ZÁKLADNÍ MODELY TOKU PORÉZNÍ MEMBRÁNOU Znázornění odporů způsobujících snižování průtoku permeátu nástřik
porézní membrána
Druhy odporů Rp
Ra
Rp
blokování pórů
Ra
adsorbce
Rm membrána Rg
Rm
Rg Rcp
tvorba gelové vrstvy
Rcp koncentrační polarizace
ZÁKLADNÍ MODELY TOKU PORÉZNÍ MEMBRÁNOU Model sériově řazených odporů
∆P J= µ ⋅ RT
R T = R M + R MV
celkový odpor
RM = Rm + Rp + Ra
odpory související s membránou
R MV = R cp + R g
odpory u povrchu membrány
Model osmoticko-tlakový
∆P − ∆π J= µ( Rm + RMV )
ZÁKLADNÍ MODELY TOKU PORÉZNÍ MEMBRÁNOU Filmový model mezní vrstva
nástřik
membrána
cW
J.c
J . cP
cF cP
D . dc/dx x
δ
0
dc J ⋅ c = J ⋅ cP + D dx
ZÁKLADNÍ MODELY TOKU PORÉZNÍ MEMBRÁNOU D - difúzní koeficient, J.c - konvektivní tok separované složky k membráně, J.cP - tok separované složky membránou do permeátu,
dc D - zpětný tok separované složky difúzí od membrány dx do hlavního proudu.
cW − c P J = ⋅ ln δ cF − cP D
D/δ - koeficient přestupu hmoty km (lze stanovit výpočtem z kriteriálních rovnic)
ZÁKLADNÍ MODELY TOKU PORÉZNÍ MEMBRÁNOU Model gelové polarizace - při vysoké koncentraci separovaných makromolekulárních látek může dojít k vytvoření gelové vrstvy, ve které dosáhne koncentrace hodnoty cg, - vznik gelové vrstvy závisí na velikosti, tvaru, chemické struktuře a botnavosti částic, ne však na jejich koncentraci v hlavním proudu cF.
cg- c P J = k m ⋅ ln c -c P F
ZÁKLADNÍ MODELY TOKU (NE)PORÉZNÍ MEMBRÁNOU Model Spieglerův–Kedemové Transport rozpuštěné látky membránou vyjádřen jako součet difuzního a konvektivního toku:
Jw JS cW cP Pw P σ
– intenzita objemového toku rozpouštědla membránou, – intenzita molárního toku rozpuštěné látky membránou, – koncentrace rozpuštěné látky na povrchu membrány, – koncentrace rozpuštěné látky v permeátu, – permeabilita čisté vody, – permeabilita rozpuštěné látky, – reflexní koeficient.
ZÁKLADNÍ MODELY TOKU (NE)PORÉZNÍ MEMBRÁNOU Model rozpouštění–difuze Nejdříve dochází k sorpci všech látek obsažených v nástřiku na povrch membrány (homogenní a neporézní). Následně všechny tyto složky samostatně difundují membránou (hnací síla = gradient chemických potenciálů).
DS KS
δM
– difuzní koeficient soli v membráně, – rozdělovací koeficient, – tloušťka membrány.
VÝHODY MEMBRÁNOVÝCH PROCESŮ -
možnost provádět separaci kontinuálně
-
obecně nízká energetické náročnost
-
možnost kombinovat MP s dalšími separačními procesy
-
separaci lze provádět za mírných podmínek
-
snadnost měření provozních parametrů
-
rozmanitost vlastností membrán a jejich přizpůsobivost
-
možnost pracovat bez přídavku dalších látek
NEVÝHODY MEMBRÁNOVÝCH PROCESŮ -
koncentrační polarizace a zanášení membrán
-
nízká životnost membrán
-
nízká selektivita nebo výkon
VYBRANÉ APLIKACE MF, UF, NF a RO MIKROFILTRACE - odstraňování bakterií a kvasinek z piva, vína, surového mléka, - čištění a sterilizace ovocných šťáv, - úprava vody při výrobě velmi čisté vody, - separace velmi jemných krystalů ve farmaceutickém průmyslu, - zahušťování oleje z olejových emulzí, - proces předřazený UF a RO.
LIKVIDACE ODPADNÍCH VOD - lze odstraňovat organická barviva, povrchově aktivní látky, soli těžkých kovů, toxické organické látky, netoxické, avšak těžko biologicky odbouratelné látky atd.
REGENERACE ODMAŠŤOVACÍCH LÁZNÍ
VYBRANÉ APLIKACE MF, UF, NF a RO ULTRAFILTRACE - zpracování olejových emulzí, - získávání elektroforézních barev z oplachových vod, - zpracování odpadních vod z textilního a papírenského průmyslu, - zahušťování latexových disperzí, - zahušťování bílkovin a zpracování syrovátky, - při hemodialýze, - proces předřazený RO.
LIKVIDACE OLEJOVÝCH EMULZÍ
REGENERACE ELEKTROFORÉZNÍCH BAREV
VYBRANÉ APLIKACE MF, UF, NF a RO NANOFILTRACE a REVERZNÍ OSMÓZA - změkčování vody, - odsolování produktů a meziproduktů v chemickém průmyslu, - odsolování mořské a brakické vody při výrobě pitné vody, - výroba velmi čisté vody pro elektrotechnický a farmaceutický průmysl, - čištění odpadních vod z galvanizoven, textilního a papírenského průmyslu, nemocnic apod.
DIAFILTRACE A ZKONCENTROVÁNÍ PŘI VÝROBĚ BARVIV
ODSTRAŇOVÁNÍ LÉČIV
ZPRACOVÁNÍ ODPADNÍCH VOD S OBSAHEM LÉČIV POMOCÍ NANOFILTRACE
ZPRACOVÁNÍ SUROVÉ VODY REVERZNÍ OSMÓZOU
ČIŠTĚNÍ OPLACHOVÝCH VOD POMOCÍ REVERZNÍ OSMÓZY
VYUŽITÍ MEMBRÁNOVÝCH BIOREAKTORŮ
Recirkulační MBR
Integrovaný MBR
TECHNOLOGICKÁ LINKA RECYKLACE VODY S MEMBRÁNOVOU TECHNOLOGIÍ
ZÁVĚR Použití tlakových membránových procesů je založeno na: - znalostech popisu základních mechanismů charakterizujících transportní jevy v porézních nebo (ne)porézních membránových strukturách a v rozhraní membrána – roztok, - relativně jednoduchém a kompaktním uspořádání, - využitelnosti kombinovaných (hybridních) a integrovaných membránových procesů.
LITERATURA PRO DALŠÍ STUDIUM
TLAKOVÉ MEMBRÁNOVÉ PROCESY P. Mikulášek a kol. ISBN 978-80-7080-862-7 Vydavatelství VŠCHT v Praze (prosinec 2013) Kniha obsahuje historický vývoj TMP, popis membránových materiálů, zařízení a jeho prvků, teorii transportu látek membránami a shrnutí faktorů ovlivňujících výkonnost procesů, teoretický popis (modelování) toku při separaci, metody intenzifikace, návrh membránových jednotek a aplikace tlakových membránových procesů a zařízení v chemickém, farmaceutickém a potravinářském průmyslu, v biotechnologiích a při zpracování odpadních vod.
DĚKUJI ZA POZORNOST.
