Separační, purifikační a izolační techniky

Separační, purifikační a izolační techniky I. Membránové procesy II. Chromatografické separace Andrea Hinková, Ústav sacharidů, B 45, tel.: 22044 3111 mail: [email protected]

I. Membránové separační procesy 1. Rozdělení a klasifikace membránových procesů

uspořádání filtračního procesu, kritéria rozdělení membránových procesů (mechanismus, hnací síla, typ membrán, charakter separovaných částic) zákl. terminologie – retentát, permeát, filtrát, up-stream, down-stream proces základní charakteristika membránových procesů, uspořádání filtračního procesu (dead-end, cross-flow)

2. Membrány

dělící vlastnosti membrán (permeabilita, porozita, střední velikost pórů, selektivita, cut-off, dělící rozsah) klasifikace membrán - struktura (porézní, neporézní, symetrické, asymetrické, kompozitní, homogenní, heterogenní, mozaikové, sendvič), materiál (organické, anorganické), tvar (rovinné, tabulární, hollow fibre), funkce a výroba membrán, biomembrány, kapalné membrány

3. Membránové moduly

charakter toku nad membránou konstrukce, typ, uspořádání, laboratorní moduly, průmyslová zařízení, speciální moduly (rotační, vibrující, membrány, membránové reaktory)

4. Kinetika filtračního procesu teoretické základy filtrace, hnací síly, charakteristika separovaných částic a molekul (náboj, velikost, tvar, afinita, izoelektrický bod) mechanismus transportu rovnice filtrace, koncentrační polarizace

5. Výkon, zanášení a čištění membrán popis zanášení faktory ovlivňující zanášení (vlastnosti membrán, vlastnosti roztoku, vedení procesu) zlepšení výkonu (back-flush, podpora turbulentního proudění, pulsující tok, konstantní tlak během filtrace) čištění a sanitace

6. Jednotlivé membránové procesy difúze, teorie difúze, difuzivita, solvatace historie vzniku membránových procesů dialýza, osmóza, reverzní osmóza, mikrofiltrace, ultrafiltrace, nanofiltrace, pervaporace, permeace plynů, membránová destilace

7. Membránové separace v gradientu elektrického potenciálu elektrodialýza, membránová elektrolýza, elektroosmóza, ochuzování transportem, elektrogravitace, elektroforéza s nuceným tokem, zónová elektroforéza, Donnanova dialýza reaktivní membrány iontově aktivní membrány (anion- a kationaktivní, bipolární)

8. Aplikace membránových procesů v potravinářském průmyslu a biotechnologiích mlékárenství masný průmysl a konzervárenství výroba zeleninových šťáv škrobárenství, pekařství, cukrovarnictví pivovarství, vinařství a nápojový průmysl biotechnologie

I. Membránové separační procesy (MSP) 1. Rozdělení a klasifikace MSP = separační techniky využívající semipermeabilní membránu, která vytváří selektivní bariéru. Princip filtrace = separace dvou nebo více složek z tekutiny (plyn a kapalina) na základě rozdílu ve velikosti částic.

MEMBRÁNA: vytváří selektivní bariéru přepážka mezi dvěma fázemi fáze, která vytváří bariéru, která zamezuje pohybu hmoty, ale umožňuje omezený či regulovatelný průchod určitých komponent může být kapalná, pevná, plynná (nebo kombinace všech)

.

Membrána dělí přiváděný tok látek na: retentát (koncentrát) = obohacený o složky, které membrána nepropustí

permeát = tok procházející membránou, který je o tyto látky ochuzen

Základní mechanismy oddělení látek ze směsi membránou: rozdílná velikost částic ve směsi (sítový efekt); membrána zadržuje částice větší, než jsou její póry. rozdílný náboj složek směsi rozdílné difúzní koeficienty (difuzivita) složek rozdílná rozpustnost složek ze směsi v membráně (např. olejové membrány)

Kritéria pro rozdělení a klasifikaci membránových procesů: hnací síla typ membrán (viz. Kapitola 2) charakter separovaných částic a molekul

Hnací síla membránových procesů: tlak (tlakové separační procesy – mikrofiltrace, ultrafiltrace, nanofiltrace, reverzní osmóza, pervaporace) koncentrace (dialýza) chemický potenciál (osmóza) elektrický potenciál (elektrodialýza)

Charakter separovaných částic a molekul: velikost tvar náboj

Charakteristika membránových procesů HNACÍ SÍLA

RETENTÁT

PERMEÁT

Osmóza

chemický potenciál

látky rozpuštěné v roztoku, voda

voda

Dialýza

rozdíly koncentrací

velké molekuly, voda

malé molekuly, voda

Mikrofiltrace (MF)

tlak

suspendované částice (kvasinky) , voda


Ultrafiltrace (UF)

tlak

velké molekuly (bakterie), voda

malé molekuly, voda

Nanofiltrace (NF)

tlak

malé molekuly, voda, dvojmocné soli, disociované kyseliny

jednomocné ionty, nedisociované kyseliny, voda

Reverzní osmóza (RO)

tlak


voda

Elektrodialýza (ED)

napětí

neionogenní látky, voda, rozpuštěné v roztoku

ionizované látky, voda, rozpuštěné v roztoku

Pervaporace (PV)

parc. tlak

netěkavé molekuly, voda

těkavé malé molekuly, voda

Uspořádání filtračního procesu Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998

Schéma filtrační aparatury

membrána

„Up-stream“ proces – nad membránou „Down-stream“ proces – pod membránou

2. Membrány Dělící vlastnosti membrán jsou dány jejich propustností, selektivitou a dělícím rozsahem:

A) Propustnost (permeabilita) = schopnost materiálu umožnit průchod hmoty = kvantitativně se vyjadřuje jako množství hmoty, které prošlo určitým materiálem za daných podmínek = objem permeátu, který projde m2 membrány za časovou jednotku. = má vliv na rychlost (kinetiku) procesu

Permeace = transport atomů, molekul a iontů v propustném prostředí vlivem gradientu (koncentrace, teploty, tlaku, elektrický potenciál)

.

pro ideální polopropustnou membránu platí:

J = A • (PT - F) J = tok membránou (průtok); vyjadřuje rychlost, kterou látky procházejí membránou. A = permeační koeficient (převrácené hodnota odporu) PT = tlak přes membránu F = osmotický tlak rozpouštědla Propustnost membrány je ovlivněna porozitou (plocha pórů vztažená na plochu membrány)

B) Selektivita Selektivita ovlivňuje účinnost dělení a čistotu permeátu a souvisí s velikostí pórů a jejich distribucí. K udržení dané selektivity je nutná odpovídající uniformita pórů, tj. úzká distribuce jejich velikostí.

Dělící rozsah (Cut-off)

C)

Definice: 90 % molekul o molekulové hmotnosti rovnající se dělicímu rozsahu neprojde membránou. ideální membrána

100 % 90 %

Nebo vyjádřen v mm

reálná membrána

nízká selektivita

R MWCO

Pokud je velikost vyjádřená molekulovou hmotností  MWCO Cut-off

Rejekce (%)

Charakterizuje membránu Dán velikostí molekul, které již neprojdou membránou

M1 M2

M3 M4

Velikost pórů (MW)

Klasifikace membrán: původ membrány (přírodní, synthetické) struktura membrány (porézní, bez pórů, morfologie povrchu) použití membrány (pro dělení plynné fáze, pro dělení plyn-kapalina, kapalina-kapalina) mechanismus činnosti membrány (adsorpce, difúze, výměna iontů, osmotický tlak, inertní membrána)

Membrány – dělení z hlediska struktury:

1. Mikroporézní – isotropní (jednotná velikost pórů v celé membráně - je jedno, jak se otočí, z které strany bude probíhat filtrace) – anisotropní (velikost pórů se liší v jednotlivých vrstvách membrány); částice se dostávají dovnitř membrány – zablokování pórů a snížení průtoku, nebo projdou do permeátu

isotropní membrána

2. Asymetrické (s aktivní vrstvou) na povrchu nosiče je nanesena tenká aktivní vrstva, na které dochází k filtraci, s malou velikostí pórů, tloušťka řádově < 1 mm. zadržení molekul pouze na povrchu aktivní vrstvy, nezanáší se tolik, kinetika filtrace závisí na rychlosti proudění podél membrány

3. Kompozitní (sendvičové) membrány více vrstev, každá vrstva je vyrobena jiným technologickým krokem (na rozdíl od asymetrických membrán)

Membralox ®

Membrány - dělení z hlediska materiálu

1. Organické acetát celulosy (nízká cena, široký rozsah velikostí pórů, hydrofilní charakter – snížení zanášení) polyamid (nízká tolerance k Cl2, biofouling) polysulfon (široký teplotní rozsah, odolnost pH, Cl2, chemikálie) další polymery: nylon, PVDF, PTFE, PP, polykarbonát)

2. Anorganické (= minerální, keramické) ale i kovy (nerez ocel) materiál nosné vrstvy: keramika, Al2O3, TiO2 separační vrstva: TiO2, zirkonium, uhlík-titan, uhlík-zirkonium

Keramické membrány: výhody: + inertní k většině obvyklých chemických činidel (výjimka HF, H3PO4 – Al membrány) + rozsáhlý teplotní limit (350 °C) sterilizace parou, + rozsáhlý limit pH (1 – 13) + rezistence na vysoké tlaky (1 MPa) + vysoká životnost, možnost zpětného oplachu

nevýhody: - velikost pórů UF, MF, na hranici NF - vysoký výkon čerpadel (2 – 6 m/s rychlost proudění podél membrány) - vysoká cena (investiční náklady)

Membrány dělení z hlediska tvaru: Ploché (rovinné) membrány Tubulární (uvnitř kanálek, > 4 mm) Kapilární (malý průměr) Dutá vlákna (hollow fibres) (vnitřní průměr 0,2 – 3 mm) Spirálně vinuté Skládané patrony (dead-end filtrace)

Tubulární membrány Membralox ®

Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998

Skládaná membrána


Spirálně vinutá membrána

www.mtrinc.com

Dutá vlákna - hollow fibres



Asymetrická struktura



Mikroporézní struktura


Biomembrány imobilizace enzymu na povrchu membrány (adsorpce, chemická vazba na povrchu)

Kapalné membrány a) Emulsní kapalné membrány (ELM = Emulsion Liquid Membrane) nemísitelné kapaliny b) Imobilizované kapalné membrány (ILM = Immobilized Liquid Membrane)

Filtry - dělení z hlediska struktury: hluboké filtry materiál: bavlna, azbest, skelná vlákna, aglomeráty kovů, křemelina) částice zůstávají zachyceny uvnitř filtru filtrační přepážky (zadržení částic na povrchu filtru, mechanismus síta, struktura bývá pevnější, uniformní, velikost pórů více definována výrobním procesem) = membránové filtry

Výroba membrán: Změna fáze (polymery) odpařením rozpouštědla (acetát celulosy, polyamid) změnou teploty (polypropylen, polyamid) přídavkem srážecího činidla (polysulfon, nitrocelulosa) Vytažením fólie částečně zkrystalizovaného polymeru do větších rozměrů (PTFE = polytetreafluorethylen) Ozářením nebo leptáním (ionty těžkých kovů- jednotná velikost pórů, ionty kolmé k membráně) polykarbonát, polyester Slisováním nebo spečením (sintrováním) jemných prášků (keramika, polyethylen, PTFE)

3. Membránové moduly Rotační membrány: tubulární a diskové Vibrační membrány: diskové

 Rotační tubulární modul



Rotační diskový modul


.

Zvýšení filtrační plochy Tubulární membrány Spojeny do patron (cartridge) Spojení více modulů (paralelní zapojení, vracení retentátu, postupná filtrace) www.apv.com


Spojení více modulů


Spojení více modulů

www.airproducts.co.za

Zvýšení filtrační plochy Deskové membrány www.esemag.com

www.dayton-knight.com

Membránové reaktory Typ membrán: Hollow fibre, deskové, rotující válec, Výhody : snazší čištění jednostupňová operace (reakce i separace najednou)

Umístění: bud´ přímá součást bioreaktoru, nebo vně reaktoru s recirkulací média

4. Kinetika filtračního procesu

.

vyjadřuje se objemovým tokem permeátu vztaženým na plochu membrány (l.h-1.m-2) za daných podmínek (tlaku a teplotě) je ovlivňována střední velikostí pórů a hustotou pórů (porozitou) nedostatečnou propustnost lze vyvážit větší plochou membrán

Obecně platí:

hnací _ síla tok _ látky  plocha  odpor

Teorie filtrace: U tlakových membránových procesů:

hnací síla = tlakový gradient Řez membránou

solvatace

PT  PF  PP pokles tlaku v membráně (osmotický tlak):   F  P  PT   skutečná hnací síla:  PT řídící děj procesu: pokles tlaku před a za membránou:

Koncentrační polarizace:

University of Minnesota Duluth; www. d.umn.edu

v blízkosti membrány je vyšší koncentrace látek než v médiu: vytváří se koncentrační profil – v krajních podmínkách sekundární membrána, gel, precipitát zvyšuje se odpor membrány

Koncentrační polarizace:

www.yale.edu

Tlakové membránové procesy hnací síla = tlakový gradient

skutečná hnací síla:



zredukována o pokles tlaku v polarizační vrstvě, sekundární membráně či gelu

Rychlost konvekce Js

JS  J  c1

Rychlost difúze (zanedbaný gradient c)

dc Js  D  dx

Rovnice filtrace:

dc J  c1  D   J  c 2 dx Konvekční tok

Difúze

Tok permeátu

5. Výkon, zanášení a čištění membrán Výkon = tok permeátu v čase

Dochází k poklesu toku permeátu v čase - problém při tlakových MSP

popis pomocí matematických modelů výkonu (tj. průtoku permeátu).

80 70 2

výkon (l/hm )

Pokles způsoben: koncentrační polarizací zanášením pórů v membráně tzv. fouling efekt

60 50 40 30 20 0

20

40

60

80

100 120 140 160 180 200

čas (min)

Parametry ovlivňující fouling-efekt a) Vlastnosti membrány Velikost pórů (propustnost) Tloušťka aktivní vrstvy Afinita rozpouštěných látek k membráně

b) Vlastnosti separované směsi Viskozita Iontová síla pH Hustota Koncentrace Reaktivita molekul vůči membráně Tvar a velikost separovaných molekul Předúprava vzorku – srážení, přídavek balastních látek, předfiltrace (zlepšení poměru velikostí dělených molekul a pórů)

c) Podmínky (vedení) procesu Tlak (zvyšování tlaku v průběhu filtrace, pozor na nevratný fouling! – limitní tlak), Teplota Hydrodynamika (charakter toku nad membránou) - podpora turbulentního proudění:  Pulsace toku, ultrazvuk, bubliny vzduchu  Zpětný proplach (u asymetrických a kompozitních membrán hrozí odtržení aktivní vrstvy)

Čištění membrán Zpětný tok CIP (Cleaning in place) chemická činidla, vyšší teploty Sterilace parou (keramika) Chemicky: ozon, Cl2 – možnost koroze materiálu, NaClO, kys. dusičná, louh sodný – keramické membrány) Mechanicky (po vyjmutí, deskové membrány) Enzymaticky

Vodní výkon membrány Jv Význam: Pro porovnání účinnosti čištění membrány Poměr hodnot vodních výkonů membrány před filtrací a po promytí po filtraci se nesmí lišit víc jak o 20% Definice: Rychlost toku permeátu při filtraci čisté vody při 20 °C a daném tlaku vztažená na jednotku plochy membrány:

JP  kt JV  S

JV vodní výkon (l.h-1.m-2) JP tok permeátu kt teplotní koeficient (20 °C) S plocha membrány (m2)

Účinnost filtrace – koncentrační faktor Zahuštění původního vzorku: Koncentrační faktor VCF objemový MCF hmotnostní

VF VCF  VR

VF objem nátoku VR objem retentátu

Účinnost filtrace – Rejekce, retence Vlastnosti permeátu a retentátu Analytické metody Faktor rejekce R vyjadřuje vztah mezi koncentracemi nad a pod membránou cidownstream, ciupstream koncentrace složky pod membránou, resp. nad membránou Zdánlivá rejekce – pokud za cupstream, dosadíme koncentraci v roztoku Skutečná rejekce – pokud za cupstream, dosadíme koncentraci těsně u povrchu membrány Faktor retence r vztahuje se k nátoku, permeátu a retentátu

cidownstream R  1 ciupstream

ciP R  1 ciF ciP r  1 ciR

Volba separačního procesu Výkon X Účinnost

Stanovit požadované vlastnosti produktu Definovat požadovanou čistotu 90 % průmyslové enzymy, organické kyseliny 99 % roztoky sacharidů 99.9 % 99.99 % vakcíny Fyzikální a chemické vlastnosti, stabilita (!) Definovat výchozí vlastnosti separované směsi Složení, chemické a fyzikální vlastnosti, vlastnosti surovin… atd. Volba procesu Rozdílné vlastnosti produktů a kontaminantů Zvolit proces využívající rozdílné fyzikálně-chemické vlastnosti Na počátku odstranit kontaminanty o nejvyšší koncentraci Nejúčinnější proces zařadit co nejdříve Nejdražší a nejvíc pracný proces zařadit na konec

6. Jednotlivé membránové procesy

.

Terminologie: Difúze = pohyb molekul v tekutině z oblasti o vysoké koncentraci, do oblasti s koncentrací nízkou 1. Fickův zákon: Tok tekutiny membránou (J) je přímo úměrný koncentračnímu gradientu (dC) podél membrány (dx), kde D = difúzní koeficient (difusivita):

D  dC J  dx

Studium difúzních jevů přispělo ke studiu membránových procesů: Historie vzniku membránových procesů: 





1748 Abbe Nollet sledoval, že voda difunduje ze zředěnějšího roztoku do koncentrovanějšího 1855 Fick vyvinul první syntetickou membránu (nitrocelulóza) nitrocelulóza se rozpustila (alkohol-ether) a nalila do vrstvy a rozpouštědlo se nechalo odpařit 1877 první úspěšná výroba membrány připravené srážení hexakyanoželeznatanu Cu2+ v pórech porcelánu

Dialýza  transport malých molekul (rozpuštěných v tekutině) přes membránu (z hypertonického prostředí do hypotonického); ledviny hnací síla: rozdíl koncentrací

Osmóza  transport rozpouštědla přes membránu, která nepropouští rozpuštěné látky z méně koncentrovaného roztoku do více koncentrovaného (z hypotonického do hypertonického) hnací síla: gradient chemického potenciálu www.visionengineer.com/ env/reverse_osmosis.shtml

Reverzní osmóza (RO)  Reverzní osmóza je proces opačný, než je osmóza.

 Hnací silou je tlakový rozdíl na opačných stranách membrány, který musí být větší než osmotický tlak  vysoký pracovní tlak (3 – 10 MPa). pefektivní>posmotický

 Separace částice o velikostech řádově 10-4 mm = membrána propouští téměř jen molekuly rozpouštědla!

www.visionengineer.com/ env/reverse_osmosis.shtml

Tlakové membránové procesy (MF, UF, NF a RO) Klasickou filtrací se oddělují částice větší než 10 mm Membrány mohou separovat i částice velikosti rozpouštědla, např. vody. ALE: Oproti klasické filtraci, které postačuje hydrostatický tlak vodního sloupce (případně tlak na úrovni 0,1– 0,5 MPa) - pro membránové filtrace (zejména UF, NF a RO) potřeba vytvořit vyšší gradient tlaku. Čím jsou póry menší, tím větší tlaková diference je potřeba

Separační charakteristiky membránových procesů


Mikrofiltrace (MF) Dělí částice v rozmezí velikostí 10 – 10-1 mm (řádově mikrony, tj. bakterie, kvasinky, suspendované látky, vysokomolekulární látky; M>106) Částice větší než 5 - 10 mm je lépe separovat klasickou koláčovou filtrační metodou. Potřebný rozdíl tlaku: 0,02 do 0,5 MPa Přečišťovací technika, při které se oddělují suspendované částice od rozpuštěných látek

Ultrafiltrace (UF) dělí částice 10-2 – 10-3 mm (tj. bakterie, viry, koloidy, makromolekulární látky MWCO 5000 – 500 000) potřebný rozdíl tlaku: 0,1 do 1 MPa metoda pro současné čištění, zakoncentrování a frakcionaci makromolekul nebo jemných koloidních suspenzí dělícím mechanismem obou procesů (MF i UF) je sítový efekt

Nanofiltrace (NF) relativně nový střednětlaký membránový proces pro separaci látek o velikosti 10-3 – 10- 4 mm. Mechanismus separace: 1. sítový efekt (velké molekuly, např. sacharosa) 2. elektrostatické síly mezi membránou a složkami filtrovaného média (separace iontů) Většina komerčně vyráběných NF membrán je záporně nabita NF membrány umožňují separovat např. disociované formy sloučenin od nedisociovaných (např. organické kyseliny prochází snadněji při nízkém pH, ale jsou zadrženy při vyšším pH ve formě svých solí, MWCO < 500). Cut-off membrány vyjádřován krom MW i v Daltonech Provozní tlak až 5 - 10 MPa

Děje na NF membránách  







Separační mechanismus není ještě dostatečně jasný V případě samotné soli: s rostoucí koncentrací klesá její retence na membráně: u záporně nabité membrány dochází v přítomnosti iontů k tvorbě tzv. polarizační vrstvy, kdy opačně nabité ionty než je náboj membrány jsou blíže jejímu povrchu, čímž zakryjí efektivní náboj membrány a ionty stejně nabité jako membrána jí mohou pak snadněji procházet. Stupeň hydratace iontů ovlivňuje stupeň retence: Zadržování NaNO3 je nižší než NaCl - protože dusičný iont je více hydratován ve vodném roztoku než chloridový. Vysoká viskozita způsobená hromaděním solí nebo organických molekul brání zpětné difúzi iontů v polarizační vrstvě, což znamená, že se ionty spíše hromadí v permeátu. Donnanův efekt (pozorován při nanofiltraci syrovátky, při vysokém VCR) vykázala membrána zápornou rejekci chloridových aniontů, neb přecházely přednostně do permeátu. Tento děj je způsoben hromaděním nabitých organických látek před membránou, kdy při pH syrovátky kolem 6,2 přítomné proteiny vytvoří na membráně záporně nabitou gelovou vrstvu, díky níž je usnadněn transport kationtů přes membránu. Aby se zachovala elektroneutralita celého systému, předpokládá se, že dochází ke zpětné permeaci aniontů na permeátovou stranu membrány. Vzhledem k velikosti jsou chloridy jediné anionty, které mohou snadno procházet membránou a to i proti koncentračnímu gradientu (Cuartas-Uribe, 2006).

Cut-off tlakových membránových procesů

Pervaporace (PV) Separace směsí odpařováním přes porézní membránu - selektivní bariéra mezi dvěma fázemi:  kapalný nátok – vlhká strana membrány bobtnání membr.(atmosférický tlak)  plynný permeát – suchá strana membrány prakticky suchá (nízký tlak par) Princip děje: transport z kapalné fáze do plynné - dochází ke skupenské změně 1. sorpce látky z kapaliny na membránu 2. difúze látky membránou (limitující děj) 3. desorpce a odpaření látky z membrány MEMBRÁNA

ROZTOK

PERMEÁT

Sorpc e

o sp an Tr

PiP CiP

rt

PiF c iF

ze fú di

Vlhká strana

Desorpc e Suchá strana

Hnací síla: mi vyjádřen jako p i

http://chemelab.ucsd.edu/pervap/

Pervaporace (PV) Hnací síla: rozdíl chemických potenciálů vyjádřen pomocí parciálních tlaků, tlak par za membránou je nižší, čímž může dojít k odpaření a následné kondenzaci par. Mechanismus separace: rozdílná rychlost difúze (difuzivita) Pro separaci těkavých látek (hexan, toluen, ethanol) z kapalných směsí (dehydratace organických rozpouštědel), dělení azeotropických směsí), odstraňování nečistot a polutantů, odvodňování organických rozpouštědel, koncentrování roztoků PV Membrány: Kompozitní membrány (aktivní vrstva) Hydrofobní membrány – pro dělení organických solventů (Polysulfon, polydimethylsiloxan, polyamid) Hydrofilní membrány – pro polární prostředí (voda, vodní pára) (sklovité, krystalické polymery hydrofilní povahy)

Uspořádání pervaporačního procesu Moduly - membrány: Kapilární, hollow fibre, deskové, spirálně vinuté, tubulární Snaha minimalizovat piP: 1. Na straně permeátu udržováno vakuum (20 – 30 mbar) 2. Strana permeátu omývána inertním plynem (sweeping gas – čistící plyn, odplavení desorbovaných látek) 3. Snížení teploty na straně permeátu – snížení pi složky (-20 °C, opt. T = 50 °C) R R R ad 1.

ad 2.

vývěva

ad 3. pumpa

F

K kondenzátor

F P

membrána Nátok, l

Permeát, g

K kondenzátor

F

P

P

Vliv teploty Permeátová strana – vlivem latentního výparného tepla dochází k ochlazení Při izotermické separaci (tF = tP) profil toku přes membránu je kratší – zrychlení procesu

Permeace plynů Obdoba pervaporace, ale neporézní membrány a na obou stranách membrány stejná fáze (plyn) Koncentrační gradient je dán odváděním plynu z downstream strany (vhání se nosný plyn, tzv. sweeping gas) Dělení plynů na základě odlišné rychlosti průchodu membránou (sorpce, difúze, sítový efekt, desorpce)

Permeace plynů - membrány Kompozitní struktura Porézní PS (polysulfon) potažen tenkým filmem gumy (PDMS; polydimethylsulfoxan) na makroporézní podložce PDMS – nízká selektivita, vysoká permeabilita PS – obráceně PDMS Makroporézní podložka

PS

Aplikace: Separace CO2, CH4 ze zemního plynu a bioplynu) Odstraňování H2S z přírodních plynů Separace N2 – O2 Sušení plynů (odstranění vody) Odstraňování organických polutantů ze vzduchu

Membránová destilace (MD) Využívá jak destilaci tak membránovou separaci – porézní hydrofobní membrána (propustná pro vodní páry ale nepropustná pro kapalnou vodu) Hnací síla: teplotní a tlakový gradient Princip:  jedna strana membrány: zahřívá se kapalina – odpařuje se, páry procházejí  druhá strana: ochlazení – kondenzace par – odvod kapaliny Na separaci se podílí pouze rovnováha mezi kapalina-pára (membrána nemá vliv): limit – nelze separovat azeotropické směsi (azeotropický bod = shodné složení parné i kapalné fáze) podmínka – membrána nesmí být smočena vodou – zanesení pórů membrány, uplatnění pro nesmáčivé roztoky Permeač. rychlost dána t – vysoké t zvyšuje rychlost a selektivitu

Membrány pro membránovou destilaci  Hydrofobní (nepolární)  Mikroporézní  Materiál: PTFE (polytetrafluorethylen = teflon)

PP (polypropylen)

Aplikace Dělení  Směs EtOH – voda (pouze do 30 - 40 obj. %)  Vodné roztoky solí – odsolení (voda pro topné soustavy)  Odsolení mořské vody

Nevýhody  Nízká selektivita  Omezené možnosti použití

Separační, purifikační a izolační techniky

Recommend Documents