INTEGROVANÉ MEMBRÁNOVÉ PROCESY

Transkript

1 Vývojové hybridní membránové procesy Jan Kinčl INTEGROVANÉ MEMBRÁNOVÉ PROCESY Brno

2 Principy Integrované MP = spojení procesů za sebou Hybridní MP = spojení procesů do jedné jednotkové operace Mnoho současně probíhajících dějů složitější teoretický popis složitější návrh složitější řízení Nižší náklady na investice intenzifikace současného zařízení nižší zastavěná plocha Provozně většinou neutrální jednotkové operace potřebují pořád totéž

3 MF a IEX nebo adsorpce Mikrofiltrace odstraňuje původní částice nerozpuštěné částice mikroorganismy MF/UF separuje přidané částice iontovýměnné pryskyřice zeolity aktivní uhlí fotokatalyzátor odpadní vyčištěná

4 MF a IEX nebo adsorpce Iontová výměna práškové kation a anionvýměnné pryskyřice zeolity a jíly MF/UF odstraňuje kationty: tvrdost, těžké kovy odstraňuje anionty: dusičnany, bór, DOC chrání membránu Provozní problémy Regenerace? Jak?s odpadní vyčištěná

5 MF a IEX nebo adsorpce Adsorpce práškové aktivní uhlí odstraňuje organické látky MF/UF pesticidy, fenoly, barviva, CHSK chrání membránu velmi porézní, nezvyšuje tlakovou ztrátu Provozní problémy Nevidím odpadní vyčištěná

6 MF a IEX nebo adsorpce Fotokatalýza titanová běloba a UV záření odstraňuje těžko rozložitelné organické látky MF/UF hormony, huminové látky chrání membránu Provozní problémy Vysoká spotřeba energie a nízká účinnost. odpadní vyčištěná Radikálové oxidativní prostředí: degradace membrán?

7 MF a IEX nebo adsorpce Vsádka iontoměniče nebo adsorbentu Mírně míchaná nádoba Dutá vlákna, sání v deadend módu Přívod nástřiku = odvod permeátu Záchyt látek na částicích v míchaném objemu, ve filtračním koláči a na membráně Skupina ÚECHI FCHT Univerzity Pardubice a několik dalších po světě

8 MF a IEX nebo adsorpce Složitosti popisu nerovnoměrný tok ve všech částech modulu (zanesení modulu, tlaková ztráta ve vlákně) nerovnoměrná doba zdržení (zkratové toky ve filtračním koláči) Složitosti provozu Používat opakovaně? = Náklady na regeneraci nebo na vlákna a náplň? Regenerovat náplň? = Odpadní náplň nebo chemikálie? Jak? = Dostat z vláken, dostat z nádrže.

9 MBR = MF a bioreakce Běžně používaný proces Dutá vlákna, sání Ponořeno na konec provzdušňované nádrže sekundárního čištění, nahrazuje terciální dočištění Dutá vlákna, sání v deadend módu Záchyt látek na částicích v míchaném objemu, ve filtračním koláči a na membráně

10 IEMB: DD a bioreakce Donanova difuzní dialýza a bioreakce Anion nebo kationvýměnné membrány Odstranění iontů z odpadních vod Anionty: dusičnany, fluoridy, fosforečnany, sírany, chloristany Kationty: amonné ionty, těžké kovy Velizarov, Reis, Crespo a další z Univerzity v Lisabonu

11 IEMB: DD a bioreakce Na K Ca 2 Mg 2 H 2 O CO 2 N 2 denitrifikace CO 2, N 2 C 2 H 5 OH NO 3 Cl C 2 H 5 OH Cl, AM vyčištěná Na K Ca 2 Mg 2 NO 3 Cl odpadní Vstupy: odpadní s dusičnany a živný roztok Difuse dusičnanů podpořená opačnou difuzí chloridů (Donova dialýza) Nitrifikace dusičnanů na dusík Zdrojem uhlíku je etanol Kationty zůstávají Výstupy: odpadní s chloridy a s CO 2 a N 2

12 IEMB: DD a bioreakce Deklarované výhody Oddělení bakterií od zpracovávaného roztoku přímo v reaktoru Vyšší odstranění dusičnanů než Donanovou dialýzou Iontovýměnná membrána je selektivnější k dusičnanům než dalším iontům (uhličitany, sírany), jejich hromadění je omezeno Nevýhody Spotřeba etanolu, výroba CO 2 Spotřeba soli, zanášení chloridů do produktu, hromadění sodíku

13 IEMB: DD a bioreakce Nejistoty a provozní složitosti Jen na ionty, muselo by být za normálním biologickým čištěním MBR? Uhlíku se zbavím předem a pak dávám nový? Jak dostávat mikroorganismy z membránového reaktoru? Vadí tam? Příležitosti Výroba bioaktivních látek?

14 IEMB: DD a bioreakce Další možnosti Zdroj uhlíku: etanol, metanol, octan Membrány iontovýměnné MF (0.01μm, 0.02 μm), UF (500kDa) nutno dobře hlídat tlaky Hnací síla difuzní dialýza Donanova dialýza Reakce biodegradace (dusičnany) srážení (arsen)

15 UF s ED Dvě hnací síly: tlak a elektrické pole Separace jednotlivých bílkovin na základě náboje a velikosti Omezení foulingu UF membrán Ve fázi laboratorních testů, probíhá scaleup Projekt Whey2Food, na syrovátkové bílkoviny Univerzita Laval Quebec, bílkovinné hydrolyzáty krabích schránek

16 UF s ED Zapojení pro izolaci malých kladně nabitých bílkovin Malé kladné prochází, malé záporné drženy elektrickým polem, velké kladné drženy UF membránou, velké záporné drženy UF membránou i elektrickým polem Možné variace na dělení různých frakcí porozita UF membrány (malé/velké) syrovátkové bílkoviny anoda CM UF izolovaná frakce AM katoda Cl složení svazku a polarita ovlivnění ph isoelektrický bod bílkovin syrovátkové bílkoviny

17 UF s ED Provozní složitosti a nejasnosti utěsnění tenké UF membrány? difuse dokáže přetlačit konvekci? při jakých podmínkách a energetických nárocích? Vysoká konkurence: mnoho procesů na izolaci bílkovin (UF, vysolování, chromatografie,...), jakoukoliv bílkovinu lze dnes koupit izolovanou

18 Chemická reakce s pervaporací esterifikace C 2 H 5 COOHC 3 H 7 OH > C 3 H 7 OCOC 2 H 5 H 2 O heterogenní katalyzátor do reakční směsi ponořen pervaporační modul esterifilakce na heterogenním katalyzátoru npropyl propionát PV vakuum reakční odvod vzniklé reakční vody hnací síla: vakuum, teplota kys. propionová 1propanol

19 Oxidace s ultrafiltrací oxidace As 3 na As 5 ozónem retentát As 5 heterogenní katalyzátor z nanočástic oxidu železa UF nanesený na keramické UF membráně vyšší rejekce membrány pro oxidovaný arsen oxidace na heterogenním katalyzátoru nanočástice oxidů železa permeát další možnosti: oxidace NOM spodní As 3 ozon O 3

20 MBR s elektrokoagulací standardní ponorný MBR s MF membránou elektrokoagulace na zvětšení velikosti zachycovaných částic výhody: zvýšení rejekce N, P, CHSK, Se nevýhody: složitější, spotřeba proudu Univerzita Saarbruken, Universita Teherán, Anna University MBR nástřik produkt nádrž aerace Al anoda SS katoda

21 Flotace s MF MF modul ponořený do flotační nádrže Výhody bublinky čistí membránu, vyšší tok než bez flotace modul nepotřebuje nádrž, nižší náklady Vyzkoušeno pro keramickou membránu Zn 2, sorpce na zeolit, hydrofobizace zeolitu HDTMABr Zn 2, sorpce na hydrotalcit, hydrofobizace oleátem sodným Fe 3, PO 3 4, hydrofobizace sraženiny oleátem sodným Univerzita v Soluni MF flotační pěna permeát nástřik vzduch

22 Kapalné membrány a ED Elektrické pole na kapalné membrány vyčištěná, kyseliny, Mn 2 Výhody: zvýšení intenzity transportu difusí k membráně a od membrány Vyzkoušeno pro Mn2 Univerzita v Salaspils (LV) anoda MFLM Mn 2 Mn 2 katoda odpadní, kyseliny

23 RO a ED RO dutá vlákna tvoří rozdělovač ED permeát koncentrát Sole z RO koncentrátu odváděny ED Spekulativní: zatím nic netestováno Lze čekat zásadní problémy Univerzita v Coloradu anoda sole MFLM sole katoda nástřik nástřik

24 Souhrn Membránové separace jako hudební styly fúze čehokoliv s čímkoliv do nové jednotkové operace ve fázi výzkumu omezeno jen představivostí, univerzity si hrají Kombinace membránových procesů s adsorpcí, katalýzou, bioreakcí, elektrokoagulací, flotací či s jinými membránovými procesy Téměř vše ve fázi výzkumu a vývoje, průmyslové využití zatím nízké (MBR, EDI) Mnoho kombinací nikdy nenajde aplikaci, mnoho ji jinde než bylo zamýšleno Mnoho praktických problémů a nejasností: jak vyrobit, jak používat, kolik to bude stát? I tak to stojí za to, něco uplatnění už našlo a něco ještě najde.

25 Integrace EMP do separačních technologií Nabídka pro studenty Studentům nabízíme spolupráce při bakalářských, diplomových a disertačních pracích Praktické práce (návrh experimentu, měření, vyhodnocení) v oblasti elektromembránových procesů Modelování elektromembránových procesů (modely toku, transportu solí přes membrány, foulingové vrstvy, odporů, zkratových proudů) Rešeršní bakalářské práce Nové MIC = hodně místa, přístrojů a práce

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