Bez tytułu slajdu

MIKROFILTRACJ

MEMBRANY SYMETRYCZNE
Grubość membrany: 10-150
m

Wielkość porów: 0,05-10 m

Mechanizm separacji:
SITOWY

Zależność strumienia permeatu od
cisnienia opisuje prawo DARCY’ego:

= L



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



P – ciśnienie transmembranowe

MIKROFILTRACJ

Jeżeli natomiast membrana stanowi wiązkę
kapilar  prostopadłą  do  powierzchni
membrany,  strumień  permeatu  można
wyrazić  za  pomocą  zależności  Hagena-
Poiseueilla:

gdzie:  - porowatość membrany,

r - promień porów membrany,
 - lepkość roztworu,

x - grubość membrany



P – ciśnienie transmembranowe











MIKROFILTRACJA

Membrany

mikrofiltracyjne

można

preparować  z  polimerów  organicznych    i
materiałów  nieorganicznych    (ceramika,
metale,  szkło),  stosując  następujące
techniki wytwarzania:

•metoda modelowania i spiekania (ang.:

sintering method),

•metoda rozciągania filmów polimerowych

(ang.: stretching method),

•metoda bombardowania w reaktorze

atomowym filmów polimerowych (ang.
track-etching method),

•metoda inwersji fazowej (ang.: phase

inversion method).

MIKROFILTRACJ

Membrany polimerowe

wytwarza się z

polimerów zarówno hydrofobowych jak
hydrofilowych,

przy

czym

najczęściej

stosuje się następujące substancje:
•polimery hydrofobowe:
          politetrafluoroetylen (teflon, PTFE),
          poli(fluorek winylidenu) (PVDF),
          polipropylen,

•polimery hydrofilowe:
estry celulozy,

poliwęglan,
polisulfon/poli(etero sulfon)
poliimid/poli(etero imid)
alifatyczne poliamidy.

Membrany ceramiczne

preparuje

się głównie z tlenku glinu oraz
dwutlenku

cyrkonu.

Jako

materiały

wytwarzania

membran

nieorganicznych

wymienia się ponadto szkło
(SiO

), metale (pallad, wolfram,

cyrkon, srebro) oraz materiały
spiekane z węgla.

MIKROFILTRACJ

ULTRAFILTRACJA

Zależność strumienia
permeatu

ciśnienia

dla

membran
ultrafiltracyjnych

= L(P)

)

strumień

permeatu,
P - ciśnienie,

C - stężenie,
b

wykładnik

potęgowy równania

ULTRAFILTRACJA

Ultrafiltracja często
służy do

frakcjonowania

frakcjonowania
związków wg mas
cząsteczkowych.

Dlatego do
charakteryzowania
membran UF stosuje się
pojęcie tzw.

granicznej

masy molowej - cut-

off:

najmniejsza masa

molowa substancji

zatrzymywanej przez

membranę przy

określonym

współczynniku

retencji, zwykle 0,9

Graniczna masa molowa

Wspó

łczynnik

retencji

1,0

0,9

0,5

ULTRAFILTRACJA

Membrany: otrzymuje się metodą inwersji

faz;
•surowce:

polimery:

polisulfon,

poliakrylonitryl,

poli(chlorek

winylu),

poli(fluorek winylidenu), pochodne celulozy,

poliamidy
•membrany ceramiczne

Ultrafiltrację stosuje się do:

•oczyszczania
•zatężania

substancji wielkocząsteczkowych i
koloidalnych.

Frakcjonowanie

wg mas

cząsteczkowych

NANOFILTRACJA

Własności separacyjne membran leżą
pomiędzy ultrafiltracją i odwróconą
osmozą.

Własności membran

nanofiltracyjnych

•frakcjonowanie

jonów

różnej

wartościowości;

np..

jedno-

dwuwartościowych

•zatrzymywanie związków organicznych

o masie cząsteczkowej 200-300 Da

Zastosowanie:

zmiękczanie wody.

Mechanizm separacji:

rozpuszczanie i

dyfuzja

NANOFILTRACJA

Porównanie charakterystyki membran

nanofiltracyjnych NF-70 i NF-45 oraz membrany

FT-30 do odwróconej osmozy (FilmTec)

Membrana

Ciśnienie

MPa

Współczynnik retencji

NaCl MgCl

NaNO

MgSO

FT-30

NF-70

NF-45

1.55

0,5

0,9

99,5

97,5

ODWRÓCONA OSMOZA

Separacja

związków

małocząsteczkowych

(sole, związki

organiczne) od

rozpuszczalnika

U podstaw procesu RO leży zjawisko

osmozy

naturalnej

, tzn. samorzutnego

przenikania

roz-puszczalnika

przez

membranę półprzepuszczalną.

P



J eżeli P<

J eżeli P>

membrana

ODWRÓCONA OSMOZA

Schemat osmozy naturalnej i odwróconej osmozy (P -

ciśnienie transmembranowe,  - ciśnienie osmotyczne, J

strumień permeatu)

ODWRÓCONA OSMOZA

Przy

założeniu,

że

substancja

rozpuszczona nie przechodzi przez
membranę

(membrana

doskonała),

zależność strumienia permeatu (J

) od

ciśnienia (P) przedstawia równanie:

= L(P-)

W praktyce jednak część substancji
rozpuszczonej przechodzi przez membranę:

= L(P-)

ODWRÓCONA OSMOZA

Wartość

przepuszczalności membrany

(L)

zależy

rozpuszczalności

substancji

przechodzącej

przez

membranę

oraz

jej

współczynnika

dyfuzji.  Dla  membran  do  odwróconej
osmozy  przyjmuje  ona  wartości  w
zakresie  10

-6

-10

-8

dPa, a więc

mniejsze niż w przypadku ultrafiltracji



jest tzw.

współczynnikiem odbicia

oznaczającym tą część membrany, przez
którą

substancja

rozpuszczona

nie

przenika i charakteryzujący odchylenie
selektywności membrany rzeczywistej od
membrany doskonałej.

= L(P-)

ODWRÓCONA OSMOZA

Strumień masy substancji rozpuszczonej
(J

), przechodzącej przez membranę,

zależy jedynie od różnicy stężeń tej
substancji po obu stronach membrany:

= L

(C

- C

)

gdzie:

przepuszczalność

membrany w odniesieniu do
substancji rozpuszczonej,
C

- stężenie substancji rozpuszczonej w

roztworze zasilającym,
C

- stężenie substancji rozpuszczonej w

permeacie.

ODWRÓCONA OSMOZA

Wprowadzając

równania

opisujące

strumień

permeatu

substancji

rozpuszczonej

równania

współczynnik

retencji,

oraz

uwzględniając zależność:

= J

otrzymujemy równanie:

R =

L P- )

L P- )+ L



(

 



z którego wynika, że współczynnik
retencji

rośnie

wzrostem

ciśnienia.

CIŚNIENIOWE PROCESY

MEMBRANOWE

Siłą

napędową

jest

różnica ciśnień po obu

stronach membrany

Porównanie charakterystyki ciśnieniowych procesów membranowych (M - masa molowa)

Mikrofiltracja

Ultrafiltracja

Nanofiltracja

Odwrócona osmoza

Separacja cząstek

(np. bakterie

wirusy)

Separacja substancji

wielkocząsteczkowych i

koloidalnych, (np. białek)

Separacja jonów dwu- i

więcej wartościowych

oraz związków

organicznych o M>300

Separacja substancji

małocząsteczkowych

(np. sole)

Ciśnienie

osmotyczne -

można pominąć

Ciśnienie osmotyczne -

można pominąć

Ciśnienie osmotyczne -

odgrywa rolę

Wysokie ciśnienie

osmotyczne

(ok. 0,5-2,5 MPa)

Niskie ciśnienie

transmembranowe

(<0,2 MPa)

Niskie ciśnienie

transmembranowe

(0,1-1,0 MPa)

Ciśnienie

transmembranowe

wynosi 0,5-2,0 MPa

Wysokie ciśnienie

transmembranowe

(1,0-6,0 MPa)

Symetryczna

struktura

membran

Asymetryczna struktura

membran

Asymetryczna struktura

membran

Asymetryczna struktura

membran

Grubość warstwy

separującej

10-150 m.

Grubość warstwy

separującej

(naskórkowej)

0,1-1,0 m.

Grubość warstwy

separującej

(naskórkowej)

0,1-1,0 m.

Grubość warstwy

separującej

(naskórkowej)

0,1-1,0 m.

Mechanizm

separacji - sitowy

Mechanizm separacji -

sitowy

Mechanizm separacji

oparty na rozpuszczaniu

i dyfuzji

Mechanizm separacji

oparty na rozpuszczaniu

i dyfuzji

Proces  separacji  gazów  lub  par  prowadzi  się  w
praktyce  stosując  wysokie  ciśnienie  po  stronie
roztworu  zasilającego  lub  obniżone  po  stronie
permeatu

lub

też

obydwa

rozwiązania

równocześnie.
Pary - substancje ulegające kondensacji w temp.
zbliżonej do otoczenia.

SEPARACJA (Permeacja)

GAZÓW I PAR

Należy do ciśnieniowych procesów
membranowych.

pompa

próżniowa

moduł

Retentat (gaz/para)

Permeat (gaz/para)

membrana

kompresor

Roztwór
zasilający
(gaz/para)

SEPARACJA GAZÓW I PAR

Do rozdzielania stosuje się membrany porowate,
nieporowate i mikroporowate.

Transport masy przez membranę może mieć charakter
dyfuzyjny lub konwekcyjny w zależności od rodzaju
zastosowanej membrany.

1. Dyfuzja Knudsena –

membrany porowate

2. Różnica dyfuzji

cząstek o różnej
wielkości – membrany
mikroporowate.

3. Rozpuszczanie –

dyfuzja - membrany
lite (nieporowate)-
najczęściej stosowane

Warstwa naskórkowa
membrany

SEPARACJA GAZÓW I PAR

W przypadku membran nieporowatych

strumień gazu (pary) (J)

przechodzący przez

membranę:

J =

D S (p p

   )

D - współczynnik dyfuzji
S - rozpuszczalność w membranie
x - grubość membrany
p - ciśnienia cząstkowe gazu (pary) po obu stronach
membrany
SELEKTYWNOŚĆ membrany zależy od:
•współczynnika dyfuzji
•rozpuszczalności gazu w membranie
•ciśnień cząstkowych gazu po obu stronach
membrany

Gaz Przenikalność

(Barrer)

Gaz

Przenikalność

(Barrer)

azot

tlen

metan

etanol

280
600
940

3200

45000

168000

chloroform

CCl

1,2-dichloroetan

1,1,1-trichloroetan

trichloroetylen

toluen

284000
200000
248000
247000
614000

1460000

1 Barrer = 10

-10

(war.norm)cmcm

-2

s

-1

(cmHg)

-1

Przenikalność gazów i par przez membrany lite z

polidimetylosiloksanu

 suport wykonany z włókniny,

 mikroporowata warstwa z polisulfonu,

poliwinilidenu lub poliakrylonitrylu,

 warstwa naskórkowa najczęściej z

polidimetylo-siloksanu lub
polimetylooktylosiloksanu, a w niektórych
zastosowaniach - polimetylopentenu



Nowe rodzaje membrany: trójwarstwowa:

SEPARACJA GAZÓW I PAR

Charakterystyczne

parametry

procesu

membranowej separacji gazów i par

•membrana:

kompozytowa

lub

asymetryczna

zawierająca warstwę aktywną z polimeru elastycznego
lub szklistego,

•materiał membranotwórczy: polimery elastyczne:
polidimetylosiloksan,

polimetylopenten;

polimery

szkliste: poliimid, polisulfon,

•grubość membrany: warstwa aktywna 0,1 do kilku
m,

•wielkość porów: membrana nieporowata (lub
porowata <0,1 m),

•siła napędowa: ciśnienie do 10 MPa lub próżnia po
stronie permeatu,

•mechanizm separacji: rozpuszczanie i dyfuzja,

Siłą napędową jest różnica ciśnień cząstkowych
substancji po obu stronach membrany.
Perwaporacja jest techniką separacji szczególną, w
której następuje przemiana fazowa składnika
permeującego ze stanu ciekłego w gazową połączona
z transportem masy przez nieporowatą membranę.

PERWAPORACJA

moduł

retentat

roztwór zasilający

(nadawa) -ciecz

membrana

Permeat (gaz)

W procesie perwaporacji nad
powierzchnią

membrany

przepuszcza się ciecz pod
ciśnieniem

atmosferycznym,

natomiast  po  drugiej  stronie
membrany stosuje się ciśnienie
obniżone  (próżnię)  i  dlatego
permeat  odbierany  jest  w
postaci  pary  (faza  gazowa).
Przez  membranę  przechodzą
substancje  bardziej  lotne  (o
niższej temp. wrzenia).

Schematy prowadzenia procesu

perwaporacji

moduł

retentat

permea

roztwór

zasilający

(nadawa)

membran

pompa

próżniow

kondensator

membrana

retenta

moduł

permeat

roztwór

zasilając

(nadawa

)

kondensa

tor

obojętny

gaz nośny

Stosuje się dwa sposoby prowadzenoia procesu

perwaporacji:

a) Perwaporacja próżniowa
b) Perwaporacja z gazem nośnym

Membrany: nieporowate membrany liofilowe

(hydrofilowe)

Mechanizm transportu:
– selektywna sorpcja substancji w strukturze

polimeru

– dyfuzja przez membranę
– desorpcja substancji w postaci pary po stronie

permeatu

Zastosowanie:
•Usuwanie lotnych związków organicznych z wód

i ścieków np.. THM-y i inne chlorowcopochodne

węglowodorów, fenole, węglowodory).

•Rozdział mieszanin cieczy bliskowrzących

(np..etanol-woda)

•Biotechnologia

PERWAPORACJA

DESTYLACJA

MEMBRANOWA

Jest to proces odparowania przez porowatą liofobową
(hydrofobową) membranę.

Roztwór

zasilający

(nadawa)

Destylat

(permeat)

membrana

Najczęściej

dwie

ciecze lub roztwory o
różnej temperaturze są
rozdzielone membraną
porowatą.

Siłą

napędową

procesu

powodującą transport
masy

jest

różnica

prężności

par,

wynikająca z różnicy
temperatur i składu
roztworów
przymembranowych

DESTYLACJA

MEMBRANOWA

W procesie destylacji membranowej składnik o
wyższej prężności będzie szybciej dyfundował
przez membranę.

Na przykład w wodnych roztworach soli, np.
NaCl, prężność soli można przyjąć za równą zeru,
zatem w fazie gazowej w równowadze występuje
jedynie para wodna.

Dlatego odsalanie w destylacji membranowej
zachodzi

praktycznie

100-procentową

selektywnością i jest niezależne od stężenia w
nadawie.

Proces

destylacji

membranowej

można

powodzeniem  stosować  do  odsalania  wód  i
otrzymywania  wody ultraczystej, gdyż otrzymany
destylat  charakteryzuje  się  bardzo  wysoką
czystością

Mechanizm transportu masy w destylacji

membranowej składa się z trzech etapów:

 parowanie wody na granicy faz nadawa - gaz w

porach membrany,

 dyfuzja cząstek przez membranę,
 kondensacja pary w strumieniu permeatu.
Membrana

stanowi

zatem

jedynie

fizyczną

przegrodę

między

roztworami.

Warunkiem

podstawowym

destylacji

membranowej

jest

zachowanie fazy gazowej w porach membrany, stąd
niezwilżalność membrany ma zasadnicze znaczenie.

DESTYLACJA

MEMBRANOWA

DESTYLACJA

MEMBRANOWA

Najbardziej charakterystyczne parametry procesu

destylacji membranowej:



membrana:

porowata

symetryczna

lub

asymetryczna,

     grubość membrany: 20-100 m,
     wielkość porów: 0,2-1,0 m,
     siła napędowa różnica ciśnień cząstkowych,
      mechanizm  separacji:  równowaga  układu  ciecz-

para,

 materiał

membranotwórczy:

hydrofobowe

membrany:

politetrafluoroetylen,

poli(fluorek

winylidenu) i polipropylen.

MEMBRANY CIEKŁE

Przegroda (w postaci ciekłej) rozdzielająca dwie fazy
ciekłe lub gazowe.

Siłą napędową jest różnica stężeń po obu stronach
membrany.

Rozdział następuje dzięki różnicy rozpuszczalności i
szybkości dyfuzji substancji w membranie ciekłej.

Proces podobny do ekstrakcji.

Rodzaje
membran
ciekłych:

Faza 1
donorowa

Faza 2
akceptorowa

Faza 2

Membrana ciekła

Faza 1
donorow
a

Emulsyjna

Membrana

imobilizowana

w stałej strukturze porowatej

Transport
masy

MEMBRANY CIEKŁE

W membranach ciekłych stosuje się przenośniki.
Jego zadaniem jest związanie jonu lub innej substancji
przenoszonej na drugą stronę membrany w formę
zdolną do łatwej dyfuzji i wchodzący w reakcje
odwracalną.

Mówimy

wtedy

transporcie

ułatwionym lub przenośnikowym.
Często są związki kompleksujące.

(a)

(b)

(c)

Mechanizm transportu w membranach ciekłych (a -
transport dyfuzyjny, b - transport przenośnikowy
jednokierunkowy, c - transport przenośnikowy w
przeciwprądzie)

ELEKTRODIALIZA

wyniku

przepływu

prądu

selektywności

przenoszenia jonów przez membranę zachodzi
zatężanie/rozcieńczanie roztworu soli w co drugiej
komorze elektrodializera.

Membrany anionowymienne (MA) i kationowymienne
(MK) ułożone są na przemian i przedzielone
komorami wypełnionymi elektrolitami.

Roztwór
NaCl

Roztwór
zatężony

Roztwór
rozcieńczony

ELEKTRODIALIZA

Ważnym

wariantem

elektrodializy

jest

zastosowaniu do odsalania wody elektrodializa z
przełączaniem

biegunów

(ang.

electrodialysis

reversal). W tym wariancie okresowo (z reguły co 15-
30

min.)

jest

odwracany

kierunek

prądu

elektrycznego, co zapobiega blokowaniu powierzchni
membran

przez

jony

organiczne

lub

osady

trudnorozpuszczalnych związków. Uzyskuje się w ten
sposób wydłużenie czasu eksploatacji membran i
obniżenie kosztów.

Zastosowanie elektrodializy:

• Odsalanie wód w kierunku produkcji wody do

picia i przemysłowej z wód zasolonych

• Usuwanie azotanów i fluorków z wód

• Odsalanie ścieków przede wszystkim

zawierających metale ciężkie (galwaniczne)

• Odsalanie serwatki i inne zastosowania.

Document Outline