Klasyfikacja procesów membranowych Magdalena Bielecka Agnieszka Janus 1
Co to jest membrana Jest granica pozwalająca na kontrolowany transport jednego lub wielu składników z mieszanin ciał stałych, ciekłych lub gazowych. 2 Rysunek 1: Schemat rozdzielania składników za pomocą membrany. Źródło: htp:::chem.arch.ug.edu.pl:zis:c_7.pdf
Rysunek 2: Typy membran. Źródło: htp:::www.ztch.umcs.lublin.pl:materialy:rozdzial_19.pdf 3
Podział procesów membranowych Różnica ciśnień Mikrofltracja Ultrafltracja Nanofltracja Odwrócona osmoza Różnica stężeń (aktywności) Perwaporacja Separacja gazów Dializa Membrany ciekłe Różnica temperatur Różnica potencjału elektrycznego Termoosmoza Elektrodializa Destylacja Membrany membranowa bipolarne Elektroosmoza Tabela 1: Klasyfkacja procesów membranowych według rodzaju siły napędowej wywołującej transport substancji przez membranę. 4
5 Rysunek 3: Ogólny schemat podziału membran. Źródło: htp:::www.ztch.umcs.lublin.pl:materialy:rozdzial_19.pdf
6 Rysunek 4: Zakres fltracji ciśnieniowych procesów membranowych. Źródło: htp:::www.wigo.pl:artykuly:cisnieniowe-procesy-membranowemikrofltracja-ultrafltracja-nanofltracja-odwrocona-osmoza
Podstawowe parametry procesów membranowych 7
Podział ciśnieniowych technik membranowych mikrofltracja ultrafltracja odwrócona osmoza nanofltracja 8
Mikrofltracja (MF) Proces, w którym cząstki o średnicach 10-50 μm są oddzielane od rozpuszczalnika i małocząsteczkowych składników roztworu. Mikrofltrację stosuje się w przemyśle oraz w laboratorium do usuwania, zatężania i oczyszczania cząsteczek lub cząstek o średnicy większej od 0,1 μm. 9
Zastosowanie klarowanie sterylizacja separacja emulsji olejowych separacja koloidalnych tlenków i wodorotlenków metali oczyszczanie wody pitnej 10
Ultrafltracja (UF) Stosunkowo niskociśnieniowy proces wykorzystujący porowate membrany symetryczne lub asymetryczne o średnicach porów od 1 do 10 μm, pozwalające na przepływ przez membranę np. cukrów, soli, wody, oddzielając białka i większe cząstki. 11
Zastosowanie przemysł mleczarski przemysł spożywczy metalurgia przemysł tekstylny przemysł farmaceutyczny ochrona środowiska 12
Nanofltracja (NF) W nanofltracji stosuje się membrany pozwalające na przepływ niektórych jonów, szczególnie jednowartościowych np. sodu czy potasu. Wykazuje cechy zarówno procesów ultrafltracji (efekt sitowy) jak i procesu dyfuzyjnego odwrócona osmoza. 13
Zastosowanie sterylizacja i zmiękczanie wód procesowych i pitnych jako jeden z etapów uzdatniania wód przeznaczonych do 14 pełnego odsolenia w procesach jonowymiennych lub odwróconej osmozie do obniżania stężenia soli w wodach usuwanie zanieczyszczeń ze ścieków z przemysłu tekstylnego i celulozowego odzyskiwanie laktozy i protein z serwatki z jednoczesnym, częściowym odsalaniem odzyskiwanie środków powierzchniowo-czynnych uzdatnianie wód powierzchniowych i podziemnych
Odwrócona osmoza (RO) Odwróconą osmozę stosuje się do separacji związków małocząsteczkowych (sole nieorganiczne, małocząsteczkowe związki organiczne) od rozpuszczalnika. Konieczne jest stosowanie wyższych ciśnień transmembranowych niż w przypadku ultra i mikrofltracji, ponieważ związki małocząsteczkowe charakteryzują się wyższymi ciśnieniami osmotycznymi. U podstaw procesu odwróconej osmozy leży zjawisko osmozy naturalnej. W układzie, gdzie membrana rozdziela roztwór od rozpuszczalnika lub dwa roztwory o różnych stężeniu, następuje samorzutne przenikanie rozpuszczalnika przez membranę w kierunku roztworu o większym stężeniu. Ciśnienie zewnętrzne równoważące przepływ osmotyczny zwane jest ciśnieniem osmotycznym i jest charakterystyczny dla danego roztworu. 15
Istotę osmozy odwróconej przedstawiono na rysunku: Rysunek 5: Układy osmotyczne i odwrócona osmoza. 16
17
Odwrócona osmoza - zastosowanie Praktyczne wykorzystanie procesów odwróconej osmozy sprowadza się do realizacji dwóch zasadniczych zadań: -odzyskania rozpuszczalnika (wody) w stanie czystym praktycznie nie zawierającym substancji rozpuszczonych, rozproszonych, koloidalnych, pozostających w zatężonym roztworze (koncentracie), -selektywnego rozdzielania substancji rozpuszczonych i rozproszonych między fltrat i koncentrat. Z zakresu potencjalnych możliwości zastosowań odwróconej osmozy, będących szczegółowym rozwinięciem wyżej wymienionych kierunków, najbardziej istotne wydają się następujące dziedziny: -odsalanie wody morskiej i wód słonawych, -zatężanie wód kopalnianych, -zatężanie wody płuczącej w fotografce celem odzyskania srebra, -odzyskiwanie sody z wód drenażowych kopalni węgla kamiennego, -oczyszczanie ścieków z farbiarni tekstyliów, -zatężanie popłuczyn masy celulozowej, -zatężanie wód ze składowisk śmieci, -zmiękczanie wody, -zatężanie ścieków zawierających rozpuszczalniki. 18
Korzyści wynikające z stosowania technik membranowych Niskie zużycie energii, wynikające z uniknięcia przejść 19 międzyfazowych, Brak konieczności dodawania chemikaliów tzn. brak odpadowych strumieni, Łatwe powiększenie skali technologicznej (system modułowy), Prowadzenie separacji w sposób ciągły, Możliwość łatwego łączenia procesów membranowych z innymi procesami jednostkowymi (procesy hybrydowe) Możliwość poprawiania własności separacyjnych membran w trakcie eksploatacji systemu, Prowadzenie separacji w łagodnych warunkach środowiskowych, m.in. temperatura otoczenia
Wady stosowania procesów membranowych: Fouling, czyli gromadzenie osadów na powierzchni membran lub w jej porach, Polaryzacja stężeniowa. 20
Literatura Ceynowa Józef, Membrany selektywne i procesy 21 membranowe, Wydział Chemii, Uniwersytet Mikołaja Kopernika, Toruń Rautenbach Robert, Procesy membranowe, Warszawa 1996 htp:::www.ztch.umcs.lublin.pl:materialy:rozdzial_19.p df htp:::chem.arch.ug.edu.pl:zis:c_7.pdf htp:::www.wigo.pl:artykuly:cisnieniowe-procesymembranowe-mikrofltracja-ultrafltracja-nanofltracjaodwrocona-osmoza