Tlakové membránové procesy

Transkript

1 Membránová operace Tlakové membránové technologie Retentát (Koncentrát) Vstupní roztok Permeát Tlakové membránové procesy Mikrofiltrace Ultrafiltrace Nanofiltrace Reverzní osmóza -hnací silou rozdíl tlaků na obou stranách membrány - Reverzní osmóza (1,5-15 MPa) nepórovitá membrána 1 nm - Nanofiltrace (0,5-3,5MPa) pórovitá 1 nm - Ultrafiltrace ( kPa) pórovitá 50 nm - Mikrofiltrace ( 00kPa) pórovitá 0,05 10 μm 3 částice vysokomolekulární rozpustná látka vícemocné ionty jednomocné ionty rozpouštědlo membrána asymetrická membrána symetrická koncentrát koncentrát 1

2 Příprava membrán -sintrování -strečování -inverze fází -ozáření-leptání -mezifázová polykondenzace Řez kompozitní polyamidovou membránou semipermeabilní membrána 0, µm opěrná vrstva 40 µm zpevňující vrstva 10 µm 7 Příprava RO membrán-mezifázová polykondenzace Reverzní osmóza -aplikovaný tlak větší než tlak osmotický membránou budou určité složkysurovévodyprocházetaurčité se budou zakoncentrovávat před ní -tlakově hnaný proces (1,5-15MPa) -dovoluje transport rozpouštědla membránou -rozpuštěné látky a nízkomolekulární složky zachycuje -ROnení schopna odstranit plyny -ROodstraní částice do rozměru 0,5 nm -separované složky (voda, ionty solí, výjimečně organické molekuly) se v materiálu membrány nejprve rozpouštějí, membránou potom difundují a z membrány se desorbují do u Osmóza a reverzní osmóza π c 1 c c 1 c c 1 c osmóza rovnováha reverzní osmóza c 1 <c p > π 9 10 SDI 15 Permeabilita SDI 15 = 1 ) 100/15 -filtr 0,45µm o průměru 47 mm -stanoví se doba (s), za kterou proteče 500 ml vody při tlaku0,mpa na začátku pokusu t 0 apo15minutácht 15 -rozmezí 0-6,67 -SDI 15 <1 provoz několik let bez foulingu -SDI 15 <3 provoz několik měsíců bez foulingu = permeabilita [m 3 / m s Pa] = objem u [m 3 ] = plocha membrány [m ] = čas [s] = tlak [Pa] 11 1

3 Schéma membránového procesu Látková bilance vstup koncentrát,, = průtok [l/h],, = koncentrace [mol/l] 13 Tok vody = rozdíl koncentrací [mol/l] = rozdíl pracovních tlaků [Pa] = rozdíl osmotických tlaků [Pa] = tok vody [l/m h] = koeficient propustnosti pro vodu [m/s Pa] 16 Koeficient propustnosti pro vodu Tok solí = Koeficient propustnosti pro vodu [m 3 /m s Pa] = koeficient propustnosti [m/s] = rozdíl koncentrací [mol/l]

4 Konverze Retence = míra odstranění látek ze surové vody 1 = konverze = průtok u [l/h] = průtok vstupu [l/h] = retence bezrozměrná veličina = koncentrace u [mol/l] = koncentrace vstupu [mol/l] 19 0 Koncentrační faktor Koncentrační faktor = koncentrační faktor = konverze % P Y = 10/100 = 0,1 c F = 1/1-0,1 = 1,11 0 % P Y = 0/100 = 0, c F = 1/1-0, = 1,5 30 % P Y = 30/100 = 0,3 c F = 1/1-0,3 = 1,43 40 % P Y = 40/100 = 0,4 c F = 1/1-0,4 = 1,67 50 % P Y = 50/100 = 0,5 c F = 1/1-0,5 = 60 % P Y = 60/100 = 0,6 c F = 1/1-0,6 =,5 70 % P Y = 70/100 = 0,7 c F = 1/1-0,7 = 3,3 80 % P Y = 80/100 = 0,8 c F = 1/1-0,8 = 5 90 % P Y = 90/100 = 0,9 c F = 1/1-0,9 = 10 1 Deskový modul Znázornění toku roztoku v deskovém modulu membrána membrány rozdělovač spacer membrána stop disk 4

5 Trubkový modul Průřez multikanálovým keramickým modulem kanál (přívod u) aktivní vrstva membrány porézní nosič vnitřní povrch kanálků je tvořen aktivní vrstvou kanálky jsou umístěny v keramickém bloku membrána 6 Kapilární moduly Dutá vlákna Vstupní proud inside-out Permeát Retentát outside-in 5

6 Řazení elementů do stupňů Kombinace RO a ionexové technologie R/O -SO 3 H -N + R 3 Mix bed 31 Kombinace RO a ionexové technologie Kombinace RO a EDI R/O Mix bed R/O EDI Nanofiltrace Nanofiltrace -nízkotlaká reverzní osmóza -membránové změkčování -původně odstraňování vícevalentních iontů (Ca +, Mg + ) -oddělování organických látek s nízkou molekulovou hmotností, vícevalentních solí od jednovalentních a molekul rozpouštědla -velikost pórů membrány 1-nm -pracovní tlak 0,5-3,5 MPa -nejmenší zachycované látky: vícemocné soli -membrány nesou funkční skupiny se záporným nábojem (sulfoskupiny) -intenzita toku u je nepřímo úměrná tloušťce materiálu nutnost co nejmenší tloušťky aktivní vrstvy membrány (pod 1µm) -vrstva nosiče (50-150µm) -membrány nesou funkční skupiny se záporným nábojem (sulfoskupiny) -u NF membrán se uplatňuje sítový efekt (molekuly větší než póry membránou nemohou procházet) -částečně efekt rozpouštění v membráně, následovaný difúzí molekul přes membránu a desorpcí na druhé straně membrány a efekty vyplývající zpřítomnosti elektrického náboje na polymeru membrány

7 Řez kompozitní NF membránou S sulfonovaný polysulfon semipermeabilní membrána méně než 1µm SO 3 H mikroporézní vrstva µm netkaná textilie S polysulfon netkaná textílie Porovnání retencí při RO a NF Ultrafiltrace Rozpuštěná látka Reverzní osmóza Nanofiltrace Jednovalentní ionty > 98 % < 50 % (Na +, K +, Cl -, NO 3- ) Dvouvalentní ionty > 99 % > 90 % Ca +, Mg +, SO - 4, CO - 3 ) Bakterie a viry < 99 % < 99 % Mikročástice s Mr >100 > 90 % > 50 % Rozpustné látky s Mr< % 0-50 % -používá se k zachycení makromolekulárních a koloidních látek -separace na základě sítového efektu -čistě porézní membrány, jejichž rejekce je dána poměrem velikosti a tvaru zachycovaných molekul a velikosti pórů -transport částic je přímo úměrný velikosti působícího tlaku -pórovitá membrána (10) nm-50 nm -tloušťka aktivní vrstvy menší než 1 µm -menší velikost pórů a menší porozita UF membrán než MF membrán vyšší hydrodynamický odpor -většina membrán se vyrábí inverzí fází -membrány se připravují jak z organických polymerů, tak i z anorganických materiálů Al O 3,ZrO - aplikace- zkoncentrování roztoků makromolekul, přičemž do u přecházejí nízkomolekulární látky a molekuly rozpouštědla Mikrofiltrace -separace na základě sítového efektu -proces pro dělení suspenzí a disperzí -používá se k zachycení částic, koloidních částic, mikroorganizmů makromolekul bakterií -odstranění částic větších než 0,1µm -membrány se připravují jak z organických polymerů, tak i z anorganických materiálů (keramiky, kovů, skla) - Inverze fází polymerního roztoku, -Strečování polymerního filmu -Ozáření polymerního filmu zářením o vysoké energii následované leptáním ozářených míst -membrány symetrické, asymetrické, kompozitní -pórovitá membrána 50 nm-10µm, tloušťka membrány µm -nejvýznamnější aplikací je čiření -často zařazována jako stupeň předúpravy před RO, NF a ED -dva typy procesního uspořádání dead end a cross flow Dead -end Cross-flow 41 7