TECHNIKI MEMBRANOWE WYKŁAD Prochaska cz.2.pdf

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

techniki dyfuzyjne

reakcje prądowe i termiczne

1 -

2Å

masa cząst.

1000

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

10Å

1nm

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

7nm

Składniki o róŜnej temp. róŜnią się potencjałem chemicznym:

µ i = µ 0 + RTlna

Moduł membranowy – techniczny układ membran pozwalający na zwiększenie wydajności procesu.

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

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.

Moduły:

Asymetryczne i symetryczne – membrany kompozytowe. ZróŜnicowana struktura wewnętrzna.

Symetryczna – jej wł. nie ulegają zmianie 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

Asymetryczna – w kierunku

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 zało Ŝ enie 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

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:

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: