INTEGROVANÉ MEMBRÁNOVÉ PROCESY

Vývojové hybridní membránové procesy Jan Kinčl

INTEGROVANÉ MEMBRÁNOVÉ PROCESY Brno 4.3.2014

Membránové inovační centrum

Vývojové hybridní MP 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


Vývojové hybridní MP MF a IEX nebo adsorpce

• Mikrofiltrace • odstraňuje původní částice • nerozpuštěné částice

MF/UF

• mikroorganismy

• separuje přidané částice • iontovýměnné pryskyřice • zeolity • aktivní uhlí • fotokatalyzátor

odpadní voda

vyčištěná voda



• 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 voda

vyčištěná voda



• Adsorpce • práškové aktivní uhlí • odstraňuje organické látky

MF/UF

• pesticidy, fenoly, barviva, CHSK

• chrání membránu • velmi porézní, nezvyšuje tlakovou ztrátu

• Provozní problémy • Nevidím

odpadní voda

vyčištěná voda



• 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 voda

• Radikálové oxidativní prostředí: degradace membrán?

vyčištěná voda



• Vsádka iontoměniče nebo adsorbentu • Mírně míchaná nádoba • Dutá vlákna, sání v dead-end 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


Vývojové hybridní MP 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.


Vývojové hybridní MP MBR = MF a bioreakce

• Běžně používaný proces • Dutá vlákna, sání • Ponořeno na konec provzdušňované nádrže sekundárního čištění, nahrazuje terciální dočištění • Dutá vlákna, sání v dead-end módu • Záchyt látek na částicích v míchaném objemu, ve filtračním koláči a na membráně


Vývojové hybridní MP 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


Vývojové hybridní MP IEMB: DD a bioreakce vyčištěná voda

CO2, N2 voda

živný roztok

AM Na+ K+ Ca2+ Mg2+

• Vstupy: odpadní voda s dusičnany a

Na+ K+ Ca2+ Mg2+

• Difuse dusičnanů podpořená opačnou difuzí chloridů (Donova dialýza) • Nitrifikace dusičnanů na dusík

H2O + CO2 + N2 denitrifikace

• Zdrojem uhlíku je etanol

C2H5OH + NO3Cl-

NO3Cl-

• Kationty zůstávají • Výstupy: odpadní voda s chloridy a

C2H5OH Cl-, voda

odpadní voda

voda s CO2 a N2



• 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 CO2 • Spotřeba soli, zanášení chloridů do produktu, hromadění sodíku



• 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?



• 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)


Vývojové hybridní MP 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 scale-up • Projekt Whey2Food, www.whey2food.eu na syrovátkové bílkoviny • Univerzita Laval Quebec, bílkovinné hydrolyzáty krabích schránek


Vývojové hybridní MP UF s ED syrovátkové izolovaná bílkoviny frakce

• 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)

anoda

+ + + + + + + + + +

CM

UF

AM

+ +

+

-

-

• složení svazku a polarita • ovlivnění pH – isoelektrický bod bílkovin

syrovátkové bílkoviny

voda

katoda

-Cl-


Vývojové hybridní MP 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


Vývojové hybridní MP Chemická reakce s pervaporací

• esterifikace C2H5COOH+C3H7OH ->

n-propyl propionát PV

C3H7OCOC2H5+ H2O vakuum

• heterogenní katalyzátor • do reakční směsi ponořen

esterifilakce na heterogenním katalyzátoru

pervaporační modul • odvod vzniklé reakční vody • hnací síla: vakuum, teplota

kys. propionová 1-propanol

reakční voda


Vývojové hybridní MP Oxidace s ultrafiltrací

• oxidace

As3+

na

As5+

retentát As5+

ozónem

• heterogenní katalyzátor z nanočástic

UF

oxidu železa • nanesený na keramické UF membráně

oxidace na heterogenním katalyzátoru nanočástice oxidů železa

• vyšší rejekce membrány pro oxidovaný arsen • další možnosti: oxidace NOM

spodní voda As3+ ozon O3

permeát voda


Vývojové hybridní MP MBR s elektrokoagulací

• standardní ponorný MBR s MF

nástřik

membránou

SS katoda

MBR

• výhody: zvýšení rejekce N, P, CHSK, Se • nevýhody: složitější, spotřeba proudu • Univerzita Saarbruken, Universita Teherán, Anna University

aerace Al anoda

• elektrokoagulace na zvětšení velikosti zachycovaných částic

nádrž

produkt


Vývojové hybridní MP Flotace s MF • MF modul ponořený do flotační nádrže

flotační pěna

• Výhody • bublinky čistí membránu, vyšší tok než bez flotace • modul nepotřebuje nádrž, nižší náklady

• Vyzkoušeno pro • keramickou membránu • Zn2+, sorpce na zeolit, hydrofobizace zeolitu HDTMA-Br • Zn2+, sorpce na hydrotalcit, hydrofobizace oleátem

permeát

MF

sodným • Fe3+, PO43-, hydrofobizace sraženiny oleátem sodným

• Univerzita v Soluni

nástřik vzduch


Vývojové hybridní MP Kapalné membrány a ED vyčištěná voda, voda kyseliny, Mn2+

• Elektrické pole na kapalné membrány • Výhody: zvýšení intenzity transportu difusí k membráně a od membrány • Vyzkoušeno pro Mn2+ • Univerzita v Salaspils (LV)

anoda

+ + + + + + + + + +

MF-LM

Mn2+

odpadní voda

katoda

Mn2+

voda, kyseliny

-


Vývojové hybridní MP RO a ED

• RO dutá vlákna tvoří rozdělovač ED • Sole z RO koncentrátu odváděny ED • Spekulativní: zatím nic netestováno • Lze čekat zásadní problémy • Univerzita v Coloradu

permeát anoda

+ + + + + + + + + +

koncentrát

MF-LM

sole

nástřik

katoda

sole

nástřik

-


Vývojové hybridní MP 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.


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


Pod Vinicí 87 471 27 Stráž pod Ralskem Tel,fax: +420 487 888 653, 102 Web: http://www.membrain.cz E-mail: [email protected]

Děkuji za pozornost ISO 9001:2009, ČSN EN ISO 14001:2005 a OHSAS 18001:2007

INTEGROVANÉ MEMBRÁNOVÉ PROCESY

Recommend Documents