:\NáDG

Dyfuzyjne techniki membranowe

Nazwa techniki

Permeacja

gazów GS

Przenikanie

par VP

Perwaporacja

PV

Dializa

dyfuzyjna

Dd

Hemodializa

HD

Dializa Donnana

DD

Typ membrany

Asymetryczna

nieporowaty

naskórek

Asymetryczna

nieporowata

Asymetryczna

nieporowata

)HORZD
jonowa

Polimer

sztywny,

silnie

hydratowany

)HORZDMRQRZD

Mechanizm/podstawa

UR]G]LDáX

Sorpcyjno-

dyfuzyjny

Sorpcyjno-

dyfuzyjny

Sorpcyjno-

dyfuzyjny

Sorpcyjno-

dyfuzyjny

Transport

kapilarny

Interdyfuzja/tran

membranowa

wymiana jonów

Wsp

yáF]\QQLNVHOHNW\ZQRFL





























=

j

i

j

i

j

i

S

S

D

D

,

α

1. Sorpcja gazów w polimerach szklistych i elastomerach prawo

Henry’ego:

p

k

S

H

=

(sorpcja Henry’ego) gdy silne

RGG]LDá\ZDQLHJD]X]PHPEUDQL]RWHUPD/DQJPXLUD

Dla membrany kauczukowej:

Gaz

S [cm

3

cm

-1

cm Hg]

H

2

0.0050

N

2

0.0010

O

2

0.0015

CH

4

0.0035

CO

2

0.0120

0HPEUDQ\SROLPHURZHZVWDQLHHODVW\F]Q\PQSVLOLNRQNDXF]XNXáDWZLDM
WUDQVSRUWF]VWHF]HNGX*\FK

2. Dyfuzja gazów w polimerach szklistych bardzo powolna 100

W\VZROQLHMV]DRGVDPRG\IX]MLZRG\FLOH]DOH*\RGZLHONRFL
F]VWHNG\IXQGXMF\FK

Gaz

UHGQLFDDWRPX>c@

:VSyáF]\QQLNG\IX]ML'

i

[m

2

s

-1

]

He

2.6

5 10

-9

Ne

2.75

1 10

-10

Ar

3.4

1 10

-12

Membrany z polimerów w stanie szklistym bardziej przepuszczalne dla
PDá\FKF]VWHF]HN

p

i

S

i

S

i

p

i

Izoterma Henry’ego

Izoterma Langmuira

I. Permeacja (Separacja) gazów GS

86$ SLHUZV]D LQVWDODFMD SU]HP\VáRZD RG]\VNLZDQLH +

2

z gazów

poreakcyjnych syntezy NH

3

)

Rozdzielane gazy

Zastosowanie

H

2

/CH

4

Wydzielanie wodoru z mieszanin po

katalitycznym reformingu

H

2

/CO

Uzyskiwanie stechiometrycznych

PLHV]DQLQJD]yZGRV\QWH]\]ZL]NyZ
ZJOD

H

2

/N

2

Odzyskiwanie wodoru z gazów po

syntezie NH

3

H

2

/Cl

2

Odzyskiwanie gazów po syntezie HCl

He/N

2

, He/O

2

Odzyskiwanie helu z mieszanin

gazowych

C

x

H

y

/powietrze

8VXZDQLH ]ZL]NyZ ORWQ\FK ]
powietrza

H

2

S/gaz naturalny

Odsiarczanie gazów palnych

H

2

O/powietrze

Osuszanie powietrza

CO

2

/CH

4

Usuwanie CO

2

z gazów naturalnych i

biogazu

Membrany porowate –

G\IX]MD .QXGVHQD UHGQLFH SRUyZ PQLHMV]H QL*

UHGQLD GURJD VZRERGQD F]VWHF]HN JD]yZ Z UXFKDFK WUDQVODF\MQ\FK

ZyZF]DVZVSyáF]\QQLNVHSDUDFML

2

/

1

2

1

2

,

1

~













M

M

α

]Z\NOHEDUG]RPDáHQS

dla O

2

/N

2

α

α = 1.07.

3U]HP\VáRZRZ\NRU]\VWDQRPHPEUDQ\PLNURSRURZDWHZUR]G]LHODQLX

235

U

od

238

8ZSRVWDFLJD]RZ\FKV]HFiofluorków.

Otrzymywanie azotu z powietrza

&]\VWRüD]RWX- 99.99%
Firma

0DWHULDá

6HOHNW\ZQRüα :VSyáF]\QQLN

permeacji kmol/h

m

2

bar

A/G Technology

etyloceluloza

3-4

0.015

Du Pont Medal

poliimid

6-7

0.0058

Permea Monsanto polisulfon

5-6

0.0018

0HPEUDQ\NDSLODUQHPRGXá\VSLUDOQH

W Polsce firmy: Linde Gaz, Gaz-Pol tlen azot, argon i gazy szlachetne
RWU]\PXM]SRZLHWU]DPHWRGVHSDUDFMLPHPEUDQRZHM

Odzyskiwanie helu

:\GRE\FLHURS\QDIWRZHMVLJDPFLQLHQLHQDWHMJáERNRFL03D
*áERNRü>P@

He %

N

2

%

O

2

%

100

90

5

5

200

92.5

5

2.5

300

93.6

5

1.2

RVREDJRG]G]LHQQLHZFLJXPLHVLFD]X*\ZDSRZ\*HMP

3

helu.

0HPEUDQ\SROLHWHURLPLGRZH]DZDUWRüZRG]\VNLZDQ\PJD]LH–99.9 %.

Powietrze

F

N

2

95-99.5%

R

Odzyskiwani

HORWQ\FK]ZL]NyZRUJDQLF]Q\FK]SRZLHWU]D

Z

0HPEUDQ\ SROLVXOIRQX OXE SROLHWHURVXOIRQX ZDUVWZD QRQD L
polidimetylosiloksanu (warstwa aktywna).

, LQVWDODFMD SU]HP\VáRZD Z 0RQDFKLXP Z KXUWRZQL SDOLZ SLHUZV]H
zastosowanie na stacji benzynowej w Lübeck 1993 odzyskiwanie par benzyny w

90 – 95%.

Wzbogacanie powietrza w tlen

Membrana

P

O

2

/PN

2

% O

2

w permeacie

Etyloceluloza

3.4

38

Politlenek fenylenu

4

43

3ROLZJODQ\

6

49

Poliimidy

10

57

Zastosowanie medycyna (40%

SU]HP\VáFKHPLF]Q\LQWHQV\ILNDFMDVSDODQLD

Retentat

Permeat

Pompa

SUy*QLRZD

Zasilanie

K

II. Perwaporacja PV

3U]HPLDQDID]RZD,URG]DMXSRáF]RQD]WUDQVSRUWHPPDV\SU]H]QLHSRURZDW

PHPEUDQOLRILORZ5R]G]LDáQLH]DOH*\RGUyZQRZDJLFLHF]–para.

Warianty PV

•

3HUZDSRUDFMDSUy*QLRZD

• Perwapo

UDFMD]JD]HPQRQ\P

• Perstrakcja –

SHUPHDWUR]FLHF]DQ\RERMWQFLHF]

• Termoperwaporacja –

Z\NUDSODQLH SHUPHDWX Z PRGXOH SU]H]REQL*HQLH

WHPSHUDWXU\WX*SU]\SRZLHU]FKQLPHPEUDQ\

•

&LJáDNROXPQDPHPEUDQRZD–NLONDPRGXáyZSRáczonych szeregowo z
]DVWRVRZDQLHPJD]XQRQHJR

• Perwaporacja regulowana termicznie – po stronie permeatu obecna jest

dodatkowo hydrofobowa, mikroporowata membrana oraz zimna ciecz

Stosowane membrany:

1)

PHPEUDQ\ RERMWQH R FKDUDNWHU]H K\GURILORZ\P
(polialkohol winylowy, poliakryloamid, octan celulozy)

2)

PHPEUDQ\ RERMWQH R FKDUDNWHU]H K\GURIRERZ\P
(polichlorek winylu, polietylen, polipropylen,

polidimetylosiloksan)

C

C

Destylacja

Permeat

Nadawa

Retantat

Ciecz

RERMWQD

3) hydrofilowe membrany jonowymienne

4)

PHPEUDQ\]SROLPHUyZSU]HZRG]F\FK

0HPEUDQ\GR39]DZV]HSF]QLHMSRZLQQRRQRZ\QRVLü–QDVWSXMH
dodatkowo zjawisko plastyfikacji

:VSyáF]\QQLN VHSDUDFML

'

'

"

"

/

/

x

x

x

x

A

B

A

=

α

L ZVSyáF]\QQLN Z]ERJDFHQLD

'

"

A

A

x

x

=

β

, A –

VNáDGQLNSU]HQRV]RQ\SUHIHUHQF\MQLH

"

permeat, ‘ nadawa

Diagram McCabe – Thiel’a
3RUyZQDQLHHIHNW\ZQRFLUR]G]LDáXZSHUZDSRUDFML]UyZQRZDJFLHF]–para.

Zastosowanie PV:

1.

2GZDGQLDQLHFLHNá\FKPLHV]DQLQZRGQR– organicznych

• Rozdzielanie mieszanin azeotropowych typu

woda/EtOH, woda/i-propanol, woda/pirydyna

• Odwadnianie rozpuszczalników organicznych, np.

alkoholi, estrów, ketonów

2.

8VXZDQLHFLHNá\FK]ZL]NyZRUJDQLF]Q\FK]ZRG\

•

8VXZDQLHZJORZRGRUyZLLFKFKORURZFRSRFKRGQ\FK]
wód gruntowych i powierzchniowych

• Dealkoholizacja wina i piwa
•

=DW*DQLHVXEVWDQFML]DSDFKRZ\FK

•

8VXZDQLH SURGXNWyZ RUJDQLF]Q\FK Z SURFHVLH FLJáHM
fermentacji

3.

5R]G]LDá PLHV]DQLQ GZyFK OXE ZLFHM FLHNá\FK ]ZL]NyZ
organicznych

•

5R]G]LDáL]RPHUyZQSNV\OHQyZ

•

5R]G]LDá D]HRWURSyZ QS PHWDQRO – eter metylowo t-
butylowy (MTBE)

Rozdzielenie mieszaniny azeotropowej woda –pirydyna (41.3%

wody)

IV. Dializa

1. Dializa klasyczna

1930 –

SU]HP\VáRZH Z\NRU]\VWDQLH GR RG]\VNLZDQLD áXJX

VRGRZHJRZ]DNáDGDFKSURGukcji sztucznego jedwabiu i odzyskiwania
kwasu po elektrolitycznej rafinacji miedzi (membrany z celulozy i jej

SRFKRGQ\FKWMFHORIDQSHUJDPLQLPSUHJQRZDQDEDZHáQD

2. Dializa dyfuzyjna

Metoda odzyskiwania kwasów z roztworów odpadowych

]DZLHUDMF\FKPLHV]aniny kwasów i soli.

Nadawa

CELOFAN

POLIETYLEN

Woda

Pirydyna

85%

88%

,ORFLRZHZVND(QLNLWUDQVSRUWXZG\IX]ML

C

S

U

W

∆

=

W –

PRORZ\SU]HSá\ZSHUPHDWX>PROV

-1

]

U

–

ZVSyáF]\QQLNGLDOL]\>PV

-1

]

S

– powierzchnia membrany

∆C –

Uy*QLFDVW*HSRREXVWURQDFKPHPEUDQ\

:VSyáF]\QQLNVHSDUDFML:

B

A

B

A

U

U

S

=

,

:VSyáF]\QQLNLGLDOL]\LZVSyáF]\QQLNLVHSDUDFMLPLHV]DQLQNZDVVyO
8NáDG

6W*HQLH
[mol dm

-3

]

Membrana

U

[m s

-1

]

S

kwas/sól

Kwas solny/

Chlorek sodu

0.2

0.2

Neosepta

AFN-7

1.33 10

-6

1.12 10

-7

11.8

Kwas

azotowy(V)/

Azotan(V) sodu

0.78

0.7

Neosepta

AFN-7

3.53 10

-6

1.43 10

-7

24.8

Kwas

siarkowy(VI)/

Siarczan(VI)

miedzi(II)

1.0

0.5

Selemion

7.75 10

-7

1.22 10

-8

63.5

3. Hemodializa HD

1889 B.W. Richardson

RSLVDá GLDOL] NUZL SVD SU]H] EáRQ

NRORGLRQRZ
1913 Abel i wsp. skonstruowal

L,DSDUDWGRGLDOL]\NUZLLZ\ND]DOL*H

]DMHMSRPRFPR*QDXVXQüVDOLF\ODQ\]NUZLSVD
1928 G. Hass

SLHUZV]HKHPRGLDOL]\F]áRZLHNDL]X*\FLHPKHSDU\Q\

w celu usuwania toksyn egzogennych

1944 W. Kolff pierwsza sztuczna nerka

Do przeprowadzenia skutecznego zabiegu hemodializy musimy

G\VSRQRZDü

a)

XU]G]HQLHP QD]\ZDQ\P V]WXF]Q QHUN WM PDV]\Q KHPRGLDOL]DF\MQ
Z\SRVD*RQZ

b) odpowiedni wymiennik masowy, czyli dializator;

c)

OLQLDPLNUZLXPR*OLZLDMF\PLSREyUNUZLRGSDFMHQWDLMHM]ZURWSR

oczyszczeniu;

d)

GRVWSHPQDF]\QLRZ\PXFKRUHJR]DSHZQLDMF\PSRGD*LSU]\MFLH

NUZLZ]DNUHVLHSU]HSá\ZyZRG-300 ml/min;
e)

RGSRZLHGQLRX]GDWQLRQZRGGRSURGXNFMLSá\QXGLDOL]DF\MQHJRRUD]

f)

NRQFHQWUDWHP VW*RQ\P ZLHORHOHNWUROLWRZ\P UR]WZRrem, z którego
PDV]\QDVSRU]G]DUR]WZyUSá\QXGLDOL]DF\MQHJRQLHNWyUHPDV]\Q\
SU]\VWRVRZDQHVGRSURGXNFMLGLDOL]DWXUyZQLH*]HVSURV]NRZDQ\FK
VXEVWDQFMLGRVWDUF]DQ\FKMDNRZNáDG\VXFKH

5\F6FKHPDWXNáDGXNU*HQLDSR]DXVWrojowego (dializatora). A –WWQLF]\

zbiornik wyrównawczy, B – pompa krwi (rolkowa), C- dializator, D-

*\OQ\

zbiornik wyrównawczy, E –

XOWUDG(ZLNRZ\GHWHNWRUSRZLHWU]D)– zamek z

zaciskiem detektora, G – porty z okienkiem do pobierania krwi, H – pompa
infuzyjna heparynowa, I-porty infuzyjne. Zmodyfikowano, na podstawie

i[32]

8NáDGSR]DXVWURMRZ\KHPRGLDOL]\SHGLDWU\F]QHMZUD]]GLDOL]DWRUHPPD

SRMHPQRüRG-150 ml.

3U]\MWRZZLNV]RFLPDV]\QVWDáZDUWRüSU]HSá\ZXGLDOL]DWXWMPOPLQ3U]\MWRZ

ZLNV]RFL PDV]\Q VWDá ZDUWRü SU]HSá\ZX GLDOL]DWX WM POPLQ

7\S\PRGXáyZLPHPEUDQZ+'

Kapilarne (hollow fiber), znacznie rzadziej i tylko w wybranych przypadkach
GLDOL]DWRU\ Sá\WRZH flat plate %áRQ SyáSU]HSXV]F]DOQ VWDQRZL SRchodne
celulozy (kuprofan), regenerowana celuloza, octan celulozy w postaci jedno-,

dwu-

L WUyMRFWDQRZ\FK SRFKRGQ\FK RUD] HVWU\ FHOXOR]\ L EáRQ\

FHOXORV\QWHW\F]QH KHPRIDQ EáRQ\ V\QWHW\F]QH SROLVXOIRQRZH 36
SROLDPLGRZH 3$ L SROLZJORZH 3& EáRQ\ SRZVWDáH PHWRG OLQHDUQHM
addycji –

SROLPHW\OPHWDNU\ORZH 300$ SROLDNU\ORQLWU\ORZH 3$1 .D*GD

EáRQD SRVLDGD VZRMD IL]\F]Q FKDUDNWHU\VW\N – JUXERü RG -60 µ),
ZVSyáF]\QQLNSU]HVLHZDOQRFLVHSDUDFML6LRNUHORQELR]JRGQRü
Klirens dializatora -

REMWRüNUZLRF]\V]F]RQDZMHGQRVWFHF]DVX

6NáDGQDMF]FLHMVWRVRZDQHJRGLDOL]DWXZRGRURZJODQRZHJRLRFWDQRZHJR

Na 125-155 mmol/l
K 0-3 mmol/l
Ca1,25 – 2,0mmo/l
Mg 0,5 – 0,75 mmol/l
Cl100 – 120 mmol/l
octan3-5* mmol/l

ZRGRURZJODQ-35 mmol/l
glukoza0, 4-5 mmol/l
pCO290-100 mm Hg
pH7,1-7,4

ORGRZDW\NDVRFWRZ\MDNRVNáDGQLNNRQFHQWUDWX$MHVW(UyGáHPRFWDQyZUHDJXMF

UyZQRF]HQLH

]MRQDPL+&2WZRU]\UyZQRZD*QHLORFL&2REQL*DMFHJRS+GLDOL]DWX

Stosowane obecnie metody HD

parametr

konwencjonalna

HD

high

efficiency

HD

(HED)

high-flux

HD

(HFD)

PDWHULDáEáRQ\

celuloza

(kuprofan,

hemofan, octan

celulozy) PS,

PMA, PMMA

modyfikowana

FHOXO]DEáRQ\

syntetyczne

syntetyczne

(PS, PMA,
PMMA)

powierzchnia

EáRQ\P

2

)

0,4 - 1,5

1,6 – 2,0

1,6 – 2,0

SU]HSá\Z\ krwi
(ml/min)

50 – 275

300 – 500

400 – 500

uzyskiwane
klirensy
(ml/min)

50 –230

>200

>200

usuwanie
fosforanów

VáDEH

UHGQLH

GRüGREUHDOH
uwarunkowane
wielokompartment

RZG\VWU\EXFM

usuwanie

β-2

mikroglobuliny

nieskuteczne

nieskuteczne

dobre

Uwagi

wymagana ultra-

czysta woda