Membránová operace Tlakové membránové technologie Retentát (Koncentrát) Vstupní roztok
Permeát
2
Tlakové membránové procesy
Mikrofiltrace Ultrafiltrace
Nanofiltrace Reverzní osmóza
-hnací silou → rozdíl tlaků na obou stranách membrány - Reverzní osmóza
(1,5-15 MPa)
- Nanofiltrace - Ultrafiltrace - Mikrofiltrace
(0,5-3,5MPa) (100-500kPa) (˂200kPa)
nástřik
nepórovitá membrána ˂1 nm pórovitá 1 – 2 nm pórovitá 2 – 50 nm pórovitá 0,05 – 10 μm
3
permeát
membrána symetrická
koncentrát
permeát
permeát
částice vysokomolekulární rozpustná látka vícemocné ionty jednomocné ionty rozpouštědlo
membrána asymetrická
nástřik
permeát
permeát
koncentrát
nástřik
permeát
1
Řez kompozitní polyamidovou membránou
Příprava membrán
semipermeabilní membrána 0,2 µm
-sintrování -strečování -inverze fází -ozáření-leptání -mezifázová polykondenzace
opěrná vrstva 40 µm zpevňující vrstva 120 µm
7
Reverzní osmóza
Příprava RO membrán-mezifázová polykondenzace
Osmóza a reverzní osmóza ∆p > ∆π
-aplikovaný tlak větší než tlak osmotický → membránou budou určité složky surové vody procházet a určité se budou zakoncentrovávat před ní -tlakově hnaný proces (1,5-15MPa) -dovoluje transport rozpouštědla membránou -rozpuštěné látky a nízkomolekulární složky zachycuje - RO není schopna odstranit plyny - RO odstraní částice do rozměru 0,5 nm -separované složky (voda, ionty solí, výjimečně organické molekuly) se v materiálu membrány nejprve rozpouštějí, membránou potom difundují a z membrány se desorbují do permeátu
∆π c1
c2
c1
osmóza
c2
c1
rovnováha
reverzní osmóza
c1 < c2
9
SDI 15
c2
10
Permeabilita SDI 15 = 1
) ∙ 100/15
-filtr 0,45µm o průměru 47 mm -stanoví se doba (s), za kterou proteče 500 ml vody při tlaku 0,2 MPa na začátku pokusu t0 a po 15 minutách t15 -rozmezí 0-6,67
= permeabilita [m3/ m2 s Pa] = objem permeátu [m3]
-SDI 15 <1 provoz několik let bez foulingu -SDI 15 <3 provoz několik měsíců bez foulingu
= plocha membrány [m2] = čas [s] = tlak [Pa] 11
12
2
Látková bilance
Schéma membránového procesu
vstup
koncentrát retentát
permeát , ,
, ,
= průtok [l/h] = koncentrace [mol/l]
13
∆ ∆
2
∆
Tok vody
2
∆
∆
2
∆ = rozdíl koncentrací [mol/l] ∆ = rozdíl pracovních tlaků [Pa] ∆ = rozdíl osmotických tlaků [Pa]
= tok vody [l/m2h] = koeficient propustnosti pro vodu [m/s Pa] 16
Koeficient propustnosti pro vodu
Tok solí
∆
= Koeficient propustnosti pro vodu [m3/m2s Pa] = koeficient propustnosti [m/s] ∆ = rozdíl koncentrací [mol/l] 17
18
3
Konverze
Retence = míra odstranění látek ze surové vody
1
= retence –bezrozměrná veličina = koncentrace permeátu [mol/l]
= konverze = průtok permeátu [l/h]
= koncentrace vstupu [mol/l]
= průtok vstupu [l/h]
19
Koncentrační faktor
20
Koncentrační faktor
1 1
10 % P 20 % P 30 % P 40 % P 50 % P 60 % P 70 % P 80 % P 90 % P
= koncentrační faktor = konverze
Y = 10/100 = 0,1 Y = 20/100 = 0,2 Y = 30/100 = 0,3 Y = 40/100 = 0,4 Y = 50/100 = 0,5 Y = 60/100 = 0,6 Y = 70/100 = 0,7 Y = 80/100 = 0,8 Y = 90/100 = 0,9
cF = cF = cF = cF = cF = cF = cF = cF = cF =
1/1-0,1 = 1,11 1/1-0,2 = 1,25 1/1-0,3 = 1,43 1/1-0,4 = 1,67 1/1-0,5 = 2 1/1-0,6 = 2,5 1/1-0,7 = 3,3 1/1-0,8 = 5 1/1-0,9 = 10
21
Deskový modul
22
Znázornění toku roztoku v deskovém modulu
permeát
permeát
membrány
membrána nástřik
rozdělovač
retentát
nástřik
membrána
retentát
spacer
nástřik
retentát stop disk
permeát
4
Trubkový modul
retentát
Průřez multikanálovým keramickým modulem kanál (přívod nástřiku) aktivní vrstva membrány
permeát
porézní nosič
nástřik
vnitřní povrch kanálků je tvořen aktivní vrstvou kanálky jsou umístěny v keramickém bloku
membrána
Kapilární moduly
26
Dutá vlákna
permeát
Vstupní proud
retentát
nástřik
Permeát inside-out Retentát
nástřik
permeát
outside-in
retentát
retentát
permeát
retentát
retentát permeát
nástřik
nástřik
nástřik nástřik
nástřik permeát
5
Kombinace RO a ionexové technologie
Řazení elementů do stupňů
R/O
-SO3H
-N+R3
Mix bed
31
Kombinace RO a ionexové technologie
R/O
Kombinace RO a EDI
Mix bed
R/O
EDI
Nanofiltrace
Nanofiltrace
-nízkotlaká reverzní osmóza -membránové změkčování -původně→odstraňování vícevalentních iontů (Ca2+, Mg2+) -oddělování organických látek s nízkou molekulovou hmotností, vícevalentních solí od jednovalentních a molekul rozpouštědla -velikost pórů membrány 1-2nm -pracovní tlak 0,5-3,5 MPa -nejmenší zachycované látky: vícemocné soli -membrány nesou funkční skupiny se záporným nábojem (sulfoskupiny) -intenzita toku permeátu je nepřímo úměrná tloušťce materiálu →nutnost co nejmenší tloušťky aktivní vrstvy membrány (pod 1µm) -vrstva nosiče (50-150µm)
-membrány nesou funkční skupiny se záporným nábojem (sulfoskupiny) -u NF membrán se uplatňuje sítový efekt (molekuly větší než póry membránou nemohou procházet) -částečně efekt rozpouštění v membráně, následovaný difúzí molekul přes membránu a desorpcí na druhé straně membrány a efekty vyplývající z přítomnosti elektrického náboje na polymeru membrány
35
36
6
CH3
Řez kompozitní NF membránou
CH3
semipermeabilní membrána méně než 1µm mikroporézní vrstva 50-150 µm
S
sulfonovaný polysulfon
S
polysulfon
SO3 H
CH3
netkaná textilie
CH3
netkaná textílie
Porovnání retencí při RO a NF Rozpuštěná látka
Reverzní osmóza
Ultrafiltrace -používá se k zachycení makromolekulárních a koloidních látek -separace na základě sítového efektu -čistě porézní membrány, jejichž rejekce je dána poměrem velikosti a tvaru zachycovaných molekul a velikosti pórů -transport částic je přímo úměrný velikosti působícího tlaku -pórovitá membrána 2 (10) nm-50 nm -tloušťka aktivní vrstvy menší než 1 µm -menší velikost pórů a menší porozita UF membrán než MF membrán→vyšší hydrodynamický odpor -většina membrán se vyrábí inverzí fází -membrány se připravují jak z organických polymerů, tak i z anorganických materiálů Al2O3, ZrO2 - aplikace- zkoncentrování roztoků makromolekul, přičemž do permeátu přecházejí nízkomolekulární látky a molekuly rozpouštědla
Nanofiltrace
Jednovalentní ionty (Na+, K+, Cl-, NO3-)
> 98 %
< 50 %
Dvouvalentní ionty Ca2+, Mg2+, SO42-, CO32-)
> 99 %
> 90 %
Bakterie a viry
< 99 %
< 99 %
Mikročástice s Mr >100
> 90 %
> 50 %
Rozpustné látky s Mr< 100
0-99 %
0-50 %
39
40
nástřik
Mikrofiltrace -separace na základě sítového efektu -proces pro dělení suspenzí a disperzí -používá se k zachycení částic, koloidních částic, mikroorganizmů makromolekul bakterií -odstranění částic větších než 0,1µm -membrány se připravují jak z organických polymerů, tak i z anorganických materiálů (keramiky, kovů, skla) - Inverze fází polymerního roztoku, -Strečování polymerního filmu -Ozáření polymerního filmu zářením o vysoké energii následované leptáním ozářených míst -membrány symetrické, asymetrické, kompozitní -pórovitá membrána 50 nm-10µm, tloušťka membrány 10-150µm -nejvýznamnější aplikací je čiření -často zařazována jako stupeň předúpravy před RO, NF a ED -dva typy procesního uspořádání „dead end“ a „cross flow“ 41
Dead -end
permeát
nástřik
retentát
Cross-flow
permeát
7
