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

Integrace elektromembránových procesů do separačních technologií Jan Kinčl

INTEGROVANÉ MEMBRÁNOVÉ PROCESY BRNO 4.3.2014

Membránové inovační centrum

Integrace EMP do separačních technologií 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)


Integrace EMP do separačních technologií Představení firmy: Membránové inovační centrum


Integrace EMP do separačních technologií 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


Integrace EMP do separačních technologií 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


Integrace EMP do separačních technologií 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


Integrace EMP do separačních technologií 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)


Integrace EMP do separačních technologií 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


Integrace EMP do separačních technologií Elektrodeionizace • Hnací síla: elektrické pole • Membrány: kation a anion výměnné • Diluátové komory zaplněny směsným ionexem – zvýšení povrchu, ionex regenerován H+ a OHtvořící 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)


Integrace EMP do separačních technologií

PRŮMYSLOVÉ APLIKACE


Integrace EMP do separačních technologií 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


Integrace EMP do separačních technologií 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


Integrace EMP do separačních technologií 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


Integrace EMP do separačních technologií Další aplikace RO+EDI na ultračistou vodu • Náhrada celé IEX technologie, používá se běžněji než IEX

• Výhody: bez chemie a odpadů


Integrace EMP do separačních technologií 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 m3) • Výměna lázní nebo regenerace • MF/UF: odstranění částic • EFC: odstranění aniontů

z barviv


Integrace EMP do separačních technologií 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


Integrace EMP do separačních technologií 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


Integrace EMP do separačních technologií 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


Integrace EMP do separačních technologií 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


Integrace EMP do separačních technologií 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, ...)


Integrace EMP do separačních technologií 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


Integrace EMP do separačních technologií Cukrovary

• Výhody • vyšší kvalita produktu • nižší spotřeba energie a chemikálií • nižší produkce odpadů

• Nevýhody • investice do membránových technologií


Integrace EMP do separačních technologií 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


Integrace EMP do separačních technologií Výroba organických kyselin • Výhody • méně operací • téměř žádné ztráty • recyklace vody i louhy zpět do fermentace • nízká spotřeba chemikálií • nízká produkce odpadů


Integrace EMP do separačních technologií 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


Integrace EMP do separačních technologií 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?


Integrace EMP do separačních technologií

VÝZKUM A VÝVOJ


Integrace EMP do separačních technologií Výroba kyselin a louhů • Vyčiřené kaly (GEAM), Na2SO4 • Záměr: recyklovat louhy a kyseliny do procesu, snížit množství odpadů • Integrovaná ED+RO • Záměr další integrace EDBM


Integrace EMP do separačních technologií 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


Integrace EMP do separačních technologií 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


Integrace EMP do separačních technologií Zvýšení výtěžku RO • Kombinace RO a ED • Záměr • snížení objemu odpadů • menší odpařovací laguny nebo vrty • vnitrozemí

• Nenabité látky: SiO2 scaling na RO • Antiscalanty moc nepomáhají • Možnost srážení tvrdosti mezi RO a ED • chemicky, pellet reactor


Integrace EMP do separačních technologií 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

kyselina

EDBM louh

NL

pitná voda užitková voda


Integrace EMP do separačních technologií Recyklace kyselin • Leptání skla HF + SiO2 -> H2[SiF6] • Záměr: recyklovat HF zpětnou reakcí, bez odpadů • Produkty: voda, HF • Integrovaná IEX+ED+RO • IEX: odsolení, rozklad H2[SiF6] + NH4OH -> NH4F • 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


Integrace EMP do separačních technologií 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 organickými látkami.

odpadní voda

voda MF

ED

NL

sole


Integrace EMP do separačních technologií Výroba kyselin a louhů • Spalovny, Na2SO4 • Záměr: recyklovat louhy a kyseliny zpět do procesu, snížit množství odpadů • Integrace technologie EDBM


Integrace EMP do separačních technologií 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


Integrace EMP do separačních technologií 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

N2, CO2

spodní voda ED

MBR pitná voda


Integrace EMP do separačních technologií 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

DMSO odpadní voda

voda ED

destilace NaN3, NH4Cl


Integrace EMP do separačních technologií 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


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

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

Recommend Documents