INSTYTUT BIOTECHNOLOGII

Transkrypt

1 INSTYTUT BIOTECHNOLOGII ul. Kominka 6, 6a ; Opole tel fax biotechnologia@uni.opole.pl Dr hab. Małgorzata Rajfur, prof. ndzw. UO Instytut Biotechnologii Wydział Przyrodniczo-Techniczny Uniwersytet Opolski ul. Kard. B. Kominka Opole mrajfur@o2.pl (rajfur@uni.opole.pl) Recenzja rozprawy doktorskiej Mgr inż. Konrada ĆWIRKO pt. Modelowanie transportu masy w procesach ultrafiltracji roztworów zasolonych i zaolejonych z zastosowaniem membran ceramicznych 1. Podstawy formalne sporządzenia recenzji Recenzja została przygotowana w związku z decyzją, z dnia roku Rady Wydziału Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska Politechniki Łódzkiej. O decyzji powołującej mnie na recenzenta w przewodzie doktorskim mgr inż. Konrada ĆWIRKO zostałam poinformowana przez Dziekana Wydziału, dr hab. inż. Piotra KAZIMIERSKIEGO, prof. ndzw. PŁ., w piśmie z dnia r. Podstawą opracowania recenzji był przesłany na mój adres wydrukowany egzemplarz pracy. 2. Przedmiot recenzji Przedmiotem recenzji jest rozprawa doktorska mgr inż. Konrada Ćwirko przygotowana na Wydziale Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska Politechniki Łódzkiej, której promotorem jest dr hab. inż. Elwira TOMCZAK, prof. nadzw. PŁ. Rozprawa obejmuje 151 stron. Podzielona jest na 12 rozdziałów, z czego dwa ostatnie stanowią odpowiednio spisy: 209 pozycji literaturowych (m.in. artykułów, biuletynów i unormowań prawnych oraz stron internetowych) oraz załączników (m.in. międzynarodowych i polskich przepisów prawnych o ochronie środowiska morskiego, tabel oraz rysunków). Pracę uzupełniają streszczenia w języku polskim i angielskim. 1

2 3. Charakterystyka i ocena rozprawy doktorskiej 3.1. Ocena celowości podjęcia tematu badawczego Podjęta tematyka badawcza choć nie jest nowa, to jednak wciąż aktualna i w ostatnich latach wyraźnie zyskuje na znaczeniu. Substancje ropopochodne występujące w zaolejonych i zasolonych wodach pochodzących z eksploatacji jednostek pływających stanowią bezpośrednie zagrożenie dla środowiska morskiego, jak również dla ludzi. Obecne regulacje prawne dotyczące ochrony środowiska morskiego zapewne będą ulegały zaostrzeniom, natomiast koszty eksploatacji np. jednostek pływających będą musiały być utrzymane na optymalnym poziomie, dlatego też inwestycje w nowe technologie stają się koniecznością. Technologie oczyszczania wód zaolejonych i zasolonych są procesami wieloetapowymi i opartymi o takie procesy jak: separacja grawitacyjna i odśrodkowa, flotacja, koagulacja, flokulacja czy metody biologiczne. Coraz częściej stosuje się ciśnieniowe procesy membranowe z wykorzystaniem m.in. membran ceramicznych. Membrany ceramiczne stosowane są na coraz większą skalę ze względu na ich wysoką odporność chemiczną i termiczną. W samym procesie membranowym niezwykle ważnym aspektem jest dobór membrany (wielkość porów, powierzchnia wymiany masy, selektywność w stosunku do określonego medium) oraz określenie optymalnych parametrów procesowych, które sprawią, że proces oczyszczania wód zaolejonych jest najbardziej wydajny, efektywny i nie doprowadzi do nieodwracalnego foulingu membranowego (tzn. zatykania/zanieczyszczania membran). Zjawisko foulingu membranowego, na którym również skupił się mgr inż. Konrad Ćwirko, jest intensywnie badanym problemem od wielu lat, aby móc je opisać matematycznie i za pomocą uogólnionego modelu ocenić jego wielkość i ułatwić identyfikację. Znajomość oraz oszacowanie wielkości tego zjawiska np. w oparciu o prosty szeregowy model oporów jest kluczowe dla właściwego i bezproblemowego użytkowaniu membran ceramicznych. Podejście takie nie wyjaśnia jednak mechanizmu foulingu. W podejściu, które już w 1982 r. zaproponował Hermia, w oparciu o wcześniejsze prace wyróżnia się cztery mechanizmy filtracji membranowej, związane z depozycją cząstek w obrębie porów membrany: mechanizm całkowitego blokowania, standardowego blokowania, pośredniego blokowania i tworzenie się placka filtracyjnego. Równania opisujące cztery różne mechanizmy filtracji zredukowano do wspólnego równania różniczkowego, które z powodzeniem stosowane jest do identyfikacji mechanizmu filtracji w danym eksperymencie. 2

3 Konieczne staje się jednak dokonanie oceny stopnia i rodzaju foulingu na membranie na podstawie badań jak również teoretycznego modelowania, aby zastosować nowe rozwiązania przy projektowaniu instalacji membranowych i optymalizacji komercyjnych operacji filtracyjnych w celu zmniejszenia blokowania porów membrany w trakcie procesów ultrafiltracji. Podjęta przez doktoranta tematyka badawcza wpisuje się w powyższe rozważania. Literatura tematu podaje, że przez dopasowanie danych eksperymentalnych do zlinearyzowanego równania Hermii można zidentyfikować jeden z czterech mechanizmów foulingu. Doktorant w pracy przyjął hipotezę, że zjawisko foulingu jest bardziej złożone i może mieć charakter mieszany. Depozycja cząstek/cząsteczek na membranie może być reprezentowana przez więcej niż jeden mechanizm występując kolejno lub jednocześnie w różnych kombinacjach. Postawiona w pracy hipoteza została udowodniona w wyniku realizacji jasno sformułowanego celu badań. Przedmiotem badań rozprawy doktorskiej jest ocena możliwości zastosowania procesu ultrafiltracji z wykorzystaniem ceramicznej membrany tabularnej do separacji oleju z wodnej emulsji olejowej w obecności soli (NaCl) oraz modelowanie matematyczne zjawiska foulingu zachodzącego podczas procesu membranowego, mającego wpływ na transport masy przez membranę. Uważam, że prezentowane w pracy doktorskiej wyniki badań mają znaczenie praktyczne oraz wnoszą nowe elementy wiedzy dotyczącej modelowania matematycznego oraz opisu zjawiska foulingu membranowego, który jest problemem podczas eksploatacji instalacji wykorzystujących membrany ceramiczne do separacji m.in. wód zaolejonych i zasolonych. Biorąc pod uwagę powyższe uznaję, że podjęta przez mgr inż. Konrada Ćwirko tematyka badawcza jest aktualna i spełnia wymagania stawiane pracom doktorskim. Odpowiada ona dyscyplinie inżynieria środowiska w dziedzinie nauk technicznych Ocena i analiza merytoryczna pracy Recenzowany tekst ma formę rozprawy A4, składającej się ze 151 stron. Tekst podzielony jest na 12 rozdziałów, które można podzielić na dwie zasadnicze grupy: część teoretyczno-przeglądową zawierającą Wprowadzenie oraz rozdziały Części literaturowej (rozdziały od 1 do 5) oraz część badawczą w skład, której wchodzą Hipoteza, Cel i zakres pracy, rozdziały Części eksperymentalnej (od 6 do 10), Literatura oraz Załączniki. W 3

4 osobnym rozdziale początkowym Doktorant przedstawił wykaz stosowanych w pracy symboli i skrótów. W pracy zostało zamieszczone również streszczenie przeprowadzonych badań w języku polskim i angielskim. Układ pracy jest logiczny, a kolejność rozdziałów właściwa. Struktura pracy jest zrównoważona i dobrze dostosowana do wyznaczonych celów badawczych. Praca wykonana jest starannie, z niewielkimi uchybieniami edytorskimi np. Autor powinien zdecydować i konsekwentnie stosować np. l lub dm 3 oraz sposób zapisu skrótów pismem pochylonym lub prostym. Odnośniki do cytowanych źródeł literaturowych są stosowane w tekście prawidłowo z drobnymi wyjątkami np. brak źródła pod fotografią 4.1. Tekst pracy doktorskiej jest komunikatywny, pisany dobrą polszczyzną. Zdarzają się jednak powtórzenia informacji w jej treści np. strona 14, pierwszy akapit od góry oraz strona 22 drugi akapit od dołu. Treść pracy w pełni odpowiada tematowi określonemu w tytule. Sposób realizacji pracy dowodzi, że Autor posiadł ugruntowaną wiedzę w zakresie procesów ultrafiltracji roztworów zasolonych i zaolejonych z zastosowaniem membran ceramicznych. Graficzna ilustracja wyników badań jest bogata. Formy stosowanej grafiki są dobrze dobrane do prezentowanych zagadnień i wyników. Wyniki badań prezentowane są głównie w formie wykresów i zestawień tabelarycznych. Z tego względu uważam za usterkę brak spisów rysunków i tabel (ze wskazaniem numeru strony, na której są zlokalizowane). Brak tych spisów utrudnia wyszukiwanie informacji oraz dokonywanie porównań wyników badań z różnych serii. Niektóre z prezentowanych w pracy rysunków są mało czytelne np. rysunek 1.2, rysunek 3.1 czy rysunek 4.1. Natomiast pod innymi brakuje stosownego ich omówienia np. rysunek 3.2. Wykaz źródeł piśmiennictwa liczy aż 182 pozycje wydawnicze. Większość to artykuły i książki opublikowane w ostatnich kilku latach w renomowanych wydawnictwach zagranicznych. Wykaz ten zaświadcza o bardzo dobrym rozeznaniu Autora w literaturze przedmiotu, także w odniesieniu do literatury najnowszej (z ostatnich dziesięciu lat). Merytoryczna zawartość pracy doktorskiej dowodzi, że Doktorant nie tylko zacytował ale i przeczytał publikacje wykazane w spisie literatury. Ujęte w spisie publikacje Autora potwierdzają, że część wyników badań zrealizowanych w ramach pracy doktorskiej zostały już rozpowszechnione w literaturze naukowej. Pierwsza część składowa pracy tj. przegląd literatury rozpoczyna się od rozdziału zatytułowanego Wprowadzenie. Jest to krótki rozdział, w którym Autor wprowadza czytelnika w zagadnienia podejmowanego tematu i uzasadnia celowość podjęcia badań. 4

5 W rozdziale pierwszym Części literaturowej Doktorant dokonuje charakterystyki właściwości fizykochemicznych wód zęzowych oraz omawia źródła ich powstawania jak również wpływ substancji ropopochodnych na środowisko. Międzynarodowe i polskie uregulowania prawne dotyczących ochrony środowiska morskiego i postępowania z wodami zaolejonymi przedstawiono w rozdziale 2 Części literaturowej oraz w Załącznikach i Uważam, że umieszczenie informacji zawartych w tych Załącznikach w treści rozdziału 2 ułatwiłoby czytelnikowi zapoznanie się ze stroną prawną rozpatrywanego zagadnienia., bez konieczności sięgania do ostatnich stron rozprawy. W rozdziale trzecim i czwartym Części literaturowej Doktorant omawia metody oczyszczania wód zaolejonych i zasolonych ze szczególnym uwzględnieniem metod membranowych. W ostatnim rozdziale tej części pracy omawiane jest zjawisko foulingu membranowego (zatykania/zanieczyszczania membran), które jest częsty obiektem badań zarówno po kątem czynników powodujących i przyśpieszających ten proces, jak i sposobów przeciwdziałania i ograniczania blokowania membran. Doktorant przedstawia model oporów szeregowych, który jest często wykorzystywany w systemach membranowych do opisu zjawiska foulingu oraz szeroko opisuje identyfikację tego mechanizmu w oparciu o model Hermii opublikowany w 1982 roku w Transactions of the Institution of Chemical Engineers. Przechodząc do sformułowania hipotezy badawczej Autor powinien krótko podsumować informacje zawarte w Części literaturowej podkreślając zasadność prowadzenia badań dotyczących modelowania transportu masy w procesach ultrafiltracji roztworów zasolonych i zaolejonych z zastosowaniem membran ceramicznych. Formułując hipotezę badawczą Autor rozprawy założył, że zjawisko foulingu jest bardziej złożone i może mieć charakter mieszany. Depozycja cząstek/cząsteczek na membranie może być reprezentowana przez więcej niż jeden mechanizm występując kolejno lub jednocześnie w różnych kombinacjach, a współczynniki w modelu Hermii mogą przyjmować nie ściśle określone wartości, ale ich wartości można znaleźć w przedziale <0; 2>. Do tak zarysowanej tezy skonstruowano adekwatny program badawczy, wyznaczając cele i zadania etapowe. W pierwszym etapie realizacji merytorycznego zakresu badań Doktorant przedstawił materiały, aparaturę oraz metodykę badań. Eksperymenty prowadzone były na laboratoryjnej instalacji membranowej firmy INTERMASZ. W badaniach zastosowano modelowe roztwory, w przybliżeniu oddające specyfikę zęzowych wód zaolejonych i zasolonych. Skład roztworu został opracowany na podstawie danych rzeczywistych, literaturowych i uprzednich badań własnych Doktoranta. Wykonano eksperymenty ultrafiltracyjnej separacji oleju z zasolonej 5

6 emulsji wodnej. Wykonano 16 eksperymentów podstawowych, opracowanych według planu czynnikowego dwupoziomowego i 6 eksperymentów dodatkowych, weryfikujących funkcjonowanie tegoż planu. W oparciu o plan czynnikowy dwupoziomowy można prognozować efekty procesów membranowych dla innych wartości niezależnych zmiennych procesowych. W pracy podjęto próbę oceny wpływu parametrów procesowych takich jak: prędkość przepływu nad membraną LFV, ciśnienie transmembranowe TMP, stężenie soli C NaCl oraz stężenie oleju C olej, w emulsji olejowej. Ocenę wpływu parametrów procesowych zrealizowano wykonując eksperymenty wg planu czynnikowego dwupoziomowego. Analizując wyniki obliczeń i przedstawione wartości wszystkich współczynników Doktorant sformułował wnioski m.in.: ciśnienie transmembranowe ma największy wpływ na wydajność procesu, istotne interakcje pomiędzy parametrami procesu mają miejsce dla współudziału liniowej prędkości i ciśnienia transmembranowego (negatywny efekt) oraz stężenia soli i oleju (pozytywny efekt), w przypadku początkowego strumienia permeatu efekt interakcji pozytywny występuje również pomiędzy prędkością przepływu i stężeniem soli. Bazując na równaniach opisujących model oporów szeregowych i wykorzystując dane doświadczalne uzyskane podczas przeprowadzania pomiarów w procesach ultrafiltracji modelowych roztworów wód zaolejonych o różnym stężeniu NaCl Doktorant przystąpił do oceny wielkości foulingu stosując własną metodę prowadzenia obliczeń w oparciu o model Hermii. Część badawcza pracy została zakończona omówieniem procedury obliczania optymalnego czasu filtracji oraz określenia czasu efektywnej pracy instalacji laboratoryjnej. W mojej opinii ta część pracy byłaby bardziej czytelne gdyby po każdym z rozdziałów Autor dokonał podsumowania najważniejszych informacji oraz wskazał swoje nowatorskie rozwiązania w zakresie modelowanie transportu masy w procesach ultrafiltracji z zastosowaniem membran ceramicznych. Ostatni merytoryczny rozdział Części eksperymentalnej pracy to Podsumowanie i wnioski. Doktorant przedstawił wnioski sformułowane na podstawie przeglądu literatury oraz przeprowadzonych badań własnych. Uważam, że wnioski związane z praktycznym wykorzystaniem przeprowadzonych badań powinny być zaprezentowane na końcu tego rozdziału jako jego podsumowanie. W rozdziale tym zabrakło informacji na temat perspektyw dalszych badań związanych z modelowaniem transportu masy w procesach ultrafiltracji roztworów zasolonych i zaolejonych z zastosowaniem membran ceramicznych. Proszę o odniesienie się Doktoranta do tego zagadnienia. 6

7 Za najistotniejsze elementy naukowe i praktyczne pracy uważam wykazanie, że: 1. Rozdzielanie oleju od zasolonej emulsji wodnej jest możliwe z prawie 98 % skutecznością. Oczyszczony strumień permeatu może być wykorzystany technologicznie na statku, lub bezpiecznie zrzucony np. do morza, zgodnie z unormowaniami prawnymi. 2. Analiza wyników badań separacji oleju z układu olej/woda/nacl może posłużyć ocenie parametrów prowadzenia procesu w celu określenia warunków uzyskania dużych strumieni i stopni zatrzymania separowanego medium. 3. Wprowadzenie do badań planowania czynnikowego, pozwala ograniczyć liczbę eksperymentów i przeprowadzić je w możliwie krótkim czasie. 4. W pracy zaproponowano identyfikację mechanizmu blokowania membrany w oparciu o numeryczne rozwiązanie modelu Hermii. Nowe podejście polega nie na przyjęciu z góry ustalonych wartości współczynnika wykładniczego, ale na wyliczeniu go, przy założeniu, że może przyjąć dowolną wartość z przedziału <0; 2>. 5. Aproksymacja danych doświadczalnych w oparciu o proponowaną metodę obliczeń, daje zadowalającą dokładność przybliżenia w całym zakresie prowadzenia procesu i na podstawie obliczonej wartości współczynnika wykładniczego n pozwala na identyfikację mechanizmu foulingu, nawet w przypadku mechanizmów łączonych lub następczych. 4. Podsumowanie i wniosek końcowy Pracę doktorska Pana Mgr inż. Konrada Ćwirko oceniam bardzo pozytywnie. Tematyka jest aktualna i ma duży potencjał aplikacyjny. Praca jest starannie przygotowana pod względem redakcyjnym chociaż są drobne błędy edycyjne. Doktorant wykazał się umiejętnością samodzielnego prowadzenia badań i interpretacji wyników. Rezultaty przeprowadzonych badań w sposób znaczący poszerzają wiedzą dotyczącą zjawiska foulingu membranowego. Na uwagę zasługuje również bogaty dorobek naukowy doktoranta (14 publikacji w czasopismach zarówno z listy A jak i B MNiSW, udział w licznych konferencjach oraz grantach naukowych). Uwagi merytoryczne zawarte w recenzji mają jedynie charakter wskazówek, które pozwoliłby na podniesienie jakości ocenianej pracy i nie wpływają w zasadniczy sposób na moją pozytywną ocenę omawianej rozprawy doktorskiej. W moim przekonaniu, przedstawiona do recenzji rozprawa doktorska mgr inż. Konrada Ćwirko pt. Modelowanie transportu masy w procesach ultrafiltracji roztworów zasolonych i zaolejonych z zastosowaniem membran ceramicznych, wykonana pod opieka 7

8 naukowa promotora dr hab. inż. Elwiry Tomczak, prof. ndzw. PŁ spełnia warunki i wymagania stawiane rozprawom doktorskim określonym w art. 13 Ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz.U. z 2003 r., nr 65 poz. 595 z późniejszymi zmianami). Uwzględniając powyższe, wnioskuję o przyjęcie recenzowanej rozprawy przez Radę Wydziały Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska Politechniki Łódzkiej i dopuszczenie jej autora do publicznej obrony. Opole, roku Dr hab. Małgorzata Rajfur, prof. ndzw. UO 8