Membrántechnológia

A természetben léteznek – de mesterségesen is gyárthatók – olyan hártyák, melyek bizonyos anyagfajtákat szelektíven átengednek magukon, másokat pedig nem. Ezen a tulajdonságuk miatt ezeket a hártyákat „féligáteresztő” hártyáknak nevezték el, utalva arra, hogy csak bizonyos anyagcsoportok számára áteresztőek, más ok számára nem. Ezeket a hártyákat hívják más néven membránoknak.

A membrános elválasztás a szűréshez hasonló, sőt a szűrés is gyakorlatilag membrán eljárás, melyben méret alapján történik az elválasztás. Az elválasztás során a kiindulási oldat (vagy kolloid), mint betáplálás a membrán modulba kerül bejuttatásra, amihez rendszerint nyomásfokozásra (szivattyú) is szükség van. A membrán modulban a betáplált elegy bizonyos komponensei a membrán belépési (primer) oldaláról a membrán túloldalára (szekunder oldal) jutnak, míg más komponensek a primer oldalon maradnak. A szekunder oldalon átvezetett anyagáramot szűrletnek vagy permeátumnak, a visszamaradó anyagot retentátumnak vagy koncentrátumnak nevezzük. Az elválasztás sémáját az alábbi ábra mutatja be:

A membránok alapvető szerepet töltenek be az életfolyamatokban, így például a sejtanyagcserében, hiszen magukat a sejteket is membránok határolják. A természetes membránok mintájára már a 19. század második felében előállították az első szintetikus membránokat (Fick, 1865), polimer alapú membránokon pedig már gázok elválasztását is vizsgálták (Graham, 1866). 1907-ben Bechhold és munkatársai már célzott „méretre szabott” pórusméretű nitrocellulóz membránokat állítottak elő. Ebben az időben azonban a membránok még csak laboratóriumi kutatások eszközei voltak.

A membrán eljárások a 20. században kezdtek elterjedni ipari léptékben. Az 1930-as évekre a mikroszűrő membránok kereskedelmileg is elérhetővé váltak, melyben úttörő szerepe volt a magyar származású Zsigmondy Richárd tudományos munkásságának is. Természetesen kezdetben elsősorban a hadiipar használta (pl. az atombomba előállításához elengedhetetlen urándúsítást is membránokkal végezték a Manhattan terv keretében, 1943 és 45 között).

A háborút követően szerencsére békésebb célokra is egyre szélesebb körben elkezdték alkalmazni a membrán technikákat. Kifejlesztésre kerültek az egyre finomabb elválasztást kínáló ultra-majd nanoszűrési technikák. Habár a víztisztításban már az 1950-es évek végén megjelentek (pl. Millipore Corporation), az áttörést a fordított ozmózis (reverz ozmózis vagy RO) 1960-as és ’70-es években történt kifejlesztése (Loeb és Sourirajan) hozta meg.

Az azóta eltelt évtizedekben az eljárás további nagymértékű fejlődésen ment keresztül, a membránok egyre fejlettebbek lettek (olcsó és stabil támasztóréteges membránok, „hollow fiber”, „carrier-mediated” és királis membránok kifejlesztése stb.), áruk pedig egyre jobban megfizethetővé vált, melyek következtében terjedésük folyamatos és töretlen.

A szennyvízkezelésben a membrán eljárások az 1960-as évek végén jelentek meg, elsősorban mikrobiológiai eljárásokkal kombinálva (MBR membrán bioreaktorok), illetőleg az ülepítési eljárások alternatívájaként (pl. variálható pórusméretű mikroszűrés – VPMF).

Az alábbiakban a membrán eljárásokat az elválasztott részecskeméret alapján kategorizáljuk.