Prezentacja programu PowerPoint

Metody zapobiegania foulingowi

i polaryzacji stężeniowej

Projektowanie systemów

membranowych

TECHNICZNE

ASPEKTY PROCESÓW

MEMBRANOWYCH

CZ.II

Metody zapobiegania

foulingowi

i polaryzacji stężeniowej

1. Wstępne

przygotowanie

nadawy

przed wprowadzeniem do modułów
membranowych,

2. Modyfikacja własności membrany,

3. Czyszczenie membrany,

4. Optymalizacja

warunków

prowadzenia

operacji

membranowych.

Wstępne przygotowanie

nadawy

przypadku

procesów

perwaporacji

separacji

gazów

odpowiednie

działanie

powinno  koncentrować  się  na  ochronie
membrany przed zniszczeniem mechanicznym.
Stosuje  się  filtry  wstępne  o  wielkości  oczek  1
m,  w  celu  usunięcia  cząstek  stałych  lub

kolumnę z węglem aktywnym aby usunąć
węglowodory

wyższych

masach

cząsteczkowych.

W przypadku

mikrofiltracji i ultrafiltracji

membranę

należy

chronić

przed

zanieczyszczeniami mechanicznymi, a jeżeli
proces dotyczy substancji spożywczych, nie
należy

dodawać

chemikaliów.

Procesu

mikrofiltracji  czy  ultrafiltracji  białek  oraz
innych  koloidów  nie  prowadzi  się  w  punkcie
izoelektrycznym,  ponieważ  adsorpcja  jest
wówczas największa.

Zakres zależy od rodzaju procesu

membranowego, rodzaju membrany oraz składu

nadawy.

W procesie odsalania

metodą odwróconej

osmozy

sposób wstępnego przygotowania wody

zależy przede wszystkim od jej pochodzenia
(morska, słonawa) oraz zawartości substancji
powodujących

fouling

(zawiesiny,

bakterie,

substancje organiczne). Do typowych metod
wstępnego przygotowania należą:

Wstępne przygotowanie

nadawy



chlorowanie w celu usunięcia bakterii i
mikroorganizmów,



koagulacja w celu usunięcia zawiesiny,



korekta pH w celu niedopuszczenia do wytrącania
związków wapnia, magnezu, baru i strontu,



dodawanie NaHSO

aby usunąć wolny chlor,



adsorpcja na węglu aktywnym,



filtracja wielowarstwowa,



filtracja dokładna (1-5 m).

Modyfikacja własności

membrany

Własności membrany wywierają wpływ na
powinowactwo substancja rozpuszczona -
membrana, co decyduje o wielkości adsorpcji i
foulingu na jej powierzchni i wewnątrz porów.

W przypadku związków, które ulegają silnej
adsorpcji na powierzchniach hydrofobowych,
stosuje się membrany

hydrofilowe

(estry

celulozy, poliamidy alifatyczne).

Chemiczna

modyfikacja

polimerów

hydrofobowych  (np.  sulfonowanie  polisulfonu)
oraz  mieszanie  polimerów  hydrofobowych  z
hydrofilowymi,  pozwala  na  zmniejszenie  foulingu
otrzymanej membrany.

Wstępna obróbka membran hydrofobowych
za

pomocą

związków

powierzchniowo-

czynnych lub enzymów.

1. Własności hydrofilowo-hydrofobowe
membrany

III

Modyfikacja powierzchniowa w celu uzyskania
odpowiednich

własności

hydrofilowych

(plazmowa, chemiczna).

IV.

Chemiczna modyfikacja polimeru

którego otrzymuje się następnie membrany oraz
sposoby

modyfikacji wstępnie uformowanych

membran polimerowych

. Ten drugi sposób polega

głównie  na  selektywnym  wytrawianiu  polimeru  z
mieszaniny uformowanej w postać membrany lub
hydrolizę  grup  funkcyjnych  na  powierzchni
membrany.  W  ten  sposób  można  otrzymać
membrany z poliakrylonitrylu i polisulfonu.

Modyfikacja fizyczno-chemiczna

membrany i materiału

membranotwórczego

Modyfikacja

typowych

membran

ultrafiltracyjnych przez wprowadzenie grup
funkcyjnych

zdolnych

dysocjacji

elektrolitycznej, by w ten sposób zapobiec lub
przynajmniej ograniczyć zjawisko „foulingu”. Ta
grupa membran została nazwana.

Porowate membrany jonowymienne

Modyfikacja własności

membrany

III. P

lazmow

modyfikacj

membran

Nanoszenie warstwy polimeru na powierzchnię
membran, a następnie jej chemiczna modyfikacja
oraz wprowadzenie grup funkcyjnych bezpośrednio
na powierzchnie membrany.

Metoda ta umożliwia zmianę wielkości porów
membrany, a tym samym regulowanie wielkością
porów.

Można

otrzymywać

typowych

wytwarzanych  komercyjnie  membran  UF  całej
gamy  membran  różniących  właściwościami
separacyjnymi,  a  więc  znajdujące  zastosowanie
w  różnych  procesach  membranowych  (np.
ultrafiltracji i nanofiltracji).

Wydaje się, że właśnie w takim działaniu tkwi
przyszłość membran porowatych, tzn. możliwość
wykorzystania ich jako bazy surowcowej do
otrzymywania specyficznych materiałów
membranotwórczych

CZYSZCZENIE

MEMBRAN

Przedstawione powyżej sposoby nie eliminują
całkowicie zjawiska foulingu, konieczne jest więc

czyszczenie membran

po pewnym okresie

ich eksploatacji.

Rozróżnia się cztery metody czyszczenia:

•Hydrauliczne,
•Chemiczne,
•Mechaniczne,
•Fizyczne (elektryczne lub
ultradźwiękami)

Hydrauliczne

czyszczenie membran

Permeat

Roztwór
zasilający

Permeat

Przemywanie
wsteczne

Proces UF, MF lub inny

Najważniejszym

sposobem

hydraulicznej

metody

czyszczenia

membran

jest

przemywanie wsteczne

(ang.:

back-

flushing).

Proces  polega  na  periodycznym  przepuszczaniu
permeatu przez moduł przede wszystkim kapilarny w
kierunku  przeciwnym  niż  w  czasie  normalnej  pracy.
Pozwala  to  na  usunięcie  osadu  z  powierzchni
membrany i jej porów.

Roztwór
zasilający

Przemywanie wsteczne

membran

Czas

Z przemywaniem

wstecznym

Bez przemywania

wstecznego

Zale

ść

strumienia permeatu od czasu, z i

bez przemywania wstecznego membrany



redukcję ciśnienia i przepłukiwanie układu
mieszaniną wody i powietrza,



przepłukiwanie układu wodą lub roztworem w
kierunku przeciwnym do strumienia cieczy w czasie
pracy instalacji,



zmianę

prędkości

liniowej

cieczy

nad

powierzchnią membrany i stosowanie promotorów
burzliwości,



periodyczną redukcję i podnoszenie ciśnienia,



stosowanie

przepływu

pulsacyjnego,

uzyskiwanego

dzięki

stosowaniu

pomp

pulsacyjnych, odpowiedniej sekwencji zaworów lub
pola elektromagnetycznego

Do innych sposobów

hydraulicznego czyszczenia

membran

zalicza się:

Hydrauliczne

czyszczenie membran

 kwasy

(mocne jak kwas fosforowy lub słabe jak

kwas cytrynowy),

 zasady

(NaOH),

 detergenty

(zasadowe i niejonowe),



substancje

kompleksujące

(np. EDTA),



środki

dezynfekujące

(chlor, ditlenek chloru,

NaOCl, nadtlenek wodoru, ozon).

Jest  najskuteczniejszą  metodą  usuwania  skutków
foulingu. Stosuje się szereg chemikaliów, pojedynczo
lub  w  mieszaninie.  Istotnym  ograniczeniem  jest
odporność  chemiczna  membrany;  decyduje  stężenie
środka czyszczącego i czas mycia.

Czyszczenie chemiczne

membran

Jako odczynniki czyszczące stosuje się następujące
klasy związków chemicznych:

CZYSZCZENIE

MEMBRAN

czyszczenia

elektrycznego

wykorzystuje się pulsujący prąd elektryczny,
który wywołuje migrację naładowanych
cząstek osadu lub cząsteczek z
powierzchni

membrany.

Metoda

stosowana  może  być  bez  przerywania  pracy
instalacji,  czyli  w  sposób  ciągły.  Jednak  aby
możliwe  było  wykorzystanie  tej  metody,
wymagane  są  membrany  przewodzące  prąd
elektryczny  oraz  specjalne  konstrukcje
modułów membranowych.

Czyszczenie mechaniczne

jest rzadko

stosowaną metodą, gdyż znajduje jedynie
zastosowanie

rurowych

modułach

membranowych, a polega na usuwaniu
osadu np. za pomocą kulek z tworzywa
piankowego.

ptymalizacja warunków

prowadzenia

operacji

membranowych

Do najważniejszych problemów związanych z
eksploatacją w/w technik membranowych, które
wymagają

rozwiązania

jest

optymalizacja

modelowanie wydajności membran i modułów
membranowych.

Ujemne skutki polaryzacji stężeniowej i „foulingu”
mogą być redukowane poprzez

optymalizację

transportu masy

Zasadniczy wpływ na współczynnik wnikania masy
wywiera

prędkość przepływu roztworu nad

powierzchnią membrany

. Wzrost prędkości

powoduje zatem wzrost transportu masy, a w
konsekwencji

wzrost

strumienia

permeatu.

Współczynnik  wnikania  masy  zależy  także  od
konstrukcji modułu, dlatego ten czynnik również musi
być  brany  pod  uwagę.  Na  przykład,    zmniejszenie
długości  modułu  polepsza  warunki transportu masy.

ptymalizacja warunków

prowadzenia

operacji

membranowych

Drugim parametrem wymagającym optymalizacji i
modelowania jest

siła napędowa

procesu, a więc

ciśnienie transmembranowe, różnica ciśnień
cząstkowych substancji, różnica stężeń, różnica
potencjału elektrycznego i innych.

Na ogół wykorzystuje się podane wcześniej
korelacje:

Elektryczna siła

napędowa

Stężeniowa siła

napędowa

Ciśnieniowa siła

napędowa























– współczynnik dyfuzji składnika i, C

– stężenie

składnika i,


– współczynnik aktywności składnika i, – potencjał

elektryczny,
P – ciśnienie transmembranowe, R – stała gazowa, T –

temperatura,
F – stała Faradaya, Z

– wartościowość jonu składnika i,

V – objętość molowa.

Równanie Nernsta-Plancka (membrany lite)

ptymalizacja warunków

prowadzenia

operacji

membranowych

Dla

membran porowatych

, w których występuje

transport dyfuzyjny i lepkościowy, strumień
składnika (J) można opisać

równaniem Hagena-

Poiseuillea











Zależność strumienia permeatu od ciśnienia
opisuje też

prawo

DARCY’ego:

= L



Dla ultrafiltracji: J

= L(P)

b = 0-1

Dla odwróconej osmozy: J

= L(P-)

L - przepuszczalność membrany - strumień
permeatu w przeliczeniu na jednostkę ciśnienia

 - porowatość membrany, r - promień porów

membrany,
 - lepkość roztworu, l - grubość membrany,  -

krętość porów

J =

D S (p p

   )

D - współczynnik dyfuzji
S - rozpuszczalność w

membranie

x - grubość membrany
p - ciśnienia cząstkowe gazu

(pary) po obu stronach
membrany

P = DS

P-przenikalność

Separacja gazów i par i perwaporacja

Eksploatacja urządzeń przepływowych może się
odbywać przy

stałym ciśnieniu

lub przy

stałym

strumieniu permeatu

. Nie ustalono dotąd, które

rozwiązanie jest bardziej korzystne.
Ze względu na brak konieczności stosowania układów
monitorowania

oraz

urządzeń

kontrolnych

utrzymania  stałego  strumienia  permeatu  bardziej
atrakcyjna  jest  metoda  eksploatacji  pod  stałym
ciśnieniem.
Systemy  o  stałym    strumieniu  permeatu  natomiast
zajmują  niewiele  miejsca,  ponieważ  nie  ma  potrzeby
stosowania  dużych  zbiorników,  koniecznych  do
gromadzenia nierównomiernie produkowanej wody.

PROJEKTOWANIE

SYSTEMÓW

MEMBRANOWYCH

Przy projektowaniu systemu membranowego
należy uwzględnić charakterystykę modułu,
która obejmuje:

• gęstość upakowania,

• koszt inwestycyjny,

• koszty eksploatacyjne

• podatność na fouling, czyszczenie,

• wymianę membran

Moduł

jest

centralną

częścią

instalacji

systemów filtracji membranowej, przy czym
szereg modułów połączonych równolegle lub
szeregowo tworzy tzw. stopień membranowy.

Przepływ
krzyżowy
(cross-flow)

Przepływ

jednokierunkowy

(dead-end)

Sposób prowadzenia procesu

(strumieni) w module

membranowym

Roztwór zasilający

Permeat

Roztwór
zasilający

Retentat

Permeat

Strumień
zasilający
(retentat)
przepływa

prostopadle

powierzchni
membrany

Strumień zasilający (retentat) przepływa

stycznie

powierzchni membrany

Przepływ jednokierunkowy

P

Placek

filtracyjny

Membrana

Ciśnienie

Spadek strumienia permeatu w przepływie
jednokierunkowym

Konsekwencją foulingu w systemie
jednokierunkowym jest ciągłe powiększanie się
placka filtracyjnego na powierzchni membrany, co
powoduje zmniejszenie strumienia permeatu (J

Grubość placka

filtracyjnego

Czas

Strumień permeatu

Przepływ krzyżowy

Warianty układów membranowych pracujących w
systemie krzyżowym:

Roztwór zasilający

Permeat

Retentat

współprąd
owy

Moduły pracujące w systemie przepływów
krzyżowych mogą zapewnić ciągłość prowadzenia
procesu oraz redukować ujemne skutki polaryzacji
stężeniowej i foulingu membran.

Roztwór
zasilający

Permeat

Retentat

przeciwprądow
y

Roztwór
zasilający

Permeat

Retentat

z idealnym
mieszaniem

Roztwór
zasilający

Retentat

typowy
krzyżowy

Permeat

Łączenie szeregowe i

równoległe w

układzie jedno-

lub wielostopniowym

permeat

nadawa

retentat

Łączenie szeregowe

retentat

nadawa

permeat

Łączenie
równoległe

Strumień
zasilający
przepływa
przez wszystkie
moduły

Podział
strumienia
zasilającego

1. Szarżowy (wsadowo-
okresowy)

Zaprojektowanie  przepływów  wewnątrz  i  na
zewnątrz  modułów  jest  jednym  z  najważniejszych
czynników  decydujących  o  osiągnięciu  założonego
stopnia

separacji.

Stosuje

się

układy

jednostopniowe

lub

wielostopniowe

w trzech

głównych rozwiązaniach systemowych.

Sposób prowadzenia procesu

(strumieni) w module

membranowym

zasilający

Roztwór

Permeat

Retentat

Przerabia się porcje
– szarżę nadawy

2. Układ bez recyrkulacji retentatu (nadawy)

3. Układ z recyrkulacją
retentatu (nadawy)

System

ciągły

nadawa

permeat

retentat

nadawa

permeat

retentat

roztwór zasilający
przepływa tylko jeden
raz przez pojedyn-czy
moduł lub zestaw mo-
dułów, więc objętość
roztworu zasilającego
maleje w miarę wzrostu
długości modułu.

nadawa jest sprężana
przez pompę i
przechodzi
kilkukrotnie przez
jeden stopień
zawierający kilka
modułów

Systemy wielostopniowe

Układy
dwustopni
owe

Często

układ

jednostopniowy

nie

przynosi

pożądanych  efektów  odnośnie  jakości  permeatu  i
dlatego  albo  permeat  albo  retentat  musi  być
przerabiany  w  drugim  stopniu.

Kombinacja stopni

nazywa się kaskadą.

Nadawa

Permeat

Retentat

I
stopień

II
stopień

Nadawa

Permeat

Retentat

I
stopień

II
stopień

Dwustopnio
wy przerób
permeatu

Dwustopnio
wy przerób
retentatu

Dwustopniowy system odwróconej

osmozy do oczyszczania odcieków z

wysypisk odpadów

Retentat

II
stopnia

zasilani
e

Retentat

I
stopnia

permea
t

tzw.
system
choinkow
y

I
stopień

II
stopień

System
szeregowy

Systemy wielostopniowe

Nadawa

Permeat

Retentat

Nadawa

Permeat

Retentat

Układy

trójstopniowe

I stopień

II stopień

III stopień

Metoda rozcieńczeń

Diafiltracja

Schemat

procesu

retentat

permeat

Roztwór

zasilający

rozpuszczalnik

dializat

Stosuje się do

oczyszczania związków

wielkocząsteczkowych i

koloidalnych od

związków

małocząsteczkowych

przeprowadzeniu

wstępnego

zatężania,

retentat jest rozcieńczany rozpuszczalnikiem w
ilości koniecznej do uzyskania założonego stopnia
oczyszczenia roztworu

Np.
UF

Metoda rozcieńczeń

Diafiltracja

Diafiltracja ciągła i szarżowa

- początkowa objętość roztworu

- strumień dodawanej wody

- strumień

permeatu

- stężenie substancji mało-

cząsteczkowej w roztworze

- stężenie substancji mało-

cząsteczkowej w permeacie





o
r

exp

Z bilansu masy otrzymujemy
zależność:

Pozwala na obliczenie
ilości wody potrzebnej
do uzyskania
założonego stopnia
czystości

Vo Cr

– objętość dodanej wody

t - czas diafiltracji
R – współczynnik retencji

substancji
małocząsteczkowej

- stężenie substancji
małocząsteczkowej po czasie t i
na początku

Document Outline