Wykład 1 Wprowadzenie do metod membranowych
Cele metod rozdzielania: 1) 2) 3) zatężania oczyszczanie frakcjonowanie
Historia 1855 A. Fick membrany kolodionowe 1866 T. Graham membrany kauczukowe 1950/1960 S. Loeb i S. Sourirajan membrany asymetryczne 1950 W.Judy i W. McRae membrany jonowymienne 1956 W. Kolff sztuczna nerka 1995 Nakłady finansowe na prod. membran 3 mld USD 2007 Globalna sprzedaż wyposażenia do technik membranowych 8 bln USD (McIlvaines s report) Wszystkie ludzkie działania i myśli przechodzą drogę od prymitywu poprzez zawiłość do prostoty. Antoine de Exupery, 1939
Podział technik membranowych I. Ze względu na rodzaj siły napędowej procesu Różnica ciśnień Różnica stężeń (aktywności) Różnica temperatury Różnica potencjału elektrycznego Mikrofiltracja MF Perwaporacja PV Termoosmoza TRO Elektrodializa ED Ultrafiltracja UF Permeacja gazów GS Destylacja membranowa MD Techniki z wykorzystaniem membran bi i tripolarnych BPED Nanofiltracja NF Dializa D Odwrócona Osmoza RO Technika z wykorzystaniem membran ciekłych LM
II. Ze względu na wielkość zatrzymywanych cząstek
Mechanizm filtracji membranowej NADAWA RETENTAT PERMEAT
Model kapilarny Efekt sitowy Selektywność membrany Prawo Poiseuille a: J v J P objętościowym strumieniem permeatu [m 3 s -1 m -2 ] v v m P m P P v grubość membrany ciśnienie transmembranowe współczynnik permeacji (liczba kapilar na jednostkę powierzchni membrany, porowatość membrany, współczynnik geometryczny)
Model dyfuzyjny Rozpuszczalność i szybkość dyfuzji J k D( c c ) / l n 2 1 J n molowy strumień związku dyfundującego[mol m -2 s -1 ] l D c 1 grubosć membrany współczynnik dyfuzji związku penetranta w membranie stężenie składnika w nadawie Selektywność c 2 stężenie składnika w permeacie
Typy membran
Transport w membranie N P N P P N Transport Transport Transport Bierny Ułatwiony Aktywny I i II generacja III generacja Pierwsze próby lab
Charakterystyka pracy membrany 1) strumień permeatu (wydajność) J V [m 3 s -1 m 2 ], J N [mol s -1 m 2 ] 2) efektywność R = (C N C p ) / C N 3) Graniczna masa molowa GMM (cut off) masa molowa modelowych związków (poliglikole etylenowe, białka globularne) zatrzymywanych przez membranę w 90%
Metody wytwarzania membran Metoda spiekania (pory 1 m, duży rozrzut) Metoda rozciągu (pory 0.02 m) Metoda radiacyjna (0.03 m pory 12 m) Metoda inwersji faz (różne rozmiary porów) 1) czynniki termiczne 2) odparowywanie rozpuszczalnika sucha 3) żelowanie nierozpuszczalnikiem mokra 4) dodatek polimeru porotwórczego Powlekanie membrany mikroporowatej warstwą permeacyjną (kompozytowe) Metoda formowania dynamicznego (tworzy się w trakcie procesu separacji)
Polimery i związki nieorganiczne stosowane do wytwarzania membran: Najwcześniej zastosowane i do dziś stosowane: celuloza, octan i azotan celulozy, Hydrofobowe: teflon, polifluorek winylidenu, polipropylen Hydrofilowe: poliamidy, polisulfon, poliwęglany, polialkohol winylowy Nieorganiczne: tlenki metali głównie przejściowych ZrO 2, grafit, szkło, metale
Trudności techniczne w stosowaniu technik membranowych Polaryzacja stężeniowa Adsorpcja Fouling i Scaling Deformacja porów
Moduły membranowe i sposoby prowadzenia strumieni 1. Moduł rurowy (mała gęstość upakowania, przepływ turbuletny) 2. Moduł kapilarny zespół (duża gęstość upakowania, przepływ laminarny) 3. Moduł płytowy (prosta konstrukcja, mała gęstość upakowania, straty ciśnienia przy zawracaniu przepływu) 4. Moduł spiralny (prosta konstrukcja, duża gęstość upakowania, trudności z czyszczeniem)
Moduł Rurowy
Moduł Płytowy
Moduł Kapilarny
Moduł spiralny
Moduł Rurowy Kapilarny Płytowy Spiralny Metoda RO PV GS ED D UF MF
Prowadzenie strumieni w modułach membranowych Współprąd Przeciwprąd Prąd krzyżowy cross-flow Odpływ swobodny dead - end