Úvod do membránových procesů, teorie, základní principy. Ing. Pavel Izák, Ph.D. Ústav chemických procesů AV ČR, Rozvojová 135, Praha 6

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Úvod do membránových procesů, teorie, základní principy. Ing. Pavel Izák, Ph.D. Ústav chemických procesů AV ČR, Rozvojová 135, Praha 6"

Denis Liška
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 Úvod do membránových procesů, teorie, základní principy Ing. Pavel Izák, Ph.D. Ústav chemických procesů AV ČR, Rozvojová 135, Praha 6

2 2

3 3

4 Vývoj membránových separačních procesů ve světě 4

5 Základní rovnice a jistá analogie Tok hmoty J m = -D dc/dx (Fick) Objemovy tok J v = - L p dp/dx (Darcy) Tok tepla J h = - dt/dx (Fourier) Tok hybnosti J n = - dv/dx (Newton) Elektricky tok J i = -1/R de/dx (Ohm) D difuzní koeficient L p koeficient permeability λ koeficient přestupu tepla ν kinematická viskozity 1/R elektrická vodivost 5

7 Membranový modul 7

8 Struktura membrán ploché listy (tabulární moduly) trubice (tubulární moduly) spirálově vinuté dutá vlákna kapalné membrány 8

9 Aplikace membránových separačních procesů čištění vody, odpadní, odsolování potravinářský průmysl farmaceutický průmysl 9

10 Kompozitní materiály vyšší toky reverzně osmotická membrána thin film composite charakterizace: polyamid selektivní vrstva polysulfon a polyester porézní vrtstva podporující polyamid

11 Aplikace membrán v hybridních procesech 11

12 Membránová separace plynů Membrána = semi-permeabilní bariéra H 2 S+CO 2 +CH 4 CO 2 +H 2 S CH 4 CH 4 N 2 CO 2 +H 2 S CO 2 +H 2 S+N 2 Rozpustnostně difúzní model Hnací síly = rozdíl chemických potenciálů

13 Rozpustnostně - difúzní model Permeabilita Selektivita Rozpouštění Difúze Desorpce [ ] P i = mol m m 2 s Pa α ij = P P i j S ( c) D( c) = i i P i [ P] = barrer

14 Robesonův diagram Horní mez Ideální selektivita CO 2 /CH 4 Horní mez Polymery TR P(CO 2 ) Barrer

15 Robesonův diagram a závislost množství IL v polymeru na selektivitě a permeabilitě J. Jensen, K. Friess, G. Clarizia, J. Schauer, P. Izák: High ionic liquid content polymeric gel membranes: preparation and performance, Macromolecules

16 Kondenzující vodní membrána na kompozitní RO membráně

17 Aplikace membranových separačních procesů v praxi 6 Nm 3 /h

18 Membránové směsi - Iontové kapaliny Chemické látky podobné solím, bod tání pod 100 C Široké spektrum chemických a fyzikálních vlastností velký výběr Vyšší rozpustnost CO 2 než CH 4 Neměřitelná tenze par při pokojové teplotě

19 Pervaporace a hybridní procesy

20 Porovnání esterifikační reakce s a bez pervaporace Water Water - PV Acetic acid Acetic acid - PV (-)-Bornyl acetate - PV (-)-Bornyl acetate Concentration in the reactor (mol/l) Time (h)

21 Iontové kapaliny jako separační medium Jaká je stabilita iontových kapalin v porech membrány? (v h.) IL pore size (nm) C 14 H 24 N + BF 4 - ceramic module C 4 mim + PF 6 - C 8 H 26 N 2 + B(CN) 4 - C 27 H 54 F 6 N 2 O 4 S

22 Separation factor of 1,3 propanediol nm nanofiltration 0.9 nm nanofiltration with ionic liquid inside the pores 0.9 nm nanofiltration with ionic liquid and silicon layers Feed concentration of 1,3-propanediol (wt%) Permeation flux of 1,3 propanediol through the membrane (g/m 2 /h) nm nanofiltration 0.9 nm nanofiltration with ionic liquid inside the pores 0.9 nm nanofiltration with ionic liquid and silicon layers Feed concentration of 1,3-propanediol (wt%) Odstraňování 1,3-propanediolu z fermentačního substrátu: NF ( ); NF keramický modul s 0.9 nm póry vypněnými IL ( ); NF keramický modul s 0.9 nm póry vypněnými IL, pokrytý z obou stran tenkou vrstvou PDMS ( ). Publikováno: 1. P. Izák, U. Kragl, M. Köckerling; University of Rostock, Germany, Multiphase membrane ; DE B3, prodáno MERCK a.s. 2. P. Izák, M. Köckerling, U. Kragl; Stability and selectivity of a multiphase membrane, consisting of a dimethylpolysiloxane on ionic liquid, used in the separation of solutes from aqueous mixtures by pervaporation, Green Chem., 8 (2006) TiO 2 IL TiO 2 IL TiO 2

23 Pervaporace binárního systému voda a butan-1-ol Celkový permeační tok i selektivita roste s rostoucím obsahem IL v PDMS membráně. Publikováno: M. Kohoutová, A. Sikora, Š. Hovorka, A. Randová, J. Schauer, M. Tišma, K. Setničková, S. Guernik, N. Greenspoon, P. Izák: Influence of ionic liquid content on properties of dense polymer membranes, European Polymer Journal, 45 (2009)

24 Retentate Feed 4 3 Permeate Vac Schéma kontinuální fermentace spojené s pervaporací: 1. Odpadní tank; 2. Tank se substrátem; 3. Reaktor; 4. Pervaporation cela; 5. Vymrazovač; 6. Vakuová pumpa

25 Koncentrační polarizace snížení efektivity membránové separace vytvořit na povrchu membrány mikroturbuletní proudění

26 Struktura modifikované polymerní membránypu/pbdo UV radiace (λ = 254 nm) for 24 h. UV radiated (λ = 254 nm) for 24 hours + Solvent (Toluene) Aplikace střihového napětí: (F = 85 N m -2 ) (PBDO) (PU) where Shear PU: H 3 C OCN NHC O O NCO CH 3 O CH 3 CH 2 O CH 2 CH O CNH CH x 3 CH CH 2 O CH x CH 2 O CH 2 CH O CNH CH x 3 CH 3 O NCO ( 47 Å) PBDO: HO CH 2 CH CH CH 2 OH y ( 263 Å)

27 Stabilita povrchové modifikace 25 C 35 C 45 C

28 3D AFM PU/PBDO-UV Tok nástřiku Tok retentátu Tok permeátu

29 Vliv povrchové modifikace membrány na separační vlastnosti separačního procesu 500 Enrichment Factor of Hexyl Acetate ml/min UV-0.34 ml/min 2.49 ml/min UV-2.49 ml/min Time (h)

30 Membránová destilace výhoda vůči klasickým metodám velký povrch vůči objemu dutá vlákna a kapilární moduly

32 Děkuji za Vaši pozornost a jsem připraven na vaše zvídavé otázky

Podobné dokumenty

Úprava bioplynu na biomethan pomocí zakotvené kapalné membrány. M. Kárászová, J. Vejražka, V. Veselý, P. Izák

Úprava bioplynu na biomethan pomocí zakotvené kapalné membrány Ústav chemických procesů AV ČR, Rozvojová 135, 165 02 Praha 6 M. Kárászová, J. Vejražka, V. Veselý, P. Izák Původ bioplynu Anaerobní digesce