Integrace elektromembránových procesů do separačních technologií Jan Kinčl INTEGROVANÉ MEMBRÁNOVÉ PROCESY BRNO

Transkript

1 Integrace elektromembránových procesů do separačních technologií Jan Kinčl INTEGROVANÉ MEMBRÁNOVÉ PROCESY BRNO

2 Představení firmy: základní údaje Výzkumná, inženýrsko-technologická společnost (status výzkumné společnosti dle Rámce společenství pro státní podporu výzkumu, vývoje a inovací č. 2006/C 323/01) Základní a aplikovaný výzkum a inovační aktivity v oblasti membránových procesů Dceřiná firma MEGA a.s. Vznik v říjnu 2008 z výzkumného oddělení MEGA a.s. Sídlo ve Stráži pod Ralskem 50 zaměstnanců Spolupráce s českými i zahraničními partnery (průmysl, výzkumné ústavy, univerzity)

3 Představení firmy: Membránové inovační centrum

4 Principy integrace Spojení několika jednotkových membránových operací do jednoho technologického celku Na základě různé funkce (RO a ED, transport rozpouštědla a transport iontů) různé koncentrace (RO a EDI, střední a velmi nízké koncentrace) Výhody vyšší výkony lepší produkty nižší provozní náklady Nevýhody vyšší investice

5 Elektromembránové procesy Hnací síla: elektrické pole (stejnosměrné) Iontovýměnné membrány Separace iontů od nenabitých látek (rozpouštědlo, organické látky) Elektrodialýza: odsolování či koncentrace iontů Elektrodeionizace: odsolování velmi čistých vod Elektrodialýza s bipolární membránou: výroba kyselin či louhů membránami Elektroforéza: odstraňování pouze kationtů či aniontů Membránová elektrolýza: výroba kyselin či louhů na elektrodách Reverzní elektrodialýza: výroba elektrické energie z rozdílů koncentrací

6 Iontovýměnná membrána 2 základní typy homogenní: výroba přímou polymerací monomeru s aktivními centry heterogenní: výroba kompozitu ionexová pryskyřice, inertní polymerní nosič, armující textilie Aktivní centra: kvartérní amin, sulfoskupina Princip funkce: zabránění transportu stejně nabitých iontů Základní parametry: plošný a specifický odpor, permselektivita, tloušťka, rozměrové změny

7 Elektrodialýza Hnací síla: elektrické pole Membrány: kation a anion výměnné Diluát odsolován, koncentrát zasolován Nenabité látky nejsou membránou transportovány, zůstávají v původních roztocích Vhodné pro roztoky s nižšími koncentracemi solí (pro 1-3g/l levnější než RO) velmi vysokými koncentracemi (produkce roztoků s až 200g/l, >40g/l nelze RO zpracovávat kvůli vysokým osmotickým tlakům) odsolení organických látek (selektivita na základě náboje)

8 Elektrodialýza s bipolární membránou Hnací síla: elektrické pole Membrány: kation a anion výměnné, bipolární Diluát odsolován, do kyselinové komory proudí anionty, do bazické kationty Nenabité látky nejsou membránou transportovány, zůstávají v původních roztocích Vhodné pro jemné změny kyselosti (např. odkyselení džusů) a výrobu málo čistých kyselin a louhů

9 Elektrodeionizace Hnací síla: elektrické pole Membrány: kation a anion výměnné Diluátové komory zaplněny směsným ionexem zvýšení povrchu, ionex regenerován H + a OH - tvořící se na rozhraní kuliček působením el. pole Diluát odsolován, koncentrát zasolován Nenabité látky nejsou membránou transportovány, zůstávají v původních roztocích Snížení účinnosti transportem H + a OH - Vhodné pro velmi nízké koncentrace, výroba ultračisté vody (kotelní voda, oplachy elektroniky)

10 PRŮMYSLOVÉ APLIKACE

11 Energetika voda pro kotle Nutná vysoká čistota kotelní kámen chloridová koroze oceli Zdroj: povrchové voda nerozpuštěné látky organické látky, mikrobiologie mineralizace Proces: čiření, písková filtrace, kation a anionvýměnné ionexové kolony, směsná ionexová kolona Membránová alternativa: čiření, písková filtrace, RO, EDI

12 Průmyslové vody energetika Energeticky nenáročné, velké spotřeby chemikálií a produkce odpadů, zůstává část TOC Energeticky náročnější, mizivá spotřeba chemikálií a produkce odpadů, TOC odstraněn Optimum pro již postavené CHÚV: energeticky střední, spotřeba chemikálií a produkce odpadů malá, TOC odstraněn

13 Další aplikace RO+EDI na ultračistou vodu Recyklace kotelní vody Oplach elektroniky po vyschnutí nesmí zbýt povlak (zkraty) Voda pro čistící a pokovovací lázně kvalita pokovení výrazně závisí na znečištění vody Injekční a další vody pro farmacii naprostá čistota, sterilita

14 Další aplikace RO+EDI na ultračistou vodu Náhrada celé IEX technologie, používá se běžněji než IEX Výhody: bez chemie a odpadů

15 Katoforézní barvení Dvousložkové barvivo velká kladně nabitá barevná část se elektrolyticky vylučuje na kovu malá záporně nabitá část (octan, mravenčan, laktát) zůstává v lázni Celé díly (karoserie apod.) ponořeny do velké lázně (desítky m 3 ) Výměna lázní nebo regenerace MF/UF: odstranění částic EFC: odstranění aniontů z barviv

16 Demineralizace syrovátky Syrovátka = odpad při výrobě sýru a tvarohu 10l syrovátky na 1kg sýra nebo tvarohu Výroba demineralizovaných produktů kombinacemi odstředivka, pastér, MF, UF, NF, RO, ED, IEX, chromatografie, odparka, krystalizace, sušárna Přídavky do jídel (pečivo, cukrovinky, zmrzlina), potravinových doplňků, nápojů, dětské výživy, krmiv apod. Mlékárny bez membránových procesů už v podstatě neexistují

17 Demineralizace syrovátky odstředivka: tuk, částice sýrů či tvarohů pastér: snížení bakterií MF: zbytky tuku, kaseinový prach, bakterie absolutně UF: bílkoviny NF: zahuštění, částečné odsolení RO: zahuštění, recyklace vody ED: odsolení IEX: odsolení krystalizace: výroba laktózy chromatografie: dělení jednotlivých bílkovin odparka: koncentrace před sušárnou sušárna: výroba prášku

18 Demineralizace syrovátky Začlenění ED do mlékárenských technologií na odsolování sladké, kyselé, kaseinové či slané syrovátky, naturální, zahuštěné RO nebo EV, zahuštěné a částečně odsolené NF UF permeátů syrovátek nebo mléka, zahuštěných RO, EV, NF matečných roztoků (melas) po krystalizaci laktózy z sladké či kaseinové syrovátky

19 Demineralizace syrovátky Popel v sušině syrovátka: 8-12% D30: 7% D50: 4% D70: 2,5% D90: 1% Kombinace odsolovacích stupňů je funkcí velikosti technologie Obecný princip i pro další aplikace

20 Stabilizace, kontrola ph nápojů Kombinace MF, ED a EDBM Víno, džusy MF: sterilizace a odstranění zákalu snížení času stání ve sklepích vliv na chuť zanedbatelný ED: odstranění vinného kamene snížení času stání ve sklepích (vinan draselný) pro levnější vína, mírný vliv na chuť ED/EDBM: zvýšení či snížení ph zvýšení ph kyselého vína snížení kyselosti džusů (ananas, černý rybíz,...)

21 Cukrovary Kombinace MF/UF, NF/RO, IEX/ED Zvýšení cukernatosti Zvýšení kvality produktu Sedimentace a filtrace: odstranění NL MF/UF: odstranění NL, zákalu, koloidů NF/RO: zahuštění šťávy IEX/ED: odstranění solí

22 Cukrovary Výhody vyšší kvalita produktu nižší spotřeba energie a chemikálií nižší produkce odpadů Nevýhody investice do membránových technologií

23 Výroba organických kyselin Stará technologie: kombinace srážení, okyselení, extrakce, krystalizace, destilace, iontová výměna, adsorpce Membránové alternativy: kombinace MF, UF, (NF), ED a EDBM Mléčná, citronová, glukonová, jantarová, aminokyseliny, mravenčí, propionová, fumarová MF nebo UF: sterilizace fermentačního roztoku a odstranění nerozpuštěných látek (NF): zahuštění kyselin, částečné odsolení ED: zahuštění kyselin či jejich solí EDBM: rozdělení soli na org. kyselinu a bázi

24 Výroba organických kyselin Výhody méně operací téměř žádné ztráty recyklace vody i louhy zpět do fermentace nízká spotřeba chemikálií nízká produkce odpadů

25 Recyklace glykolů a glycerolu Vodné roztoky etylenglykolu, propylenglykolu, glycerolu galvanické lázně při výrobě kondenzátorů odpadní chladící nemrznoucí směsi z motorů, z chladících a otopných okruhů odpadní glycerol z výroby bionafty? Výhody recyklace organických látek = minimální nutnost nákupu, pouze na doplnění snížení CHSK v odpadech, snížení poplatků za likvidaci ekologická nálepka pro firmy Nevýhody investice do technologie

26 Recyklace glykolů a glycerolu galvanické lázně při výrobě kondenzátorů odpadní chladící nemrznoucí směsi z motorů, z chladících a otopných okruhů budov odpadní glycerol z výroby bionafty?

27 VÝZKUM A VÝVOJ

28 Výroba kyselin a louhů Vyčiřené kaly (GEAM), Na 2 SO 4 Záměr: recyklovat louhy a kyseliny do procesu, snížit množství odpadů Integrovaná ED+RO Záměr další integrace EDBM

29 Energetika odluh z chladícího okruhu Chladící věže, chlazené kondenzátory, výparníky Záměr: začlenění ED do technologie Výhody: recyklace vody, snížení odpadů IEX Nevýhody: investice do ED a její předúpravy

30 Separace kontaminantů z pitné vody Kombinace RO a ED Nižší selektivita RO a naopak vyšší ED na některé ionty Záměr: pitná voda dle specifikace WHO Bór z mořské a brakické vody Dusičnany ze spodní vody Lithium z vřídelní vody

31 Zvýšení výtěžku RO Kombinace RO a ED Záměr snížení objemu odpadů menší odpařovací laguny nebo vrty vnitrozemí Nenabité látky: SiO 2 scaling na RO Antiscalanty moc nepomáhají Možnost srážení tvrdosti mezi RO a ED chemicky, pellet reactor

32 Využití RO retentátu na výrobu solí Kombinace RO a EDBM Záměr: výroba kyselin a louhů z koncentrovaných solí pro lokální spotřebu Výhody: nižší zatížení životního prostředí Nevýhody nízké koncentrace nízká čistota zdrojová voda provozní náklady na hraně filtrace RO EDBM kyselina louh NL pitná voda užitková voda

33 Recyklace kyselin Leptání skla HF + SiO 2 -> H 2 [SiF 6 ] Záměr: recyklovat HF zpětnou reakcí, bez odpadů Produkty: voda, HF Integrovaná IEX+ED+RO IEX: odsolení, rozklad H 2 [SiF 6 ] + NH 4 OH -> NH 4 F ED: NH4F -> HF + NH4OH, F- přes anionvýměnné membrány, NH4+ zůstává RO: recyklace odpadní vody z výmývání IEX kolon vodou Reálné? Zanášení kolony SiO2, filtrace SiO2, jen A membrány

34 Recyklace odpadních vod Papírenské odpadní vody Záměr: recyklovat vodu, snížit objem odpadů Produkty: voda, kal, solný koncentrát Integrovaná MF+ED MF: odstranění NL, zákalu ED: koncentrace TDS Reálné? Zanášení ED nabitými odpadní voda MF ED voda organickými látkami. NL sole

35 Výroba kyselin a louhů Spalovny, Na 2 SO 4 Záměr: recyklovat louhy a kyseliny zpět do procesu, snížit množství odpadů Integrace technologie EDBM

36 Důlní vody Záměr: snížit zatížení toků solemi, využití vody i soli Spojení výhod NF a ED procesu NF na odstranění dvoumocných iontů ED na koncentraci NaCl Výroba: povozní voda <1g/l, posypová sůl Snížení nákladů na odpar

37 Spodní vody Záměr: pitné vody ze spodních vod obsahujících dusičnany Spojení výhod ED a MBR procesu ED na částečně selektivní odstranění dusičnanů a zkoncentrování MBR na denitrifikaci při zvýšeném výkonu Výroba: pitná voda spodní voda ED N 2, CO 2 MBR pitná voda

38 Farmaceutické odpadní vody Záměr: recyklace odpadních vod Spojení výhod ED a destilace ED na odstranění explozivního NaN3 a NH4Cl destilace na recyklaci DMSO Výroba anorganické odpady dimethylsufoxid provozní voda odpadní voda ED DMSO destilace voda NaN 3, NH 4 Cl

39 Souhrn Velmi mnoho aplikačních oblastí = úprava vody, potraviny, nápoje, chemie, farmacie, elektronika, těžba, automotive Hodně procesů standardem, další se prosazují či jsou ve vývoji Integrace EMP přináší využití nového principu separace na základě náboje látek do separací na základě velikosti či těkavosti látek Integrace EMP přináší hlavně snížení spotřeby chemikálií a produkci odpadů (IEX, RO) a výrobu hodnotnějších produktů Investičních náklady zvýšeny jen někdy, často je to i levnější EMP jsou relativně složité procesy = potřeba vzdělaných inženýrů, kombinace membránové separace a oborového vzdělání

40 Pod Vinicí Stráž pod Ralskem Tel,fax: , 102 Web: Děkuji za pozornost ISO 9001:2009, ČSN EN ISO 14001:2005 a OHSAS 18001:2007