membranseparasjon

Membranseparasjon er en fellesbetegnelse for en rekke prosesser der én eller flere av komponentene i en væske- eller gassblanding skilles fra de øvrige ved at de passerer gjennom halvgjennomtrengelige membraner (semipermeable membraner).

Faktaboks

Uttale
membrˈanseparasjon

Det som passerer gjennom membranen kalles permeat, mens det som holdes tilbake er retentat eller konsentrat. Kraften som må til for å drive permeatet gjennom membranen er egentlig en forskjell i det kjemiske potensialet mellom de to sidene av membranen. Dette kjemiske potensialet er i praksis representert ved forskjeller i trykk, konsentrasjon, elektrisk potensiale eller temperatur, eller ved en kombinasjon av disse.

Prinsippene har vært kjent lenge, men de fleste tekniske separasjonene ble utviklet etter at de første teknisk brukbare membranene kom på 1960-tallet.

Konstruksjon

Tekniske membraner lages vanligvis av polymermaterialer som polysulfon, celluloseacetater, polyamid, polypropylen og fluorpolymerer. Man kan også lage keramiske membraner av aluminiumoksid, zirkoniumoksid, glass og så videre. Det finnes også membraner av sintermetall.

Porestørrelse

Ved spesielle metoder er det i dag mulig å fremstille porøse membraner med gjennomsnittlige porestørrelser fra 10–20 μm (0,01–0,02 mm) og ned til rundt 1 nanometer (0,000001 mm). Kompakte membraner har ikke andre porer enn de åpningene som finnes mellom molekylene i membranmaterialet. Disse åpningene har diametre i området 0,3–5 nm, men dette er nok til at ioner og små molekyler kan passere gjennom membranen.

Siden porene i membranen er uhyre små, er transportmotstanden i membranen stor. Det er derfor viktig å gjøre den aktive delen av membranen så tynn som mulig. Det kan lages asymmetriske membraner der den aktive delen av membranen er helt ned til 0,1 mikrometer tykk.

I tillegg til porestørrelsen er også materialegenskapene i membranen, som evne til å fuktes med vann (hydrofilitet, hydrofobitet) eller elektrisk ladning i overflaten, viktige for separasjonsevne og bestandighet mot tilskitning (fouling) og nedbryting.

Form

Separasjonsmembraner produseres i form av plater, rør med diametre i størrelsen 2–20 mm eller som hulfibre som har en ytre diameter på under 0,5 mm og indre diameter på 0,05–0,3 mm.

Membranene må monteres i spesielle holdere, membranmoduler, som skiller de to sidene av membranen fra hverandre i hvert sitt kammer. Disse er utstyrt med innløp og utløp for føding og konsentrat på høytrykkssiden og med permeatutløp på den andre siden.

Strøm mellom membransidene

I membraner med store porer transporteres løsninger hovedsakelig ved strømning gjennom porene drevet av trykkforskjell mellom de to sidene. I membraner med svært små porer og i kompakte membraner vil mer av massetransporten foregå ved diffusjon drevet av konsentrasjonsforskjeller, men også her kan trykkforskjellen være viktig, som i omvendt osmose.

Membranteknikker

Membranfiltrering er en samlebetegnelse for prosessene mikrofiltrering (MF), ultrafiltrering (UF), nanofiltrering (NF) eller omvendt osmose (revers osmose; RO). Felles for alle prosessene er at de brukes for separasjoner i væskefase og at de drives med et overtrykk på fødesiden.

Membranfiltrering utføres normalt med tverrstrøm, det vil si at fødevæsken ledes med stor hastighet parallelt med membranen slik at overflaten holdes mest mulig fri for filterkake. Produktet fra fødesiden blir derfor ikke en filterkake, men en konsentrert suspensjon eller løsning, mens det som slipper gjennom membranen, permeatet, er en renset løsning.

Ved mikrofiltrering (MF)

Ved mikrofiltrering (MF) skilles småpartikler ut ved hjelp av relativt åpne membraner med poreåpninger på 0,05–10 μm. Driftstrykket er vanligvis under 1 bar.

Typiske anvendelser er klaring av fruktsaft, øl eller vin, til høsting av celler i mikrobiologiske prosesser eller vannrensing.

Ved ultrafiltrering (UF)

Ved ultrafiltrering (UF) anvendes membraner med poreåpninger fra 10–100 nm og man er i stand til å skille ut kolloider og makromolekyler som enzymer eller proteiner. Trykket er her noe høyere, opptil 5 bar.

UF er vanlig brukt i meieriindustrien til konsentrering av myse og til å justere sammensetningen av melk for produksjon av visse ostetyper.

Videre finner UF anvendelser i maling- og lakkindustrien til rensing og gjenvinning av avløpsstrømmer, til gjenvinning/rensing av avløpsvann fra vasking og farging i tekstilindustrien, eller til konsentrering av svartlut i celluloseindustrien før den bearbeides videre til andre produkter.

I Norge finnes det per 2004 mer enn 100 anlegg for fjerning av humus fra drikkevann. Membranene i disse anleggene har poreåpninger helt i det nedre området.

Ved nanofiltrering (NF) og omvendt osmose (RO)

Ved nanofiltrering (NF) og omvendt osmose (hyperfiltrering) (RO) brukes kompakte membraner der åpningene i praksis ligger mellom 0,3 og 5 nm. Med slike membraner kan man skille ut små molekyler og ioner fra en løsning. På grunn av at membranene er svært tette, og fordi man også må overvinne det osmotiske trykket over membranen, er trykket vesentlig høyere enn ved ultra- og mikrofiltrering, opptil mer enn 100 bar.

Omvendt osmose er i dag den vanligste teknikken for produksjon av drikkevann fra sjøvann eller brakkvann hvis ikke varmeenergi er tilgjengelig til svært lav pris, slik at man i stedet kan bruke flertrinnsinndampere. I 2004 ble det produsert bortimot fire millioner kubikkmeter ferskvann per døgn fra sjø- eller brakkvann ved hjelp av RO. De største anleggene ligger i Midtøsten og kan produsere mer enn 100 000 kubikkmeter per døgn.

Membraner for nanofiltrering har positivt eller negativt ladede grupper festet til overflaten. Da like ladninger frastøter hverandre vil for eksempel en negativt ladet membranoverflate avvise negative ioner, mens positive ioner tiltrekkes, noe som gir en ekstra separasjonseffekt. Denne effekten, Donnan-avvisning, gjør det også mulig å skille flerverdige ioner fra enverdige, noe som ellers er svært vanskelig uten å bruke kjemiske metoder.

Gass-separasjon

Gass-separasjon med membraner startet for alvor i 1979 da Monsanto presenterte den første teknisk brukbare separasjonsmodulen for gjenvinning av hydrogen fra gassblandinger. Den såkalte Prism-modulen er en separasjonsmodul med hulfibermembraner, noe som gir stort membranareal på et lite volum. Dette er nødvendig fordi gass-separasjon krever kompakte membraner som er svært tette for å oppnå den ønskede effekten. Ved gass-separasjon brukes trykk på 30–100 bar på fødesiden og nær atmosfæretrykk på permeatsiden. Det stilles derfor store krav til styrken av membranene.

I tillegg til anlegg for hydrogengjenvinning finnes også veletablerte membranprosesser for produksjon av nitrogen eller oksygenanriket luft, til tørking av luft, utvinning av edelgasser samt en del andre. Anlegg for fjerning av karbondioksid og hydrogensulfid fra naturgass er i ferd med å bli kommersielt konkurransedyktige.

Pervaporasjon

Pervaporasjon er en teknikk som i likhet med gass-separasjon anvender kompakte membraner, men hvor fødestrømmen er en væskeblanding på nær kokepunktet mens permeatsiden holdes under lavt trykk (vakuum). Membranmaterialet avgjør om organiske komponenter eller vann permeerer lettest. Den permeerende komponenten fordamper på grunn av det lave trykket, diffunderer gjennom membranen og kan deretter gjenvinnes ved kjøling og kondensasjon.

Pervaporasjon brukes særlig til separasjon av azeotrope blandinger. Disse kan ikke skilles ved vanlig destillasjon. Et eksempel er produksjon av 100 prosent alkohol fra 96 prosent alkohol ved å fjerne vannet ved pervaporasjon. Andre anvendelser er produksjon av alkoholfri vin eller øl der alkoholen fjernes ved pervaporasjon.

Dialyse

Her anvendes mikroporøse ultrafiltreringsmembraner. Poreåpningene lages slik at de bare slipper gjennom molekyler som er mindre enn en viss molvekt, for eksempel i området fra 5000 til 100 000. Det anvendes ikke trykk av betydning slik at materialtransporten gjennom membranen skjer ved diffusjon drevet av konsentrasjonsforskjeller mellom de to sidene.

Den mest kjente dialyseprosessen er behandling av pasienter med nyresvikt med «kunstige nyrer». Dette er små hulfibermoduler med et overflateareal på 1–1,5 m². Internasjonalt produseres det årlig dialysemoduler for over én milliard norske kroner.

Elektromembranprosesser

Elektromembranprosesser er prosesser der det anvendes spesielle membraner som bare slipper gjennom enten positive eller negative ioner. Når anion- og kationselektive membraner monteres vekselvis i en passende modul og man setter på et spenningsfelt, vil de positive og negative ionene gå til hver sin side og man kan splitte en saltløsning.

En velkjent prosess er kloralkaliprosessen hvor råstoffet er løsning av vanlig koksalt, gassformige produkter er klorgass og hydrogen, mens det i væskefasen dannes natronlut som kan konsentreres til handelsvare.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg

Vi mangler fagansvarlig for Kjemiteknikk

Vil du bli fagansvarlig? Ta kontakt