Med membranprosesser i vannbehandling menes prosesser der stoffer skilles fra vandige væsker ved hjelp av membraner. For å fjerne uoppløste stoffer som partikler eller mikroorganismer brukes hovedsakelig mikrofiltrering (MF) og ultrafiltrering (UF). For å separere oppløste stoffer, som for eksempel salter, brukes derimot nanofiltrering (NF) og omvendt osmose (RO).
Forskjeller og oppbygging av membranene
Mikro- og ultrafiltreringsmembraner fungerer som rent mekaniske «finsiler». De består enten av keramikk eller porøse, kunstig fremstilte folier (membraner) med nøyaktig definerte porediametre. Selve separasjonslaget påføres et bæremateriale som, avhengig av utførelsen, består av polymerer eller keramikk.
Ved nanofiltrering og omvendt osmose brukes tette, diffusjonsåpne (semipermeable) membraner. Separeringsprosessen skjer ved diffusjon av stoffene gjennom membranen. Drivkraften er i alle tilfeller det påførte differansetrykket. Mens differansetrykk på opptil 2 bar er tilstrekkelig for mikro- og ultrafiltrering, krever lavtrykksnanofiltrering opptil 8 bar. Omvendt osmose krever derimot differansetrykk på opptil 60 bar.
Oppbygging av porøse membraner
Det egentlige, effektive membranlaget er svært tynt og befinner seg på siden som vender mot råvannet (feed). Den desidert største delen av membranen består av bærematerialet, som sørger for den strukturelle oppbyggingen og den nødvendige styrken. For at membranen skal fungere, er det avgjørende at porene blir større mot renvannssiden – ellers er det fare for permanent blokkering.
Det rene vannet som utvinnes etter membranen, kalles filtrat eller permeat, mens de tilbakeholdte stoffene kalles konsentrat eller retentat.
Materialer og typer av membraner
Moderne membraner består enten av polymerer (f.eks. polyetersulfon, PVDF) eller keramiske materialer (f.eks. aluminiumoksid, silisiumkarbid).
Selv om keramiske membraner er dyrere å produsere enn polymermembraner, utmerker de seg med overlegen kjemisk bestandighet og en betydelig høyere permeabilitet.
Membranene produseres enten som kapillærer (hulfibermembraner) eller som flatmembraner. For teknisk bruk settes membranene sammen i enheter; avhengig av konstruksjonen skiller man mellom rør-, spiral-, plate- eller putemoduler. Den hermetiske separasjonen mellom råvannssiden (feed) og renvannssiden (permeat) sikres ved hjelp av spesialiserte støpemasser, ofte basert på polyuretanharpiks.
Avhengig av den nødvendige ytelsen består et membrananlegg vanligvis av en rekke identiske moduler som drives samtidig i parallellkobling.
Virkemåte
Membrananlegg drives enten ved hjelp av crossflow-prosessen (tverrstrømsfiltrering) eller dead-end-prosessen (dybdefiltrering/blindveisfiltrering).
Crossflow-drift
I denne prosessen strømmer væsken kontinuerlig over membranoverflaten. Denne tangentialstrømningen minimerer dannelsen av belegg (fouling) og sørger for stabile filtreringsforhold. Dette muliggjør en høyere flux (gjennomstrømningsrate), men medfører et høyere energiforbruk på grunn av behovet for en sirkulasjonspumpe.
Dead-end-drift
Denne driftsmåten ligner konvensjonell filtrering, hvor alt råvannet presses vinkelrett gjennom filtermediet. Siden det ikke skjer noen kontinuerlig overstrømning, er prosessen mer energieffektiv og representerer i mange tilfeller den mest kostnadseffektive løsningen.
Planlegging og utforming
Effektiviteten til et membrananlegg avhenger av grundig systemplanlegging og en nøyaktig tilpasset forbehandling. Valg av modultyper og driftsmodus må samsvare med den spesifikke råvannskarakteristikken og det ønskede rensemålet.
