Käanteisosmoosi prosessina on ideaalisessa tapauksessa parhai
ta erotusmenetelmiä nesteen ja siihen liuenneen aineen erotta
miseksi. Prosessissa ei vaadita nesteelle faasin muutosta ja erotus voidaan suorittaa normaaleissa lämpötiloissakin. Ole
massa olevat kalvot laskevat kuitenkin aina jonkin verran myös liuennutta ainetta läpi. Painetta nostettaessa lisääntyy veden virtaus kalvon läpi, mutta suolan läpitulo kasvaa huomattavas
ti vähemmän. Tästä johtuen täytyy useimmiten erotus suorittaa varsin korkeassa paineessa, jotta saataisiin aikaan riittävä erottuminen. Veden poistumisesta kalvon läpi aiheutuu sisäliuok- sessa kalvon lähellä ns. konsentraatiopolarisaatio, mistä joh
tuu läpi tulevan liuoksen konsentraation kasvaminen ja erotus- työn lisääntyminen. Tämän poistamiseksi on sisäliuoksessa ol
tava riittävä sekoitus ts. liuoksen virtauksen täytyy olla tur- bulenttista. Näistä seikoista johtuen tarvitaan käytännössä huomattavasti teoreettista erotustyötä suurempia työmääriä.
2^2__KalY9jen_lä2äisevyys_eri_aineille
Erickson (44) on tutkinut kalvon läpäisykykyä yhden ja monen suolan liuoksille. Hän on todennut, että selluloosa-asetaatti- kalvo on seiaktiivisempi kun liuoksessa on monta eri ionia.
Lisäksi kalvolla saadaan erotetuksi kahden arvoiset paremmin kuin yhden arvoiset. Tutkimuksessa todettiin sulfaatin erot- tuminen suurimmaksi ja bromidin pienimmäksi paineessa 40 kp/cm merivedestä ja erottumisen täydellisyysjärjestykseksi saatiin
lo
SO^ > Ca++ > Mg++ > HCO-j > Na+ > K+ > Cl" > Br .
Varauksen lisäksi vaikuttaa molekyylin koko sen kykyyn läpäis
tä kalvo. Varauksettomat pienet orgaaniset molekyylit läpäise
vät hyvin kalvon. Veteen liuenneet kaasut, mikäli ne eivät ve
dessä muodosta ioneja, läpäisevät myös kalvon.
2^2__JëÎÊY§§iË0-Eyhçl:Lstus_kâânteisosmoosilla
Jätevesien puhdistusta käänteisosmoosin avulla on tutkittu var
sin intensiivisesti, ja saatuja tuloksia pidetään yleensä var
sin lupaavina. Wiley et al. (33) julkaisivat v. I
967
tutkimustuloksiaan selluloosa- ja paperiteollisuuden jätevesien käsit- telykokeista käänteisen osmoosin avulla. He ovat tutkineet puun kuorinnasta, selluloosan keitosta, massan pesusta ja valkaisus
ta sekä väkevöinnistä syntyviä jätevesiä laboratorio- ja pilot- mittakaavassa. Kokeissa saatiin hyvälaatuista vaahdotonta vet
tä hyvällä saannolla. Artikkelissa todetaan, että prosessi tar
joaa uuden ratkaisun veden kierrätys- ja uudelleenkäyttöprob- leemaan selluloosa- ja paperiteollisuudessa.
Kokeissa käytettiin kaupallisesti saatavia laitteistoja, joissa erottuminen tapahtuu veden virratessa huokoisen putken sisäpin
nalla olevan kalvon läpi ulos. (Tämän laitetyypin on kehittänyt tri Glenn Havens). Laitteistot olivat toiminnassa 6-20 viikon ajan tietyn ohjelman mukaisesti prosessimuuttujia muunnellen.
Arnmerlaanin et ai. (34) mukaan vaikuttavat seuraavat tekijät kalvon läpi tapahtuvaan virtaukseen :
17
-Jäteveden laatu ja tila
jätteen osmoottinen paine
epäorgaanisen, orgaanisen tai mikrobiologisen aineen pyrkimys kerrostua kalvolle (coating)
aktiivisen kerroksen turmeltuminen (fouling) jätteen lämpötila
jätteen pH
jäteaineiden määrä vedessä Käytetyn kalvon laatu
aktiivisen kerroksen tiheys kalvon tiivistyminen
Laitteiston toiminta
liuoksen virtausnopeus kalvon pinnan suunnassa konsentraatiopolarisaatio
käyttöaika
Sulfiittiselluloosatehtaan kalsiumpitoista pesuvettä, jossa on 1 % kiintoainetta, on konsentroitu 6 - 12 $:n kiintoainepitoi- suuteen saakka käänteiseen osmoosiin perustuvalla prosessilla
(
55
) keskimääräisen käsiteltävän määrän ollessa I70
nr /vrk.Taulukossa III on käsitellystä jätevedestä analyyttisiä tieto
ja ja saantoprosentteja:
18 konsentraatissa % mg/l
Kiintoaine BHK
Haihtuvia happoja KHK
Beder ja Gillespie (
36
) ovat myös tutkineet käänteistä osmoosia jätevesien käsittelyssä. Kokeissa kaikki käänteisosmoosiajot suoritettiin Amicon Corporationin teflonpinnoitteisessa käänteisos- moosikennossa malli 420. Sen kapasiteetti oli 400 ml, ja siinä on sisällä magneettisekoitin, jonka tarkoituksena on vähentää konsentraatiopolarisaatiota. Polyelektrolyyttikalvot, joita käy
tettiin alhaisessa paineessa poistamaan orgaanista ainetta oli
vat Amiconin kalvot UM-1 (a ja b), 2 ja
3
. Suurissa paineissasuolan poistoon käytetyt kalvot olivat Eastman Chemical Products*in tuottamia selluloosa-asetaattikalvoja.
Kaikki käänteisojsmoosikokeet suoritettiin panosprosesseina aset
tamalla tietty jätevesimäärä systeemiin ja saatiin määrätty pro
sentti suolatonta vettä syötöstä. Typpeä käytettiin paineen ai
kaansaamiseen.
-Käyttämällä alhaista painetta voidaan polyelektrolyyttikalvoil- la poistaa sulfaattiselluloosatehtaan alkalisesta jätevedestä väriaineita ja saada aikaan tyydyttävä KHK-arvon alenema.
Sei 19 Sei
-laiset kalvot osoittautuvat, olevan tehokkaampia kuin kalkki- käsittely, jos vedessä on paljon väriainetta ja happea kulut
tavia aineita.
Käyttämällä suurta painetta voidaan käsittelemättömästä ja kalkilla käsitellystä jätevedestä poistaa liuennutta ainetta.
Aktiivihiilikäsittely vaaditaan kalvon läpäisevän pienen mole- kyylipainon omaavan orgaanisen aineen poistamiseksi.
Kokeissa on edelleen todettu, ettei kalvoissa veden läpäisy pysy vakiona kokeiden aikana, vaan pienenee vaikka jätevesi on osittain puhdistettu, ellei makromolekulaarista ainetta kokonaan poisteta. Koska kuitenkin kalvon ikä määritetään tuot
teen laadun huonontumisen perusteella, makromolekulaarisen ai
neen lisäys parantaa suolan rejektiota ja lisää kalvon ikää jbissakin tapauksissa.
Useimmiten kalvon likaantuminen on haitallista, koska kalvon ominaisuudet eivät pysy vakioina. Wiley et ai. (37) ovat suo
rittaneet monia erilaisia kokeita, joiden tarkoituksena -oli löytää keinoja kalvojen pitämiseksi puhtaana turmelevista ai
neista. On kokeiltu useita lupaavia lisäaineita syöttöliuok- sen esikäsittelyyn. Useita fosfaatteja ja muita saostumia es
täviä tai saostumista hidastavia yhdisteitä voidaan käyttää vähentämään kiteisten saostumien, kuten kalsiumsulfaatin, muo
dostumista. Likaantunutta kalvoa on puhdistettu erilaisilla prosesseilla, joihin kuuluu suuren frekvenssin omaavan äänivä-
<
rähtelyn käyttö sekä sellaiset lisäaineet kuten EDTA tai muut
20
yhdisteet, joille on ominaista kyky poistaa tietyn tyyppisiä kalvolle kerääntyneitä aineita.
Coalingassa (45) pilot plant-putkisysteemissä käytettiin putki
maisten kalvojen puhdistukseen vaahtomuovista palloja, joiden koko oli noin kaksi kertaa suurempi kuin putken sisähalkaisija.
Nain saatiin esim. kipsisakka poistetuksi kalvon pinnalta.
Kuitenkin paljon paremmin toteutettavissa ovat käyttömenetelmät, joilla vähennetään likaavien aineiden akkumulaatiota kalvolle käänteisosmoosiprosessin aikana. Virtausolosuhteilla un myös suuri vaikutus kalvojen kestävyyteen.
Myös mikro-organismien kykyä läpäistä kalvo on tutkittu (58).
Sadan ilmakehän paineessa 25°C:ssa kalvolla, jonka natriumklo- ridin rejektio oli 94,2 % ei todettu mikro-organismien läpäi
syä kuin yhdessä kokeessa. Myös muita jätevesien käsittelyä koskevia tutkimuksia on tehty. Robinson et ai. (59) ovat tut
kineet onttojen kuitujen käyttöä teollisuusvesien puhdistami
seen. Ironside et ai. (40) ja Wiley (41) ovat selvittäneet mahdollisuuksia käänteisosmoosin käytölle jätevesien puhdista
misessa .
Käänteisosmoosin voidaan todeta olevan varsin ajankohtaisen prosessin, ja mikäli useassa tapauksessa vielä esiintyvät, lä
hinnä kalvon ominaisuuksien pysyvyyteen liittyvät vaikeudet saadaan voitetuksi, voidaan käänteistä osmoosia pitää talou
dellisestikin kannattavana. Wiley et ai. (57) kuitenkin to
teavat, että prosessin taloudellista kilpailukykyä ei voida
21
vielä tarkalleen sanoa.
Varsinaisesti paperikoneiden jätevesiä ja niiden haitallisten aineiden poistoa ei ole tutkittu. Probleemat ovat suuressa mää
rin samat kuin selluloosan valmistuksessa ja osittain myös sa
mat kuin yleensäkin jätevesien käsittelyssä. Paperikoneen jäte
vedet ovat kuitenkin laimeampia (kiintoainetta vähemmän), kuin selluloosateollisuuden jätevedet.. Tästä johtuen saattaa kään- teisosmoosi olla sopiva paperikoneiden jätevesien käsittelyyn.
Jäteveden pH on alueella, jossa selluloosa-asetaatin hydrolyy- sinopeus on pienin (pH taulukon II mukaan 4,1 ... 5>5) •
VosJin et ai. (42) mukaan selluloosa-asetaatin hydrolyysinopeus on pienimmillään kun pH on noin 4,5 (pH 4-6).
2Л4__Рilot-plant mittakaavassa tehdyt_kaanteisosmoosia kokevat _ tut kiroukset
Coalingassa, Californiassa alkoivat jo v. I
965
pilot-plant tutkimukset ja laitos on toiminut neljä vuotta (45). Laitosta on käytetty suolanpoistoon vedestä, jossa oli liuennutta kiintoai
netta keskimäärin 2450 ppm ja tuotteeksi on saatu keskimäärin
260
ppm:ää liuennutta kiintoainetta sisältävää vettä.Viiravesiin verrattuna vesi sisältää huomattavasti enemmän epä
orgaanisia suoloja, kun taas orgaanisten aineiden osuus viira- vedessä on huomattavasti suurempi. Rauta oli käyttötutkimuksis
sa todettu olevan varsin hankala aine, koska se pyrkii saostu
maan ferrihydroksidina kalvon pinnalle vähentäen Veden läpäisyä.
22
Kokeissa pilot-plant laitteistolla ensimmäisenä yrityksenä kal
von turmeltumisen vähentämiseksi muutettiin suodattimiksi yhden mikronin panossuodattimet. Koska tällä ei ollut havaittu olevan likaantumista vähentävää vaikutusta oletettiin, että saostuma muodostuu kalvon pinnalla.
Tutkijat arvelivat, että ferrihydroksidin muodostumista edistä
vät rautabakteerit ja täten alettiin sekoittaa klooria hypoklo
riitin muodossa 2 mg Cl/l syöttöön. Tuloksena oli kalvon turmel
tumisen loppuminen. Kloorilisäyksen menestyksellisyys saattaa johtua sen kyvystä hapettaa liukoinen kahden arvoinen rauta liu
kenemattomaksi ferri-ioniksi ennen kuin se tulee kalvolle. Fer- rihydroksidi jää tällöin liuokseen eikä sitä saostu kalvolle.
Myös natriumsulfIittiä käytettiin raudan hapettamiseen.
Edelleen kokeissa todettiin, että suuremmissa lämpötiloissa kar
kaistuilla kalvoilla on pitempi elinikä ja saadaan puhtaampaa vettä.
Niin kauan kuin virtaava sisäliuos on voimakkaasti turbulentista kalvon ominaisuudet pysyivät likimäärin vakioina.
Edelleen tutkimustuloksena todettiin, että kipsin saostumisella ei ollut turmelevaa vaikutusta kalvon ominaisuuksiin. Saostumaa poistettiin kerran ja normaalia käyttöä voitiin jatkaa.
K
25
-2Л5_ Käänteisosmoosilla_käsiteltävälle_vedelle asetettavat_vaatimukset
Kremenin (45) mukaan käänteisosmoosiin perustuvat Järjestelmät yleensä vaativat jonkin verran syöttöliuoksen esikäsittelyä, josta seuraavassa mainitaan tärkeämpiä:
Veden pH täytyy olla alueella 3-7 selluloosa-asetaatin hydro- lyysin estämiseksi.
Kiinteiden suspendoituneiden aineiden poistaminen on tärkeä pumppujen suojelemiseksi ja myös kalvon pinnan likaantumisen estämiseksi. Artikkelin mukaan on suositeltavaa poistaa yli
5-25
pm:n hiukkaset ja syöttöliuoksen sameuden tulisi olla alle 0,5 JTU (Jackson Turbidity Units).Mikroeliöiden kasvun estämiseksi tarvitsee syöteliuokseen usein lisätä bakteereja tuhoavaa ainetta. 0,5 - 1>0 mg/l:n kloorili- säys on tavallisesti riittävä.
Syöttöliuoksen luonteesta riippuen saattaa olla edullista tai joissakin tapauksissa välttämätöntä lisätä jotain hidastinta tai liuottavaa ainetta. Tämä saattaa olla tarpeellista estämään joidenkin niukkaliukoisten aineiden, esimerkiksi kalsiumsuolo- jen, saostumisen konsentroinnin yhteydessä.
- 24
3 KÄÄNTEISOSMOOSIN TEOREETTINEN TARKASTELU