ODSTRAŇOVÁNÍ LÉČIV MEMBRÁNOVÝMI PROCESY Petr Mikulášek Univerzita Pardubice Fakulta chemicko-technologická Ústav environmentálního a chemického inženýrství
[email protected]
OBSAH Úvod - obecný popis membránových separačních procesů
Tlakové membránové procesy (TMP) - základní popis - membrány a moduly - membránová zařízení - procesní charakteristiky - základní modely toku porézními membránami - základní popis toku (ne)porézními membránami
Vybrané aplikace TMP - aplikace MF - aplikace UF - aplikace NF a RO - využití membránových bioreaktorů
Závěr
MEMBRÁNOVÉ SEPARAČNÍ PROCESY fáze 1
membrána
nástřik
fáze 2
permeát
hnací síla ∆P, ∆c, ∆T, ∆E Veličiny (teplota, tlak, koncentrace, aktivita) ovlivňující průběh membránového procesu lze vyjádřit pomocí chemického potenciálu µ = f (T, P, c, a)
Membránový proces
fáze 1
mikrofiltrace ultrafiltrace nanofiltrace reverzní osmóza dialýza separace plynů pervaporace elektrodialýza membránová destilace
L L L L L G L L L
fáze 2 L L L L L G G L L
hnací síla ∆P ∆P ∆P ∆P ∆c ∆P ∆P ∆E ∆T/∆ ∆P
Rozdělení trhu membránových procesů podle jednotlivých aplikací
RO – reverzní osmóza, UF – ultrafiltrace, MF – mikrofiltrace, ED – elektrodialýza, PV – pervaporace.
TLAKOVÉ MEMBRÁNOVÉ PROCESY MIKROFILTRACE - tlakový separační proces, při kterém jsou zadržovány částice a makromolekuly větší než 0,1 µm a menší než 10 µm. ULTRAFILTRACE - tlakový membránový separační proces, při kterém jsou zadržovány makromolekuly menší než 0,1 µm a větší než 2 nm (látky s relativní molekulovou hmotností 103 až 106). NANOFILTRACE - tlakový membránový separační proces, při kterém jsou zadržovány molekuly menší než 2 nm, tj. látky s relativní molekulovou hmotností cca 200 - 1000. REVERZNÍ OSMÓZA - tlakový membránový separační proces, při kterém prochází rozpouštědlo selektivně membránou proti osmotickému tlaku roztoku.
mikrofiltrace ∆P
ultrafiltrace
∆P
RO / nanofiltrace
∆P
nástřik permeát
-
působením hnací síly (rozdíl tlaků na obou stranách membrány) rozpouštědlo a některé pevné částice prochází membránou do permeátu, zatímco ostatní částice jsou membránou zadržovány, směrem od mikrofiltrace k reverzní osmóze, se velikost (nebo molekulová hmotnost) zachycených částic zmenšuje a současně se tedy zmenšuje velikost pórů použité membrány, v důsledku toho odpor membrány k transportu hmoty vzrůstá, a tak k obdržení stejné hodnoty intenzity toku permeátu musí být použit větší rozdíl tlaků na obou stranách membrány. částice makromolekulární látky nízkomolekulární látky rozpouštědlo
POŽADAVKY NA MEMBRÁNY - vysoká rozdělovací schopnost (selektivita), - vysoký měrný výkon (permeabilita), - chemická stálost proti vlivům zpracovávaných látek, - neměnnost charakteristik během provozu, - dostatečná mechanická pevnost, - nízká cena.
KLASIFIKACE PORÉZNÍCH MEMBRÁN PODLE STRUKTURY Symetrické membrány: - tloušťka je v rozmezí 10 až 200µm - odpor membrán k transportu hmoty je určen celkovou tloušťkou membrány
Asymetrické membrány: - tento typ membrán se skládá ze dvou vrstev – aktivní vrstva – membrána s velmi malými póry a tloušťkou od 0,1 do 0,5 µm a porézní nosič (podpora aktivní vrstvy) s tloušťkou v rozmezí 50 až 150 µm - membrány kombinují vysokou selektivitu husté aktivní vrstvy s velkou propustností porézního nosiče - odpor k transportu hmoty je určen hlavně aktivní vrstvou; porézní nosič téměř žádný odpor netvoří
MEMBRÁNOVÉ MODULY MEMBRÁNOVÝ MODUL = jednotka s umístěnou membránou Dvě hlavní konfigurace: plošné (deskové, spirálově vinuté) tubulární (trubkové, kapilární, dutá vlákna) Pro zajištění technicky přijatelného a ekonomického provozu je třeba, aby membránové moduly vykazovaly: - co největší specifickou plochu membrán, - takové hydrodynamické podmínky, aby byl co nejmenší vliv zvyšování koncentrace zadržované složky v blízkosti povrchu membrány, - malou náchylnost na znečištění, - možnost snadného čištění, - nízkou cenu, - schopnost jednoduché výměny membrán.
MEMBRÁNOVÉ MODULY
Trubkový modul Deskový modul
MEMBRÁNOVÉ MODULY
Modul s dutými vlákny
Spirálově vinutý modul
MEMBRÁNOVÁ ZAŘÍZENÍ Membránová zařízení pro tlakové membránové procesy se skládají z: - membránových modulů: deskový, trubkový, moduly s dutými vlákny a moduly spirálově vinuté; - čerpadel: odstředivá, pístová, membránová; - nádrží na nástřik a permeát, výměníku tepla pro chlazení nebo ohřev nástřiku; - potrubí a armatur; - měřicích zařízení: tlakoměrů, teploměrů, měření průtoku permeátu a nástřiku. Kompletní linka s membránovým zařízením zahrnuje: - zařízení pro předcházející úpravu zpracovávaných roztoků (např. filtrace, chemická úprava apod.), - zařízení pro kontrolu a řízení procesu (měření složení proudů), - zařízení pro eventuální čištění zanesených membrán.
MEMBRÁNOVÁ ZAŘÍZENÍ
TLAKOVÉ MEMBRÁNOVÉ PROCESY mikrofiltrace
ultrafiltrace
nanofiltrace reverzní osmóza
separace částic (mikroorganismy)
separace makromolekul (bakterie, kvasinky)
separace nízkomolekulárních látek (soli, glukóza, laktóza)
osmotický tlak zanedbatelný
osmotický tlak zanedbatelný
osmotický tlak vysoký (≈ ≈ 1- 25 barů)
nízký rozdíl tlaků (< < 4 bary)
nízký rozdíl tlaků (≈ ≈ 1 – 10 barů)
vysoký rozdíl tlaků (≈ ≈ 10 – 80 barů)
symetrická struktura asymetrická struktura
asymetrická struktura
asymetrická struktura
tloušťka separující vrstvy symetrické ≈ 10- 150 µm asymetrické ≈ 1µ µm
tloušťka separující vrstvy ≈ 0,1 – 0,5 µm
tloušťka separující vrstvy ≈ 0,1 – 0,5 µm
separace založena na rozdílné velikosti částic a pórů membrány
separace založena na rozdílné velikosti částic a pórů membrány
separace založena na rozdílné rozpustnosti a difuzivitě
ZÁKLADNÍ VELIČINY Intenzita (objemového) toku permeátu:
J=
1 dV ⋅ A dτ
zdánlivá
R=
c F − cP c = 1− P cF cF
skutečná
R=
Rejekce:
cW − c P c = 1− P cW cW
ZÁKLADNÍ VELIČINY
Tlakový rozdíl nad a pod membránou:
∆P =
p1 + p2 − p0 2
Charakter proudění (Reynoldsovo kritérium):
Re =
uF ⋅ d ⋅ ρ F
µF
PROCESNÍ CHARAKTERISTIKY čisté rozpouštědlo
J
čisté rozpouštědlo
J
cF1 cF2
τ
a)
J
b)
∆P
J turbulentní
laminární
c)
J
c F1
cF2
cF
d)
Re
Závislost intenzity toku permeátu na ∆P při použití tlakových membránových procesů
INT. TOKU PERMEÁTU
l/(m2h)
MIKROFILTRACE
200
ULTRAFILTRACE
100
NANOFILTRACE REVERZNÍ OSMÓZA
0
10 kPa
100 kPa
1 MPa
10 MPa
TLAKOVÝ ROZDÍL
