Kriokoncentracja w oczyszczaniu ścieków

Kriokoncentracja, czyli krystalizacja przez wymrożenie, znalazła zastosowanie w oczyszczaniu ścieków pochodzących z przemysłu. Dzięki temu procesowi możliwe jest odzyskiwanie wody i powtórne jej wykorzystanie.

Produkcji przemysłowej towarzyszy zazwyczaj powstawanie znacznej ilości odpadów, zarówno stałych, jak i płynnych. Niektóre z nich nadal mają wartość użytkową i mogą być wykorzystywane przez zakład macierzysty lub stają się przedmiotem obrotu zewnętrznego, a nawet handlu. Inne wymają specjalnego traktowania, np. spalania lub składowania, by chronić w ten sposób środowisko przed ich niekorzystnym wpływem. Ścieki przemysłowe są specyficznym produktem ubocznym. Zazwyczaj duża objętość, mała zawartość suchej masy i jednocześnie obecność jednego składnika w bardzo wysokim stężeniu powodują problemy we właściwym ich zagospodarowaniu. Najczęściej ścieki poddawane są podczyszczeniu mechanicznemu i biologicznemu, a następnie odprowadza się je do środowiska. W wielu przypadkach obciążenie ścieków uniemożliwia stosowanie metod biologicznych. Wówczas poddawane są one procesom zagęszczania lub frakcjonowania, a uzyskany w ten sposób koncentrat jest zagospodarowywany lub utylizowany. W procesach tych stosuje się techniki membranowe, np. odwróconą osmozę lub ultrafiltrację, zagęszczanie przez odparowywanie przy obniżonym ciśnieniu oraz destylację. Metody te nie są jednak w pełni satysfakcjonujące ze względu na stopień oczyszczenia lub zagęszczenia, zapychanie membran oraz znaczne koszty.

Kriokoncentracja, czyli krystalizacja przez wymrożenie, znalazła zastosowanie w oczyszczaniu ścieków pochodzących z przemysłu.

Zagęszczenie i separacja

Kriokoncentracja, znana także jako krystalizacja przez wymrożenie, jest metodą zagęszczania i separacji wciąż stosunkowo rzadko wykorzystywaną na większą skalę, mimo iż pierwsze doniesienia o możliwości jej stosowania pochodzą z końca XVIII w.1. Technologie oparte na kriokoncentracji bazują na różnicach w temperaturze krzepnięcia poszczególnych składników roztworu. W efekcie schładzania mieszaniny dochodzi do zamrożenia jednego z jej składników, a następnie odseparowania kryształów lodu od pozostałości roztworu i wyprowadzenia ich poza układ. Usunięcie jednego z komponentów powoduje zagęszczenie pozostałego roztworu2, 3. Najczęściej eliminowana jest woda, chociaż metoda ta może być stosowana także w separowaniu związków organicznych. W pierwszej fazie procesu, mieszanina jest schładzana do temperatury bliskiej punktu krzepnięcia, po czym wprowadzana do komory krystalizatora. W efekcie dalszego schładzania powstają w niej zarodki krystalizacji, a potem następuje wzrost kryształów lodu, który wraz z koncentratem jest pompowany do separatora lodu. Separator lodu, zazwyczaj w postaci kolumny wyposażonej w cyklicznie, tłokowo poruszające się sito, oddziela lód od koncentratu. Kluczowe jest odpowiednie odpłukanie lodu od zanieczyszczającego go koncentratu. W tym celu część lodu ulega stopieniu, a powstała woda przeciwprądowo przepłukuje zebrany w kolumnie lód. Do przepłukania lodu w kolumnie separującej potrzebna jest stosunkowo niewielka ilość wody. Pozostała jej część po stopieniu lodu odprowadzana jest na zewnątrz układu. Poza zasadniczymi elementami urządzenia, takimi jak krystalizator i separator lodu w skład kriokoncentratorów wchodzą także: wymiennik ciepła, system pomp oraz układ kontrolno-pomiarowy3. Przebieg procesu kriokoncentracji ma charakter ciągły, co oznacza, że przez cały czas dostarczana jest nowa porcja mieszaniny i odprowadza się wodę ze stopionego lodu.

Na przestrzeni lat metoda kriokoncentracji uległa dynamicznemu rozwojowi, skutkując różnymi rozwiązaniami technicznymi, stosowanymi zależnie od aplikacji. Proces krystalizacji może być wynikiem wymiany ciepła, pomiędzy czynnikiem chłodzącym a zagęszczaną mieszaniną za pośrednictwem wymiennika ciepła lub bezpośredniego mieszania zagęszczanego roztworu z czynnikiem chłodzącym. W metodzie bezpośredniej jako czynnik chłodzący może być stosowana sama woda o parametrach zbliżonych do parametrów punktu potrójnego (wymrażanie próżniowe) lub nierozpuszczalny w wodzie butan lub freon. Ich zastosowanie wymaga jednak dodatkowych procesów oddzielających je od stopionego lodu i koncentratu3. Proces separacji i odpłukiwania lodu jest zasadniczym elementem determinującym rozwój i komercjalizację kriokoncentracji. W praktyce najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest kolumna separacyjna z przemywaniem lodu. Niektóre rozwiązania działają w oparciu o zastosowanie wirówek.

Zastosowanie w przemyśle

Kriokoncentracja znalazła zastosowanie głównie w przemyśle spożywczym. Dzięki niskim temperaturom procesu zagęszczane produkty spożywcze zachowują swe walory jakościowe (brak termicznej degradacji składników żywności i zachowanie lotnych związków aromatycznych). Technikę tę stosuje się m.in. do zagęszczania soków owocowych, ekstraktów kawy, herbaty, ekstraktów aromatów oraz mleka czy syropów3-5. Proces kroiokoncentracji wykorzystywany jest także do zagęszczania odpadu z przemysłu mleczarskiego, jakim jest serwatka. W tym przypadku zawodzą standardowe metody zagęszczania, ponieważ w wyższych temperaturach dochodzi do denaturacji białka lub zapychania filtrów przy zastosowaniu technik membranowych2.

Metoda ta przede wszystkim znajduje zastosowanie tam, gdzie ponoszone są znaczne nakłady energetyczne na procesy separacyjne, np. w przemyśle celulozowo-papierniczym, farmaceutycznym, chemicznym czy petrochemicznym4, 6, 7. Kriokoncentrację stosuje się w przypadku niemożliwych do rozdziału na drodze destylacji mieszanin azeotropowych czy mieszanin izomerów o bardzo zbliżonych temperaturach wrzenia. Obiecujące jest także wykorzystanie kriokoncentracji do odsalania wody morskiej w produkcji wody przeznaczonej do konsumpcji8.

Zagęszczanie ścieków

Zagęszczanie ścieków przemysłowych przez zastosowanie kriokoncentracji pozwala na odzyskiwanie wody i powtórne jej wykorzystanie w procesie produkcji. W efekcie, możliwa jest działalność przemysłowa bez konieczności odprowadzania ścieków.

Najczęściej kriokoncentracji poddawane są ścieki zawierające wodorotlenek sodu, octan sodu, siarczan magnezu i inne związki nieorganiczne.

Możliwa jest także koncentracja ścieków zawierających związki organiczne, m.in. aldehyd octowy, kwas octowy, octan sodu, etanol, metanol, fenol, benzen toluen i inne9.

Pomimo niewątpliwych zalet kriokoncentracji, dotychczas na świecie funkcjonuje zaledwie kilkadziesiąt instalacji o charakterze przemysłowym, z których większość pracuje w przemyśle spożywczym. Instalacje zagęszczania ścieków stosowane są w zakładach produkcji monomerów styrenu, tlenku propylenu i separacji p-ksylenu. Największe z nich zlokalizowane są w Singapurze i Moerdijk w Holandii, a ich wydajność sięga kilkudziesięciu ton na godzinę6.

Oszczędność procesu

Mimo stosunkowo niewielkiego, komercyjnego wykorzystywania kriokoncentracji, proces ten odznacza się wieloma zaletami w porównaniu do innych metod zagęszczania. Jedną z nich jest oszczędność energii. Mniejsze zużycie energii podczas kriokoncentracji np. w porównaniu do destylacji, wynika z mniejszego zapotrzebowania na ciepło przemiany fazowej. W przypadku kriokoncentracji ilość ciepła (tzw. utajonego ciepła krystalizacji) potrzebna do wymrożenia wody wynosi zaledwie 334 J/g, natomiast w przypadku odparowywania wody zużycie energii wzrasta do 2257 J/g6, 9. Zastosowanie kriokoncentracji pozwala na odzyskanie bardzo dobrej jakości wody i ponowne jej wykorzystanie w procesie technologicznym6.

W przypadku zagęszczania niektórych ścieków przemysłowych uzyskany koncentrat może również być poddawany powtórnemu wykorzystaniu w procesie produkcji, podlegać obrotowi handlowemu lub w przypadku odpadów niebezpiecznych – spalaniu10.

Prowadzenie procesu w temperaturze poniżej zera ogranicza także ryzyko związanie z korozją instalacji. Do wad kriokoncentracji zalicza się wysoki, jednostkowy koszt zakupu instalacji, stosunkowo wysokie koszty całkowite procesu, a także wciąż niesatysfakcjonujące rozwiązania techniczne, dotyczące np. rozdzielania lodu i koncentratu.

Potencjalnie niższe koszty krystalizacji w stosunku do odparowywania i innych metod zagęszczania oraz pozostałe zalety kriokoncentracji pozwalają na stwierdzenie, że metoda ta może znaleźć w przyszłości szersze zastosowanie i stać się technologią konkurencyjną w stosunku do stosowanych obecnie.

Źródła

1. Nebbia G., Menozzi G.N.: Early experiments on water desalination by freezing. „Desalination” 5/1968.

2. Sanchez J., Hernandez E., Auleda J.M., Raventos M.: Freeze concenreation of whey in a falling-film based pilot plant: Process and characterization. „J. Food Eng.” 103/2011.

3. Englezos P.: The Freeze Concentration Process and its Applications. „Developments in Chemical Engineering and Mineral Processing” 2/1994.

4. Rahman M.S., Ahmed M., Chen X.D.: Freezingmelting process and desalination: review of present status and future perospects. „Int. J. Nuclear Desalination” 2/2007.

5. Aider M., Halleux D.: Cryoconcentration technology in bio-food industry: Principles and applications. „LWT – Food Science and Technology” 42/2009.

6. Holt S.: The role of freeze concentration in wastewater disposal. „Filtration and Separation Journal” 34-35/1999.

7. Chowdhury, J.: CPI Warm up to Freeze Concentration. „Chemical Engineering” 6/1988.

8. Spigler K.S., El-Sayed Y.M.: A desalination pimer: introductory book for students and newcomers to desalination. Santa Maria Imbaro, Italy. Balaban Desalination Publications. 1994.

9. Nakagawa K., Maebashi S., Maeda K.: Freeze-thawing as a path to concentrate aquos solution. „Sep. Purif. Technol.” 73/2010.

10. Lemmer S., Klomp R., Ruemekorf R., Scholz R.: Proconcentration of wastewater through the niro freeze concentration process. „Chem. Eng. Technol.” 5/2011.

Roman Marecik, Katedra Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu

dr inż. Roman Marecik, Katedra Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu

Paweł Cyplik, Katedra Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu

dr inż. Paweł Cyplik, Katedra Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu

Łukasz Chrzanowski, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska

dr inż. Łukasz Chrzanowski, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej,Politechnika Poznańska

Opublikowano: Ecomanager Numer 1/2012 (22-23)

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *