Membranseparasjon, fellesbetegnelse for en rekke separasjonsprosesser der én eller flere av komponentene i en væske- eller gassblanding skilles fra de øvrige ved at de passerer gjennom halvt gjennomtrengelige (semipermeable) membraner. Det som passerer gjennom membranen kalles permeat, mens det som holdes tilbake er retentat eller konsentrat. Prinsippene har vært kjent lenge, men de fleste tekniske separasjonene ble utviklet etter at de første teknisk brukbare membranene kom i 1960-årene.

Kraften som behøves for å drive permeatet gjennom membranen er egentlig en forskjell i det kjemiske potensialet på de to membransidene, men dette er i praksis representert ved forskjeller i trykk, konsentrasjon, elektrisk potensiale eller temperatur, eller ved en kombinasjon av disse.

Tekniske membraner lages vanligvis av polymermaterialer som polysulfon, celluloseacetater, polyamid, polypropylen og fluorpolymerer, men det lages også keramiske membraner av aluminiumoksid, zirkoniumoksid, glass og så videre, og membraner av sintermetall. Det er også stor aktivitet innen utvikling av karbonmembraner for separasjon av gasser ved høy temperatur.

Ved spesielle metoder er det i dag mulig å fremstille porøse membraner med midlere porestørrelser i området fra 10–20 μm (0,01–0,02 mm) og ned til ca. 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 fra ca. 5 nm ned til 0,3 nm, men dette er nok til at ioner og små molekyler kan passere gjennom membranen.

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 revers osmose.

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. Ved spesielle fremstillingsteknikker produseres i dag asymmetriske membraner der den aktive delen av membranen kan være helt ned til 0,1 μm 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.

Separasjonsmembraner produseres i form av plater, rør med diametre fra ca. 2 til 20 mm eller som hulfibrer som har en ytre diameter på under 0,5 mm og indre diameter på 0,05– 0,3 mm. For praktisk anvendelse må membranene 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.

Membranfiltrering er en samlebetegnelse for prosessene mikrofiltrering (MF), ultrafiltrering (UF), nanofiltrering (NF) eller revers osmose (RO). RO er også kjent som omvendt osmose eller hyperfiltrering. Felles for alle prosessene er at de anvendes 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) 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) anvendes membraner med poreåpninger fra 10–100 nm (1nm = 1/1 000 000 mm) 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 revers osmose (hyperfiltrering) (RO) anvendes kompakte membraner der åpningene i praksis ligger mellom 0,3 og 5 nm. Med slike membraner er man i stand til å 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 UF og MF, opptil mer enn 100 bar. Revers osmose er i dag den vanligste teknikken for produksjon av drikkevann fra sjøvann eller brakkvann hvis ikke varmeenergi er tilgjengelig til meget 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 med membraner startet for alvor 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 anvendes 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 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.

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 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.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.