowe
pomiędzy wodą a fragmentami polimeru membrany. Przenoszenie jonów odbywa się
natomiast zgodnie z trzema równoległymi mechanizmami:
I.
Sorpcji i dyfuzji aktywowanej matrycy polimeru
II.
Dyfuzji aktywowanej w porach o rozmiarach zbliżonych do rozmiaru jonów
III.
Przepływu hydrodynamicznego w dużych porach
Reid uważa, że składniki roztworu rozpuszczają się i dyfundują przez membranę w
różnym stopniu. Kolejna teoria (Sourirajan’a) mówi, że woda przechodzi selektywnie przez
pory w błonie półprzepuszczalnej, gdyż w bezpośrednim sąsiedztwie membrany zanurzonej w
roztworze wodnym powstaje w wyniku oddziaływania sił adsorpcji wstecznej warstewka
wody czystej. Ostatnia teoria (Glaueckaf’a) jest podobna, z tym że rozpatruje ona siły
odpychania wewnątrz porów membrany, które są znacznie większe niż na powierzchni
płaskiej.
W przypadku separacji z wykorzystaniem membran RO, ze względu na ciśnienie
osmotyczne, lepkość itp., stężenie w retentacie nie może osiągnąć wartości maksymalnej
odpowiadającej czystej substancji. Nadawa nie może być, więc całkowicie odzyskana jako
permeat, co oznacza, ze objętość nadawy (V0) jest zawsze większa od objętości permeatu
(VP). Stosunek tych objętość jest określany mianem odzysku:
=VP/V0
Stężenia w retentacie i w permeacie można wyrazić jako funkcję stężenia nadawy (C 0)
CR=C0(1-)-R
CP=C0(1-R)(1-)-R
Z wzorów tych wynika, że oddzielanie membranowe nie jest całkowite, a strata substancji ()
zależy od oddzielania oraz odzysku:
=1-(1-)1-R
W osmozie odwróconej (tak jak w MF i UF) w skutek selektywnego działania
membrany następuje zatężanie składników na membranie (polaryzacja stężeniowa). W
przypadku zawieszonych w cieczy zanieczyszczeń prowadzi to bezpośrednio do tworzenia
warstwy pokrywającej membranę (fouling). Jeżeli składniki są rozpuszczone, to tworzenie
takiej warstwy rozpoczyna się dopiero po przekroczeniu granicy rozpuszczalności (scaling).
Podczas gdy fouling rozpoczyna się zawsze w pierwszych elementach instalacji RO (efekt
filtracyjny), scaling zwykle występuje w elementach końcowych, tzn. w miejscach większych
stężeń.
Zjawisku scalingu należy zapobiegać poprzez:

Usuwanie lub stabilizowanie substancji w skutek przemiany chemicznej (np. płukanie
kwasem cytrynowym)

Ograniczenie zatężania w ten sposób, aby nawet w miejscach krytycznych o
największym stopniu, tzn. na wylocie z modułu, nie przekroczono stężenia nasycenia
któregokolwiek składnika
Największym problemem w praktyce jest, przeszkadzającym bezpiecznemu stosowaniu
RO, jest tworzenie się (często pomimo bardzo starannej obróbki wstępnej) pokrywających
membranę warstw przez zawieszone, koloidalne rozpuszczone lub rozrastające się
biologiczne substancje.
Warstwa powierzchniowa, tworząca się w czasie pracy instalacji mimo swojej ledwo
mierzalnej grubości, stanowi znaczny dodatkowy opór dla permeującego składnika. Przebieg
tworzenia się jak i niszczenia tej warstwy kontrolowane jest wyłącznie hydrodynamicznie.
Zjawisku temu można zapobiegać poprzez obróbkę wstępną:

Filtrację przez piasek lub złoże wielowarstwowe, ewentualnie w połączeniu z
flokulacją

Filtracja dokładna za pomocą filtrów świecowych

Mikrofiltracja i ultrafiltracja

Flotacja
Odsalanie wody morskiej i separacja laktozy z permatu serwatki
Odsalanie wody morskiej wymaga w realizacji technicznej pokonania dodatkowych
trudności związanych z koniecznością stosowania wyższych, rzędu 5-8 MPa, ciśnien
roboczych. Woda morska o stężeniu 3,5% soli wykazuje bardzo wysokie ciśnienie
osmotyczne (rysunek 2). W przypadku r-ów glukozy, galaktozy i innych cukrów ciśnienie
osmotyczne jest znacznie niższe, a więc i stosowane transmembranowe korzystniejsze.
35
Ciśnienie osmotyczne [bar]
NaCl
y = 7.7216x
R² = 0.9986
30
Glukoza
25
20
15
10
y = 0.3132x
R² = 0.9917
5
0
0
1
2
3
4
Stężenie [%]
5
6
7
Rys. 2. Zależność stężenia substancji rozpuszczonej od ciśnienia osmotycznego.
W przypadku prowadzenia tych procesów (odsalanie i odcukrzanie) obecny jest bardzo
intensywny scaling i fouling a więc wymaga ona przeprowadzania wszystkich lub tylko
części wymienionych niżej operacji, mających na celu wstępne przygotowanie wody:

Chlorowanie

Filtracja wstępna

Sedymentacja

Koagulacja, klarowanie i filtracja na złożu piaskowym

Filtracja dokładna lub ultrafiltracja

Korekta pH do poziomu 5,5 – 6,5 (zależne od stosowanej membrany)

Odchlorowanie (przy zastosowaniu membran poliamidowych), np. przez zastosowanie
węgla aktywnego
2. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest opracowanie i monitoring procesu separacji laktozy z permeatu
serwatki przy pomocy techniki odwróconej osmozy.
3. APARATURA I PRZEBIEG PROCESU
Instalacja zawiera rurkową membranę poliamidową do odwróconej osmozy. Zbiornik
zawierający permeat serwatki podłączony jest do pomy hydraulicznej, która tłoczy roztwór na
membranę (ciśnienie robocze należy dobrać na podstawie wykresu Rys. 2). Ponieważ podczas
procesu pompa generuje bardzo wysokie ciśnienia należy obligatoryjnie włączyć chłodzenie.
Przed separacją należy wykonać DNS lub skorzystać z wyników uzyskanych podczas
ćwiczenia „Mikrofiltracja”.
W pierwszym etapie trakcie procesu mierzymy stężenie i strumień permeatu (co 15 min)
przez 1h. Po tym czasie ciśnienie zwiększyć o 30% i ponownie mierzyć strumień i stężenie
permeatu w czasie (przez kolejną godzinę).
4. OBLICZENIA
W ramach sprawozdania należy :
 Przedstawić zależność strumienia permeatu w czasie dla obu ciśnień
 Przedstawić zależność stężenia laktozy w retentacie w czasie dla obu ciśnień
 Wykreślić zależność stężenia retentatu od objętości zebranego permeatu dla całego
procesu
 Obliczyć stopień odseparowania laktozy przy pomocy membrany RO dla obu ciśnień
 Obliczyć stratę laktozy
Opracowała: Dr inż. Magdalena Lech