TECHNIKI MEMBRANOWE
(WYKŁADY C.D. prof. dr hab. inŜ. K. Prochaska)
TECHNIKI MEMBRANOWE
(WYKŁADY C.D. prof. dr hab. inŜ. K. Prochaska)
Techniki membranowe – techniki separacji, rozdziału.
Wszystko, co nas otacza jest mieszaniną.
Podział:
- separacja gazów
- separacja zawiesin (zawarte w r-rach pyły, bakterie, wirusy, grzyby)
- wydzielanie minerałów ze źródła naturalnego pochodzenia
- separacja układów emulsyjnych.
Mamy róŜne techniki rozdziałów, ale maja one określony zakres działania.
Inaczej jest w przypadku technik membranowych. Są uniwersalne. DuŜy zakres stosowalności. Techniki
membranowe: odwrócona osmoza, nanofiltracja, ultrafiltracja, mikrofiltracja. Cząstki są zbudowane z
cząsteczek. W µ m mówimy o cząstkach, dalej o cząsteczkach. Podstawa procesów membranowych to
membrana.
Kryteria podziału:
- wielkość separowanych cząstek
techniki i róŜnice
zw. separowany
wielkość cząstek
mikrofiltracja
1 -0,1µm (cząstki)
pyły węglowe
dymy papierosowe
pigmenty malarskie
bakterie
1-100µm
0,01-1µm
0,01-6µm
1-3µ m
ultrafiltracja
100-1nm
masa cząsteczkowa separowanych
zw.
1000000-10000
koloidy
proteiny
wirusy
endotoksyny (pyrogeny) albuminy
5-4000nm
20-90nm
4-60 nm
2-80 nm
∼
7nm
techniki dyfuzyjne
reakcje prądowe i termiczne
1 -
∼
2Å
masa cząst.
1000
÷
2
10Å
∼>
1nm
sacharoza
laktoza
glukoza
H
2
O
CH
4
O
2
N
2
H
2
8-20 Å
2,7Å
4,4Å
3,46Å
3,64Å
2,32Å
Klasyfikacja procesów membranowych wg rodzaju siły napędowej wywołującej transport substancji
przez membranę.
Siłą napędową moŜe być:
∗
róŜnica ciśnienia (membrany porowate)
- mikrofiltracja
- ultrafiltracja
- nanofiltracja
- odwrócona osmoza
- piezodializa
∗
róŜnica stęŜeń (aktywności)
- perwaporacja
- separacja gazów
- dializa
- membrany ciekłe
- membrany katalityczne
∗
róŜnica temperatur
- termoosmoza
- destylacja gazów
∗
róŜnica potencjału elektrycznego
- elektroliza
- membrany bi i tri polarne
- elektroosmoza
Składniki o róŜnej temp. róŜnią się potencjałem chemicznym:
µ
i
= µ
0
+ RTlna
Moduł membranowy – techniczny układ membran pozwalający na zwiększenie wydajności procesu.
Moduły:
∗
membranowe o przekroju kołowym
Membrana jest uformowana w przekroju w kształcie miski, w zaleŜności od ø dzielimy je na moduły:
- rurowe
- kapilarne
- typu hollow-fibers.
Schemat modułu rurowego:
- zasilanie
- permeat
- membrana
- tkanina drenaŜowa
- rura nośna perforowana
- rura zbiorcza permeatu
- koncentrat
System cross-flow.
Moduł rurowy ma swoje nieprzekraczalne parametry:
- ciśnienie
- gęstość upakowania (stosunek powierzchni membrany do objętości modułu)
Moduły kapilarne:
- ø = 0,5-6mm
- zasilanie wewnątrz rurek samonośne
Zalety:
- większa ρ upakowania
- tańsze wytwarzanie
Wady:
- na ogół laminarny przepływ (gorsza wymiana masy)
- mała odporność na ciśnienie
Jest to membrana asymetryczna – wewnątrz jest warstwa aktywna.
Hollow-fibers (85-100µm)
Na zewnątrz warstwa porowata, wewnątrz cienka powłoka 0,1-1µ m.
Moduł z włóknami
pustymi
Moduł kapilarny
Moduł rurowy
Warstwa aktywna
ø wewnętrzna
ø zewnętrzna
40-500µm
80-800µm
500-6000µm
800-7000µm
6-24mm
7-25mm
Gęstość upakowania
<
1000 m
2
/m
3
<
1000 m
2
/m
3
<
80 m
2
/m
3
Dopuszczalne ciśnienie
robocze
10MPa na zewnątrz
1,5MPa wewnątrz
1MPa wewnątrz
8MPa wewnątrz
Dziedziny zastosowania
RO, GP
UF, GP, PV, MF
RO, UF, MF
Membrany nieorganiczne są bardziej trwałe i mają większą odporność termiczną i chemiczną.
Membrany porowate mają fizyczne otworki. Nie moŜe ona mieć przypadkowej porowatości. Rozkład porów
powinien być powtarzalny.
Membrany nieporowate (lite) – rozdział odbywa się nie na zasadzie efektu sitowego, tylko na drodze
rozpuszczania i dyfuzji.
Membrany jonowymienne – przez anionowymienną przechodzą kationy.
Asymetryczne i symetryczne – membrany kompozytowe. ZróŜnicowana struktura wewnętrzna.
Symetryczna – jej wł. nie ulegają zmianie w kierunku
⊥
.
Asymetryczna – w kierunku
⊥
do powierzchni występują zmiany strumienia bądź materiałowe: integralnie
asymetryczna (I) i asymetryczna złoŜona (II).
RóŜnice we warstwach górnych I i II.
Asymetryczna – lepsze parametry transportu masy.
(II) – polimer tworzący warstwę aktywną jest drogi, dlatego dolną warstwę moŜna zrobić z innego materiału.
Dolna warstwa – warstwa nośna porowata.
Te 2 warstwy moŜna zgrzać, zastosować klej, procesy te mają wady.
(I) składa się z 1 rodzaju - warstwa górna i dolna.
Budowa membrany kompozytowej:
- warstwa ochronna
- ultra cienka warstwa rozdzielająca
- warstwa nośna
- podłoŜe polisulfonowe
- włóknina poliestrowa
Technika membranowa musi być:
- wydajna
- selektywna
- uzasadniona ekonomicznie
Moduły płaskie:
- płytowo-rurowy
- spiralny
- poduszkowe
Pracujemy w systemie cross-flow 3 króćce.
- odstępnik
- membrana
- płyta nośna
- membrana
- odstępnik
Zaleta: ramę moŜemy wyjąć w przypadku zapchania.
Kryteria doboru modułów:
- warunek ekonomiczny, niskie koszty produkcji
- dobry, równomierny dopływ fazy zasilającej na pow. membr.
- stabilność termiczna, chemiczna, mechaniczna
- duŜa ρ upakowania – stosunek powierzchni czynnej membrany do obj. modułu
- optymalna geometria i sposób prowadzenia strumienia
- moŜliwość dogodnego czyszczenia
- tanie i wygodne metody wymiany membran
- małe straty ciśnienia
Na potrzeby technologii wybieramy optymalny wariant pracy.
Moduł – techniczny układ membran mający na celu zwiększenie wydajności procesu.
Moduły układamy w pewnej sekwencji w tzw. stopnie membranowe. Mogą mieć one róŜne konfiguracje:
- stopień szeregowy (szeregowy układ modułów). Faza zasilająca jest kierowana na I stopień.
3 króćce. Na poszczególnych stopniach następuje separacja. Tych modułów moŜe być kilka. Na kolejnych
etapach następuje zatęŜenie (↑ρ i µ).
Pompy na kolejnych stopniach pracują z większym wydatkiem. KaŜdy z tych stopni pracuje z inną membraną.
Moduły są wyposaŜone w membrany z coraz mniejszymi porami (np. ultrafiltracja).
- układ ׀׀ – membrany są takie same, spełniają taką samą rolę.
- o strukturze choinkowej – faza zasilająca na danym stopniu choinki → połączenie 2 powyŜszych układów
- układ modułów z obiegami recyrkulacyjnymi – rozwiązanie pośrednie (częściowe zasilanie wstępnym
strumieniem zasilającym na kaŜdym stopniu)
- kaskada – stopień modułów 1 po 2-gim
Budowa stopnia membranowego ma wpływ na wydajność i selektywność procesu membranowego.
Mechanizm transportu masy.
Ze wzgl. na membrany nieporowate i porowate – modelowanie (zakładanie warunków procesu).
Transport przez membrany nieporowate.
W membranach gęstych pory jawne nie występują a przepuszczalność penetratna przez membranę zaleŜy od
jego rozpuszczalności w materiale membrany oraz szybkości dyfuzji przez membranę. Przyjmuje się ponadto, Ŝe
desorpcja penetratna po stronie odbierającej jest procesem na tyle szybkim, iŜ nie wpływa na ogólną separację
i transport.
Etap sorpcji i dyfuzji są podobnego rzędu w czasie.
Desorpcja – jest najszybszym etapem.
Suma czasów sorpcji i dyfuzji decyduje o szybkości transportu masy.
Proces transportu masy przez membranę nieporowatą – to proces dyfuzyjno-rozpuszczalnościowy.
Model kanalikowy.
Równania końcowe tych 2 modeli maja taką samą postać.
RóŜnica tkwi w początkowych załoŜeniach teoretycznych.
Kanaliki są wielkości molekularnej.
W modelu d-r – ciśnienie po obu stronach membrany jest takie samo. Zmianie ulega współczynnik aktywności
stęŜeniowej.
W modelu kanalikowym:
Zakładamy, Ŝe ciśnienie ulega zmianie wewnątrz modułu współczynnik aktywności stęŜeniowej pozostaje taki
sam.
1 załoŜenie wspólne:
Potencjał chemiczny jest większy po 1 stronie membrany (ten potencjał jest inaczej generowany).
Membrana traktowana jest jako kontinuum. Na granicach faz powierzchnia membrany/nadawa lub permeat
panuje równanie chemiczne w odniesieniu do poj. skł.
Pomija się oddziaływania pomiędzy strumieniami permeujacymi skł.
strumień = stęŜenie
⋅
ruchliwość
⋅
siła napędowa
·
·
separowany gradient potencjału z matematycznego punktu
komponent widzenia jest (-)/zmiana potencjału chemicznego.
MoŜe wynikać ze zmiany temp., ciśnienia cząst.,
zmiany potencjałów elektrochem.
D = b
⋅
RT
D – współczynnik dyfuzji
·
·
2 składniki mogą charakteryzować się podobną siłą napędową. Gdy otrzymamy róŜne n, to o wyniku decydują
ck, bk. Parametry te decydują o selektywności procesu (ich iloczyn).
Transport przez membrany porowate (ø pory, grubość membrany H, d k
ap
– parametry te występują w warstwie
naskórka). Dzięki nim moŜemy obliczyć prędkość liniową:
=
ε
⋅
Strumień przed i za membraną róŜni się gęstością i lepkością.
a)
Dyfuzyjny transport Knudsena
λ
/d
p
≥
1
ø separowanej cząstki jest mała w stosunku do ø kanałów (swobodnej drogi cząstki – droga, którą
odbywa w kanale cząstka gazu między kolejnymi zderzeniami ze ścianą kanału
λ
).
=
⋅
∆
N
k
– wielkość strumienia
s – grubość membrany (H)
Współczynnik przepuszczalności membrany w dyfuzji Knudsena:
=
⋅
⋅
ε
⋅
!
"
#$%
!
"
#$%
- czynnik zaleŜny od geometrii membrany
T
n
– temperatura membrany
b)
Konwekcyjny transport masy (
λ
/d
p
≤
1)
=
ε
&
'
(
⋅
η
⋅
)
&
⋅
*+,
ε
-
&
⋅
∆
η
- lepkość r-ru
A
k
2
– powierzchnia poj. kapilary
Kk
c
– stała Kozery-Carmana zaleŜna od kształtu i krętości porów
Ruch jest spowodowany odbiciami cząstek 1 od 2-ej.
Polaryzacja stęŜeniowa.
Polega na zmianie stęŜenia składników w nadawie prostopadłym do membrany.
Podlega zmniejszeniu wydajności procesu i selektywności transportu masy.
Towarzyszy wszystkim technikom membranowym w róŜnym stopniu. Jest to zjawisko odwracalne.
rys. – Rautenbach
.
/
0
%
1
2 .
/
0
Na początku składnik mieszaniny jest na zasadzie konwekcji. Strumień =
.
/
· 0
3
. Od stęŜenia objętości jest
wzrost stęŜenia do stęŜenia granicznego przy membranie. Gradient spowoduje dyfuzyjny strumień wsteczny.
Strumień zgodnie z I równaniem dyfuzji Ficka: D
45
46
.
Polaryzacja – rozdział stęŜeń.
Moduł – stosunek stęŜenia przymembranowego do stęŜenia w fazie zasilającej.
.
/
0
%
+ D
45
46
=
.
/
0
.
/
70
%
0
8
2
.
9 2
6
:
9
0
%,
;
<
;
Wartości brzegowe:
x = 0
c = C
m
x =
δ
c = C
n
.
/
=
=
δ
· >
;
, ;
;
?
;
Współczynnik wnikania masy:
k =
=
δ
Ilościowy opis polaryzacji (moduł polar.)
;
;
?
= exp (
@
A
)
I
v
– strumień separowanej masy
Im większa dyfuzyjność tym mniejszy współczynnik polaryzacji.
Proces efektywny – strumień otrzymywania permeatu powinien być duŜy.
Polaryzacja obniŜa strumień transp. masy.
Tak jak warstwa polaryzacyjna narasta, następuje ustalenie się stanu równowagi.
W sposób sztuczny moŜemy zaburzać równowagę, zwiększając szybkość przepływu.
Polaryzację stęŜeniową moŜna tylko ograniczyć, nie moŜna jej wyeliminować.
ZaleŜność strumienia permeatu i grubości warstwy blokującej pory membrany w przepływie jednokierunkowym
i krzyŜowym. (rys)
Zablokowanie powierzchni tworzącym się „plackiem”
I =
BCł %ę4FGH
BIJFśćH·B5łFGCMN Fó JP%NH
↑
lepkość ↓I
Całkowity opór membranowy – opór danej membrany, polaryzacja stęŜeniowa (zatęŜonej warstwy przy
powierzchni membrany).
Składmik zaadsorbuje się na powierzchni, gdy jest o budowie hydrofilowo-hydrofobowej (amfilowe).
Surfaktanty naleŜą do takich związków. Surfaktant tworzy micele, które mają uporządkowaną strukturę.
Izoterma adsorpcji Gibbsa:
Γ
= -
;
#$
4
γ
45
γ
- napięcie powierzchniowe
Γ
- stęŜenie powierzchniowe zaadsorbowanego składnika
By zmniejszyć adsorpcję, trzeba zwiększyć temperaturę. Zmniejsza się lepkość i gęstość.
R
cał
= R
membr
+ R
cp
+ R
c
+ R
ad
+ R
Ŝ
el
R
cp
– warstwy polaryz. stęŜ.
R
c
– placka filtracyjnego nieprzepuszcz. przez warstwy membrany
R
Ŝ
el
– nie musi się pojawić
Metody oczyszczania warstwy przymembranowej:
- przemywanie wsteczne (odwrócenie kierunku przepływu) back flash
- przemywanie strumieniem wody (hydrostrumieniem)
- stosowanie środków myjących (rozpuszczających osad)
By przeciwstawiać się tworzeniu placka stosujemy odpowiednie warunki hydrodynamiczne:
- przepływ burzliwy (membrana zaopatrzona w ośrodki burzliwości; zawirowywanie)
- przepływ pulsacyjny
- uszeregowanie naprzemienne membran
- zastosowanie modułu (membrana jest w ruchu wirowym)
W procesach membranowych nie ma przemian fazowych.
1.
Destylacja membranowa, w której mamy do czynienia z przemianą fazową. Rozdzielenie ciekłego r-ru
następuje na hydrofobowej, niezwilŜanej membranie stanowiącej fizyczną przegrodę pomiędzy fazą
zasilającą a destylatem. Porowatość membrany ok. 0,6-0,7. Fazą zasilającą i odbieranym destylatem jest
faza ciekła. Siłą napędową procesu jest róŜnica pręŜności par poszczególnych składników wywołana
róŜnicą temperatur. Temperatura po stronie fazy zasilającej jest większa niŜ po stronie destylatu. W
membranie mikroporowatej, niezwilŜanej następuje rozdzielenie. Roztwór zasilający płynie po
powierzchni membrany. Na granicy faz membr. – faza zasilająca dochodzi do odparowania składnika o
najwyŜszej pręŜności par. pręŜność NaCl jest równa 0. Sól zostanie zatrzymana na membranie. Przez
pory przechodzi para wodna. Destylatem jest czysta woda.
T
nadawy
>
T
destylatu
odparowanie – endo
kondensacja – egzo
Dla nas dostępny jest gradient temp. przymembranowy.
Moduł polaryzacji temp. charakteryzuje jaka część dostępnej róŜnicy temp. jest efektywnie
wykorzystana jako siła nośna (napędowa procesu).
τ
=
$
Q
, $
R
$
Q
, $
R
JeŜeli
τ
= 1, to
3
=
+
S
Chcąc ograniczyć negatywny wpływ polaryzacji temp. naleŜy zwiększyć szybkość przepływu fazy
zasilającej i destylatu.
Nie tylko stosujemy przepływ burzliwy, ale takŜe pulsacyjny.
Gdyby membrana była zwilŜalna przepłynęłaby przez nią cała solanka. Separacja w destylacji
membranowej zaleŜy od równowagi ciecz-para. Technika destylacji membranowej nie oddzielać
azeotropów. Efektywność naszego procesu zmniejsza transport ciepła. Temperatury przymembranowe
moŜna tylko oszacować.
Q =
T
3
(
3
+
) =
T
=
(
S
-
=
)
Q – ciepło
T
3
- współczynnik wchłaniania masy k
c
α
- współczynnik przewodzenia
∆
T =
+
S
= (
3
=
)(1 + k
c
/
T
3
+ k
c
/
T
=
)
T
1
= T
N
– (
3
=
)
⋅
+ U
V
W
+
(
W X + U
V
W X + U
R
W
T
2
= T
D
– (
3
=
)
⋅
+ U
R
W
+
(
W X + U
V
W X + U
R
W
α
, k
c
– trudne do oznaczenia
Czynniki wpływające na wielkość strumienia separowanej masy:
- temperatura (strumień ↑ wraz ze ↑temp.)
- strumień permeatu maleje, gdy wzrasta stęŜenie separowanego kwasu (od stęŜenia zaleŜy pręŜność
pary). Wraz ze ↑stęŜenia ↓pręŜność pary/nie wpływa na stopień zatrzymania soli stopień retencji.
- pręŜność przepływu nadawy, gdy ↑, strumień permeatu równieŜ ↑.
- porowatość membrany
Zastosowanie destylacji membranowej:
- zatęŜanie r-rów soli i kwasów (efektywne do pewnej granicy, która wynika z pręŜności pary w danej
mieszaninie)
- odsalanie wody (woda ultra czysta); 3-5 µs
- otrzymywanie koncentratu pierw. ziem rzadkich z fosfogipsu (regeneracja H2SO4 stosowanego do
ekstrakcji lantanowców z fosfogipsu)
- zatęŜanie HNO
3
2.
Perwaporacja – alternatywna metoda separacji, metoda wymienna. Droga techniczna. Zachodzi
przemiana gazowa 1 rodzaju połączona z transportem masy przez nieporowatą membranę. Faza
rozdzielana jest bezpośrednio. Kontrolowany z 1 pow. membrany i składnika permeatu ulegają
odparowaniu w membranie i po 2 stronie membrany zazwyczaj odprowadzane są do próŜni lub oboj.
gazu nośnego. PV jest techniką, w której siłą napędową jest róŜnica potencjałów chemicznych
składników po obu stronach membrany. Selektywność rozdziału PV wynika z róŜnic w
rozpuszczalności składnika w membranie oraz z róŜnicy szybkości dyfuzji poszczególnych składników
w materiale membrany.
Rozdział w PV nie zaleŜy od równowagi ciecz-para. Nie ma kontaktu cieczy z parą.
MoŜe być stosowana do separacji azeotropowych mieszanin i cieczy niskowrzącej.
Rautenbach – warianty perwaporacji.
Membrana nieporowata.
Mechanizm: rozpuszczalnościowo-dyfuzyjny; o selektywności decyduje szybkość dyfuzji.
Membrany trekowe powstają przez bombardowanie folii polimerowej przez cięŜkie jony. Powstaje
bardzo powtarzalna struktura.
Zastosowanie:
- oczyszczanie wód odpadowych z pierwiastków radioaktywnych
- igły nasadkowe są w nie wyposaŜone
Układ membranowy to:
- faza zasilająca
- membrana
- faza odbierająca
KaŜdy system membranowy moŜe pracować w wariantach:
1)
cross-flow
2)
dead end flow (powstają dodatkowe opory transportu)
Sposób prowadzenia separacji membranowej nie pozostaje bez znaczenia na opory transportu
masy.
Miarą wydajności procesu membranowego jest wielkość strumienia separowanej masy (
m, V) [kg/m
2
h]
Masa separowana na jednostkę powierzchni membranyna jednostkę czasu.
\ = [
]
& ·^
]
Selektywność: zawartość separowanego składnika w fazie odbieranej do zawartości tego składnika w fazie
zasilającej.
Strumienie mogą być określone za pomocą ułamków molowych lub wagowych.
_
C`
x
=
N
a
N
b
W
6
a
6
b
W
Stopień zatrzymania – ułamek wagowy składnika w fazie zasilającej pomniejszona o składnik w fazie
odbieranej, do fazy zasilającej.
Analogia do stopnia przemiany.
Retencja decyduje o przydatności danej membrany do realizowania operacji.
C
=
c
ad
, c
ae
c
ad
= 1 -
c
ae
c
ad
Wysokie koszty instalacji.
O efektywności procesu decyduje jakość membrany, szybkość permeującego składnika.
Zastosowanie:
- odwadnianie mieszanin azeotropowych
Azeotrop – taka sama pręŜność par.
- odwadnianie rozpuszczalników org. (mówimy o niskoprocentowej zawartości związków)
- usuwanie zw. org. z wody
Perwaporacja wolna jest od polaryzacji stęŜeniowej. Jedyne źródło oporu to membrana.
- stosowana w układach hybrydowych (PV bierze udział w szeroko rozumianej syntezie chemicznej)
MoŜemy zwiększyć wydajność i efektywność procesów stosując moduł perwaporacyjny (przesuwamy kierunek
reakcji).
Metoda hybrydowa – połączenie 2 metod (PV i destylacki)
- estryfikacja
R’COOH + H-OR ↔ R’COOR +H
2
O
- acetylizacja
R’CHO + 2HO-R ↔ R’CH(OR)
2
+ H
2
O
- katalizacja
R’R’’CO + 2HO-R ↔ R’R’’C(OR)
2
+ H
2
O
membrana hydrofilowa
- dealkoholizacja piwa
Emisja typowych zanieczyszczeń do powietrza.
Separacja gazów jest techniką stęŜeniową. Siłą napędową procesu jest róŜnica stęŜeń po obu stronach
membrany. Ciśnienie fazy zasilającej jest wyŜsze. Gaz jest permeowany po stronie niŜszego ciśnienia (to nie jest
siła). Stosujemy membrany mikroporowate, częściej nieporowate. Procesy separacji gazów dotyczą równieŜ
separacji par zw. org. (gazy nierzeczywiste). Procesy przebiegają w wysokiej temperaturze i wysokich
wartościach ciśnieniowych. Gaz rzeczywisty występuje w postaci gazowej w warunkach normalnych.
Przemysłowe zastosowanie techniki separacji membranowej gazów:
- wydzielanie wodoru z mieszanin po katalitycznym reformingu
- uzyskiwanie stechiometrycznych mieszanin gazów do syntez zw. węgla -C-C-
- odzyskiwanie wodoru z gazów po syntezie amoniaku
- odzyskiwanie gazów po syntezie HCl
- usuwanie CO
2
z gazów naturalnych i z biogazu
- wzbogacanie powietrza w tlen
- uzyskiwanie czystego azotu
- odzyskiwanie helu z mieszanin gazowych
- osuszanie powietrza
- usuwanie zw. lotnych z powietrza: stacje paliw, przemysł chemiczny
- odsiarczanie gazów palnych
- usuwanie gazów powodujących korozję
Literatura:
Rautenbach: Procesy membranowe
Gawroński: Procesy oczyszczania cieczy
Bodzek: Techniki membranowe w OŚ\
Seucki: Podstawy projektowania wybranych procesów rozdzielania mieszanin
2 fazy rozdzielone 3 fazą – membraną. Jest ona w stanie stałym, ciekłym lub gazowym; rozdziela 2 inne fazy,
działa, jako pasywna lub aktywna w selektywnym transporcie masy. Jedna z faz jest fazą zasilającą (nadawa).
Permeacja – proces przejścia substancji przez membranę. Substancja po przejściu przez membranę to permeat.
Strumień zasilający rozdzielany jest na 2:
- permeat
- retentat (koncentrat); jest to część, która nie ulega permeacji.
Techniki obejmują szeroki zakres filtrowanych cząstek od nm do
µ
m 10
-6
– moŜna separować cząstki o takich
wielkościach. WiąŜe się to z masą cząsteczkową.
Schemat moŜna podzielić na 2:
- technologia wyjściowa
- technologia czyszcząca.
Membrany polimeryczne – syntezowanie przez człowieka.
Tab.
Emulsje, zawiesiny, roztwory rzeczywiste moŜna rozdzielać membranami. Techniki dyfuzyjne wykorzystywana
jest efektywność, ładunek, wielkość potencjału chemicznego. Techniki separacji sitowej:
- ultra
- mikro.
Inne kryteria selektywnego transportu przez membranę:
- róŜnica ciśnień – siła sprawcza; róŜne i między warstwami
- róŜnica stęŜeń
- róŜnica temperatur
- róŜnica potencjału elektrycznego.
Schemat ogólny procesu membranowego
Strumień = ilość kg w jednostce czasu/jednostka powierzchni [kg/m
2
h]
Skład strumienia wyraŜony w ułamkach molowych, wagowych
Wydajność m
całk
– strumień separowanej masy
Selektywność – miara
Stosunek parametru wyjściowego do wejściowego wyraŜony w ułamkach molowych.
Stopień retencji (zatrzymania) R
Chartakt.: str. zasilający – permeat/strumień zasilający
Membrany muszą być dostosowane do danego procesu.
Membrany asymetryczne: właściwości zmieniają się w
⊥
kierunku do jej powierzchni.
MoŜe być:
- integralna asymetryczna – z 1 typu materiału ale struktura polimeru jest zróŜnicowana
- asymetryczna złoŜona: warstwa aktywna i nośna porowata złoŜone są z róŜnych polimerów.
Membrany jonowe, w sieci polimeru zostają wtłoczone jony (im mobilizowane). Nadają membranie charakter
jonowy (oddziałuje ona na zasadzie oddziaływań elektrostatycznych).
2 grupy:
- moduły o przekroju kołowym
a) rurowe – charakter kołowy, membrana w postaci rury jest mechanicznie wzmocniona, do środka
wprowadzamy fazę zasilającą, ciśnienie do 8 atmosfer
b) kapilarne – membrana w kształcie rurki, ale o mniejszych wymiarach, ciśnienie do 1,5 atmosfery. Rurka ma
kapilary (w. nośna) w swej budowie. R-r kierujemy do wnętrza, permeat zbierany jest z krućca rurki.
c) włókno wydrąŜone – maleńkie wymiary włókien 42
µ
m. powierzchnia wymiany rośnie.
Dwie opcje pracy:
A warstwa aktywna na zewnątrz, w. nośna w środku. Zasilanie z zewnątrz.
B warstwa separacyjna w środku, nośna ją otacza. Zasilanie wewnątrz modułu.
C warstwa aktywna na zewnątrz, zasilanie w środku.
- moduły płaskie
Moduł – techniczny układ membran. Moduł rurowy moŜemy … od połoŜenia ciśnienia. Z pustymi włóknami w
zaleŜności od połoŜenia warstwy aktywnej.
RO – odwrócona osmoza
PV – perwaporacja.
Płaskie
a)
moduły: płytowy, płytowo-ciśnieniowy; membrany ułoŜone 1 na 2. Powierzchnia wymiany rośnie,
pracujemy w systemie cross-flow
b)
spiralny: zwinięty w spiralę, objętość modułu się kurczy. DuŜa powierzchnia w jednostce objętości.
Między membranami przekładki dystansujące.
3 krućce:
- doprowadzający (zasilanie)
- koncentrat (odbiór)
- permeat (odbiór)
c)
poduszkowy; membrana ukształtowana jest w kształcie poduszek, są one na krawędzi szczepiania.
Moduł ten pozwala na bardzo wysokie ciśnienie pracy 20 Atm.
WzdłuŜ pracy modułów następuje zatęŜanie. Najkorzystniejszy moduł spiralny płytowy – w zaleŜności od ilości
płyt, ciśnienie najwyŜsze przy poduszkowym.
Stopnie membranowe – kilka razem pracujących modułów. Kaskady są tworzone przez stopnie membranowe.
Połączenia mogą być realizowane na kilka sposobów:
- ukł. szeregowy – r-r zasilający kierowany jest na I moduł membranowy, rozdział permeatu i koncentratu; dalej
koncentrat jest rozdzielany na permeat i koncentrat.
- ukł. równoległy – pompowanie na 3 jednostki modułowe, rozkład na permeat i koncentrat, są zbierane.
W ukł. równoległym moduły mogą być identyczne.
W szeregowym: poszczególne moduły będą się charakteryzowały gęstszymi membranami lub warunki są
bardziej drastyczne.
- układ modułów o strukturze choinkowej: połączenie A i B
- układ modułów z obiegami recyrkulacji w ramach jednego bloku. Część koncentratu jest zawracana aby
zwiększyć wydajność pracy.
Membrany trekowe – powstają w wyniku bombardowania folii polimerowej strumieniem cięŜkich jonów. Folia
polietylenotertftalowa 8-15
µ
m. taka folia jest naświetlana wiązką cięŜkich jonów. W folii powstają treki po
przejściu elektronu. MoŜna osiągnąć folię o bardzo regularnym rozkładzie – regularne kanaliki.
Stosowane są w przerobie odcieków przemysłu jądrowego; 10
2
-10
5
porów/cm
2
.
Membrany PIM – polimeryczne membrany inkluzyjne.
Maja w swojej strukturze im mobilizowane cząsteczki do transportu niektórych składników.
PIM tworzone są na bazie trój octanu celulozy w chlorometanie. Wylewamy to na powierzchnię i czekamy, aŜ
dichlorometan odparuje.
Mechanizm transportu masy w membranie.
Morfologia membrany jest odpowiedzialna za transport. Modelowanie transportu masy musi być
podporządkowane:
- prawo zachowania masy, substancji, energii i pędu.
Transport masy w membranach nieporowatych – na zasadzie sorpcji i dyfuzji, model rozpuszczalnościowo-
dyfuzyjny, dalej desorpcja z powierzchni membrany: szybkość desorpcji jest bardzo duŜa w stosunku do sorpcji
i dyfuzji.
Zmiana potencjału wywołanie:
- ciśnienie
- temperatura
- stęŜenie.
Pore-flow model – przez kapilary w przypadku modelu rozp.-dyf. stałe ciśnienie w membranie
- struktura zasilająca, potencjał chemiczny zmienia się ze stęŜeniem
- kapilarny – stęŜenie jest stałe w materiale membran. Zmiana potencjału wywołana jest gradientem ciśnienia.
Membrana porowata traktowana jest jako kontinuum.
D = bRT