Nanofiltration renovation of mineral water

• Autorzy: Bodzek M. , Tomaszewska B. , Rajca M.

Identyfikatory

DOI

10.1515/aep-2017-0021

Warianty tytułu

PL

Nanofiltracyjne uzdatnianie wody mineralnej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

There is often a need to improve the taste of mineral water by reducing the sulphate ion content. It was found that for such an effect, nanofiltration (NF) process can be used. In the case, the proposed formula was assumed obtaining a mineral water with reduction of H₂S and SO₄ ^2- content through the following processes: stripping – UF/MF or rapid filtration – nanofiltration – mixing with raw water or filtration through calcium bed. The paper shows the results of the tests, with use of mineral waters and nanofiltration. Commercial nanofiltration membranes NF-270 Dow Filmtec and NF-DK GE Infrastructure Water&Process Technologies were applied. NF was carried out for mixed water from both water intakes (1 and 2), recovery of 50%, at transmembrane pressure of 0.8–1.2 MPa in the dead-end filtration mode. In addition, the permeate obtained in NF was filtered through a column filled with 1.0–3.0 mm limestone rock, in order to improve the composition of mineral water. The tested mineral water is the sulphate-chloride-sodium-calcium-magnesium in nature and contains 991 mg/L of SO₄^2-and 2398 mg/L of TDS, while the permeate after NF showed the chloride – sodium hydrogeochemical type (TDS: 780–1470 mg/L, sulfate 10–202.7 mg/L, calcium 23–39.7 mg/L, magnesium 11–28 mg/L). As a result of water treatment in the NF process, high reduction of SO₄^2- ions was obtained (79–98.7%), while the TDS was reduced in 51–64%. Because the process of NF allows for relatively high reduction of bivalent ions, a significant reduction in calcium ion content (84–88%) and magnesium (84–89%) has been also obtained. Monovalent ions were reduced to a lesser extent, i.e. sodium in 46% and bicarbonates in 39–64.1%. Despite obtaining the positive effect of the sulphate ions content reduction, the NF process significantly changed the mineralogy composition of water. The permeate filtration (DK-NF membrane) on the CaCO₃ deposit led to a correction of the hydrogeochemical type of water from chloridesodium to chloride-bicarbonate-sodium. The concentration of calcium ions was increased by 60.5% and was 28.2 mg/L, and bicarbonate ions by 7.78% (increased to 195 mg/L). Based on a morphological assessment of the deposits in the SEM image and their chemical composition, the presence of gypsum crystals was detected on the surface of the NF-270 membrane. The deposits formed on the NF-DK membrane were of a completely different character as aggregations of iron and aluminium oxides/hydroxides were found. Such significant mineralogical differences between the secondary deposits crystallising on the surface of the membranes point to the impact of several factors, including membrane characteristics, concentration polarisation, mass transport mechanisms, etc.

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań, z wykorzystaniem wód mineralnych oraz nanofiltracji. Zastosowano komercyjną membranę nanofiltracyjną NF-270 firmy Dow Filmtec oraz membranę oznaczoną jako NF-DK firmy GE. Filtrację prowadzono dla odzysku wody wynoszącego 50%, pod ciśnieniem transmembranowym w zakresie 0,8–2,0 MPa w układzie filtracji dead-end. Dodatkowo permeat uzyskany w nanofiltracji filtrowano przez kolumnę wypełnioną skałą wapienną o frakcji 1,0–3,0 mm, w celu poprawy składu mineralnego wody. Badana woda mineralna posiadała charakter wody siarczanowo-chlorkowo-sodowo-magnezowo-wapniowej, natomiast permeat po NF wykazywał chlorkowo-sodowo-potasowy typ hydrogeochemiczny. W wyniku uzdatniania wody w procesie NF, uzyskano wysoką redukcję jonów SO₄ – 96–98%, natomiast TDS zostało obniżone o ok. 51–64%. Ponieważ proces nanofiltracji pozwala na stosunkowo wysoką redukcję jonów dwuwartościowych, uzyskano również znaczące obniżenie zawartości jonów wapnia (84–88%) i magnezu (84–89%). Jony jednowartościowe obniżone zostały w mniejszym stopniu, tj. sód (46%), a wodorowęglany (49–51%). Filtracja permeatu, po membranie DK-NF, na złożu CaCO₃, doprowadziła do korekty typu hydrogeochemicznego permeatu, z chlorkowo-sodowo-potasowego na chlorkowo-wodorowęglanowo-sodowy. Na podstawie oceny morfologicznej osadów w obrazach SEM i ich składu chemicznego, na powierzchni membrany NF-270 stwierdzono obecność kryształów gipsu. Osady utworzone na powierzchni membrany NFDK miały zupełnie inny charakter. Stwierdzono skupiska tlenków/wodorotlenków żelaza i glinu. Nanofiltracja jest odpowiednią metodą pozwalającą na modyfikację smakową wody mineralnej.

Słowa kluczowe

EN

mineral water; water renovation; nanofiltration; hydrogeochemical type of water

PL

woda mineralna; uzdatnianie wody; nanofiltracja; hydrogeochemiczny rodzaj wody

• Wydawca: Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Environmental Protection
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 43, no. 2
• Strony: 51--59
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Bodzek M.

• Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences, Poland
• Silesian University of Technology, Institute of Water and Wastewater Engineering, Poland

autor

Tomaszewska B.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Geology, Geophysics and Environmental Protection, Poland
• Mineral and Energy Economy Research Institute of the Polish Academy of Sciences, Poland

autor

Rajca M.

• Silesian University of Technology, Institute of Water and Wastewater Engineering, Poland

Bibliografia

• [1]. Al-Amoudi, A., Williams, P., Mandale, S. & Lovitt, R.W. (2007). Cleaning results of new and fouled nanofiltration membrane characterized by zeta potential and permeability, Separation and Purification Technology, 54, 2, pp. 234-240.
• [2]. Burn, S., Hoang, M., Zarzo, D., Olewniak, F., Campos, E., Bolto, B. & Barron, O. (2015). Desalination techniques - A review of the opportunities for desalination in agriculture, Desalination, 364, pp. 2-16.
• [3]. Directive 2009/54/Ec of the European Parliament and of the Council, of 18 June 2009, on the exploitation and marketing of natural mineral waters, Official Journal of the European Union, L 164/45.
• [4]. Ernst, M., Bismarck, A., Springer, J. & Jekel, M. (2000). Zeta- -potential and rejection rates of a polyethersulfone nanofiltration membrane in single salt solutions, Journal of Membrane Science, 165, pp. 251-259.
• [5]. Fritzmann, C., Löwenber, J., Wintgen, T. & Melin, T. (2007). State-of- -the-art of reverse osmosis desalination, Desalination, 216, pp. 1-76.
• [6]. Nawrocki, J. (2010). Water treatment. Physical, chemical and biological processes, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa- -Poznań 2010. (in Polish)
• [7]. Nghiem, L.D. & Hawkes, S. (2007). Effects of membrane fouling on the nanofiltration of pharmaceutically active compounds (PhACs): Mechanisms and role of membrane pore size, Separation and Purification Technology, 57, pp. 182-190.
• [8]. Regulation of the Ministry of Health of 31 March 2011 concerning natural mineral waters, spring waters and table waters, (Dz. U. Nr 85, poz. 466) Warszawa 2011. (in Polish)
• [9]. Schaep, J. & Vandecasteele, C. (2001). Evaluating the charge of nanofiltration membranes, Journal of Membrane Science, 188, pp. 129-136.
• [10]. Tomaszewska, B. & Bodzek, M. (2013a). Desalination of geothermal waters using a hybrid UF-RO process. Part II: Membrane scaling after pilot-scale tests, Desalination, 319, pp. 107-114.
• [11]. Tomaszewska, B. & Bodzek, M. (2013b). Desalination of geothermal waters using a hybrid UF-RO process. Part I: Boron. removal in pilot-scale tests, Desalination, 319, pp. 99-106.
• [12]. Tomaszewska, B., Pająk, L. & Bodzek, M. (2014). Application of a hybrid UF-RO process to geothermal water desalination. Concentrate disposal and cost analysis, Archives of Environmental Protection, 40(3), pp. 137-151.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).