TECHNIKI MEMBRANOWE

(WYKŁADY C.D. prof. dr hab. inż. K. Prochaska)

Techniki membranowe – techniki separacji, rozdziału.
Wszystko, co nas otacza jest mieszaniną.

Podział:
- separacja gazów
- separacja zawiesin (zawarte w r-rach pyły, bakterie, wirusy, grzyby)
- wydzielanie minerałów ze źródła naturalnego pochodzenia
- separacja układów emulsyjnych.
Mamy różne techniki rozdziałów, ale maja one określony zakres działania.
Inaczej jest w przypadku technik membranowych. Są uniwersalne. Duży zakres stosowalności. Techniki
membranowe: odwrócona osmoza, nanofiltracja, ultrafiltracja, mikrofiltracja. Cząstki są zbudowane z
cząsteczek. W µ m mówimy o cząstkach, dalej o cząsteczkach. Podstawa procesów membranowych to
membrana.

Kryteria podziału:
- wielkość separowanych cząstek

techniki i różnice

zw. separowany

wielkość cząstek

mikrofiltracja

1 -0,1µm (cząstki)

pyły węglowe

dymy papierosowe

pigmenty malarskie

bakterie

1-100µm

0,01-1µm
0,01-6µm

1-3µ m

ultrafiltracja

100-1nm

masa cząsteczkowa separowanych

zw.

1000000-10000

koloidy

proteiny

wirusy

endotoksyny (pyrogeny) albuminy

5-4000nm

20-90nm

4-60 nm
2-80 nm

∼

7nm

techniki dyfuzyjne

reakcje prądowe i termiczne

1 -

∼

2Å

masa cząst.

1000

÷

2

10Å

∼>

1nm

sacharoza

laktoza

glukoza

H

2

O

CH

4

O

2

N

2

H

2

8-20 Å

2,7Å
4,4Å

3,46Å
3,64Å
2,32Å

Klasyfikacja procesów membranowych wg rodzaju siły napędowej wywołującej transport substancji

przez membranę.

Siłą napędową może być:

∗

różnica ciśnienia (membrany porowate)

- mikrofiltracja
- ultrafiltracja
- nanofiltracja
- odwrócona osmoza
- piezodializa

∗

różnica stężeń (aktywności)

- perwaporacja
- separacja gazów
- dializa
- membrany ciekłe
- membrany katalityczne

∗

różnica temperatur
- termoosmoza
- destylacja gazów

∗

różnica potencjału elektrycznego

- elektroliza
- membrany bi i tri polarne
- elektroosmoza

Składniki o różnej temp. różnią się potencjałem chemicznym:

µ

i

= µ

0

+ RTlna

Moduł membranowy – techniczny układ membran pozwalający na zwiększenie wydajności procesu.

Moduły:

∗

membranowe o przekroju kołowym

Membrana jest uformowana w przekroju w kształcie miski, w zależności od ø dzielimy je na moduły:
- rurowe
- kapilarne
- typu hollow-fibers.

Schemat modułu rurowego:
- zasilanie
- permeat
- membrana
- tkanina drenażowa
- rura nośna perforowana
- rura zbiorcza permeatu
- koncentrat

System cross-flow.
Moduł rurowy ma swoje nieprzekraczalne parametry:
- ciśnienie
- gęstość upakowania (stosunek powierzchni membrany do objętości modułu)

Moduły kapilarne:
- ø = 0,5-6mm
- zasilanie wewnątrz rurek samonośne

Zalety:
- większa ρ upakowania
- tańsze wytwarzanie

Wady:
- na ogół laminarny przepływ (gorsza wymiana masy)
- mała odporność na ciśnienie
Jest to membrana asymetryczna – wewnątrz jest warstwa aktywna.

Hollow-fibers (85-100µm)
Na zewnątrz warstwa porowata, wewnątrz cienka powłoka 0,1-1µ m.

Moduł z włóknami

pustymi

Moduł kapilarny

Moduł rurowy

Warstwa aktywna

ø wewnętrzna

ø zewnętrzna

40-500µm
80-800µm

500-6000µm
800-7000µm

6-24mm
7-25mm

Gęstość upakowania

<

1000 m

2

/m

3

<

1000 m

2

/m

3

<

80 m

2

/m

3

Dopuszczalne ciśnienie

robocze

10MPa na zewnątrz

1,5MPa wewnątrz

1MPa wewnątrz

8MPa wewnątrz

Dziedziny zastosowania

RO, GP

UF, GP, PV, MF

RO, UF, MF

Membrany nieorganiczne są bardziej trwałe i mają większą odporność termiczną i chemiczną.
Membrany porowate mają fizyczne otworki. Nie może ona mieć przypadkowej porowatości. Rozkład porów
powinien być powtarzalny.
Membrany nieporowate (lite) – rozdział odbywa się nie na zasadzie efektu sitowego, tylko na drodze
rozpuszczania i dyfuzji.
Membrany jonowymienne – przez anionowymienną przechodzą kationy.

Asymetryczne i symetryczne – membrany kompozytowe. Zróżnicowana struktura wewnętrzna.
Symetryczna – jej wł. nie ulegają zmianie w kierunku

⊥

.

Asymetryczna – w kierunku

⊥

do powierzchni występują zmiany strumienia bądź materiałowe: integralnie

asymetryczna (I) i asymetryczna złożona (II).
Różnice we warstwach górnych I i II.
Asymetryczna – lepsze parametry transportu masy.
(II) – polimer tworzący warstwę aktywną jest drogi, dlatego dolną warstwę można zrobić z innego materiału.
Dolna warstwa – warstwa nośna porowata.
Te 2 warstwy można zgrzać, zastosować klej, procesy te mają wady.
(I) składa się z 1 rodzaju - warstwa górna i dolna.

Budowa membrany kompozytowej:
- warstwa ochronna
- ultra cienka warstwa rozdzielająca
- warstwa nośna
- podłoże polisulfonowe
- włóknina poliestrowa

Technika membranowa musi być:
- wydajna
- selektywna
- uzasadniona ekonomicznie

Moduły płaskie:
- płytowo-rurowy
- spiralny
- poduszkowe

Pracujemy w systemie cross-flow 3 króćce.
- odstępnik
- membrana
- płyta nośna
- membrana
- odstępnik

Zaleta: ramę możemy wyjąć w przypadku zapchania.

Kryteria doboru modułów:
- warunek ekonomiczny, niskie koszty produkcji
- dobry, równomierny dopływ fazy zasilającej na pow. membr.
- stabilność termiczna, chemiczna, mechaniczna
- duża ρ upakowania – stosunek powierzchni czynnej membrany do obj. modułu
- optymalna geometria i sposób prowadzenia strumienia
- możliwość dogodnego czyszczenia
- tanie i wygodne metody wymiany membran
- małe straty ciśnienia

Na potrzeby technologii wybieramy optymalny wariant pracy.
Moduł – techniczny układ membran mający na celu zwiększenie wydajności procesu.
Moduły układamy w pewnej sekwencji w tzw. stopnie membranowe. Mogą mieć one różne konfiguracje:
- stopień szeregowy (szeregowy układ modułów). Faza zasilająca jest kierowana na I stopień.
3 króćce. Na poszczególnych stopniach następuje separacja. Tych modułów może być kilka. Na kolejnych
etapach następuje zatężenie (↑ρ i µ).
Pompy na kolejnych stopniach pracują z większym wydatkiem. Każdy z tych stopni pracuje z inną membraną.
Moduły są wyposażone w membrany z coraz mniejszymi porami (np. ultrafiltracja).
- układ ׀׀ – membrany są takie same, spełniają taką samą rolę.
- o strukturze choinkowej – faza zasilająca na danym stopniu choinki → połączenie 2 powyższych układów
- układ modułów z obiegami recyrkulacyjnymi – rozwiązanie pośrednie (częściowe zasilanie wstępnym
strumieniem zasilającym na każdym stopniu)
- kaskada – stopień modułów 1 po 2-gim

Budowa stopnia membranowego ma wpływ na wydajność i selektywność procesu membranowego.
Mechanizm transportu masy.
Ze wzgl. na membrany nieporowate i porowate – modelowanie (zakładanie warunków procesu).

Transport przez membrany nieporowate.
W membranach gęstych pory jawne nie występują a przepuszczalność penetratna przez membranę zależy od
jego rozpuszczalności w materiale membrany oraz szybkości dyfuzji przez membranę. Przyjmuje się ponadto, że
desorpcja penetratna po stronie odbierającej jest procesem na tyle szybkim, iż nie wpływa na ogólną separację
i transport.

Etap sorpcji i dyfuzji są podobnego rzędu w czasie.
Desorpcja – jest najszybszym etapem.
Suma czasów sorpcji i dyfuzji decyduje o szybkości transportu masy.

Proces transportu masy przez membranę nieporowatą – to proces dyfuzyjno-rozpuszczalnościowy.

Model kanalikowy.
Równania końcowe tych 2 modeli maja taką samą postać.
Różnica tkwi w początkowych założeniach teoretycznych.
Kanaliki są wielkości molekularnej.
W modelu d-r – ciśnienie po obu stronach membrany jest takie samo. Zmianie ulega współczynnik aktywności
stężeniowej.
W modelu kanalikowym:
Zakładamy, że ciśnienie ulega zmianie wewnątrz modułu współczynnik aktywności stężeniowej pozostaje taki
sam.
1 założenie wspólne:
Potencjał chemiczny jest większy po 1 stronie membrany (ten potencjał jest inaczej generowany).
Membrana traktowana jest jako kontinuum. Na granicach faz powierzchnia membrany/nadawa lub permeat
panuje równanie chemiczne w odniesieniu do poj. skł.
Pomija się oddziaływania pomiędzy strumieniami permeujacymi skł.

strumień = stężenie

⋅

ruchliwość

⋅

siła napędowa

·

·

separowany gradient potencjału z matematycznego punktu
komponent widzenia jest (-)/zmiana potencjału chemicznego.

Może wynikać ze zmiany temp., ciśnienia cząst.,
zmiany potencjałów elektrochem.

D = b

⋅

RT

D – współczynnik dyfuzji

·

·

2 składniki mogą charakteryzować się podobną siłą napędową. Gdy otrzymamy różne n, to o wyniku decydują
ck, bk. Parametry te decydują o selektywności procesu (ich iloczyn).
Transport przez membrany porowate (ø pory, grubość membrany H, d k

ap

– parametry te występują w warstwie

naskórka). Dzięki nim możemy obliczyć prędkość liniową:

=

ε

⋅

Strumień przed i za membraną różni się gęstością i lepkością.

a)

Dyfuzyjny transport Knudsena

λ

/d

p

≥

1

ø separowanej cząstki jest mała w stosunku do ø kanałów (swobodnej drogi cząstki – droga, którą
odbywa w kanale cząstka gazu między kolejnymi zderzeniami ze ścianą kanału

λ

).

=

⋅

∆

N

k

– wielkość strumienia

s – grubość membrany (H)

Współczynnik przepuszczalności membrany w dyfuzji Knudsena:

=

⋅

⋅

ε

⋅

!

"

#$%

!

"

#$%

- czynnik zależny od geometrii membrany

T

n

– temperatura membrany

b)

Konwekcyjny transport masy (

λ

/d

p

≤

1)

=

ε

&

'

(

⋅

η

⋅

)

&

⋅

*+,

ε

-

&

⋅

∆

η

- lepkość r-ru

A

k

2

– powierzchnia poj. kapilary

Kk

c

– stała Kozery-Carmana zależna od kształtu i krętości porów

Ruch jest spowodowany odbiciami cząstek 1 od 2-ej.

Polaryzacja stężeniowa.

Polega na zmianie stężenia składników w nadawie prostopadłym do membrany.
Podlega zmniejszeniu wydajności procesu i selektywności transportu masy.

Towarzyszy wszystkim technikom membranowym w różnym stopniu. Jest to zjawisko odwracalne.
rys. – Rautenbach

.

/

0

%

1

2 .

/

0

Na początku składnik mieszaniny jest na zasadzie konwekcji. Strumień =

.

/

· 0

3

. Od stężenia objętości jest

wzrost stężenia do stężenia granicznego przy membranie. Gradient spowoduje dyfuzyjny strumień wsteczny.

Strumień zgodnie z I równaniem dyfuzji Ficka: D

45
46

.

Polaryzacja – rozdział stężeń.
Moduł – stosunek stężenia przymembranowego do stężenia w fazie zasilającej.

.

/

0

%

+ D

45
46

=

.

/

0

.

/

70

%

0

8

2

.

9 2

6

:

9

0

%,

;

<

;

Wartości brzegowe:
x = 0

c = C

m

x =

δ

c = C

n

.

/

=

=

δ

· >

;

, ;

;

?

;

Współczynnik wnikania masy:

k =

=

δ

Ilościowy opis polaryzacji (moduł polar.)

;

;

?

= exp (

@

A

)

I

v

– strumień separowanej masy

Im większa dyfuzyjność tym mniejszy współczynnik polaryzacji.

Proces efektywny – strumień otrzymywania permeatu powinien być duży.

Polaryzacja obniża strumień transp. masy.
Tak jak warstwa polaryzacyjna narasta, następuje ustalenie się stanu równowagi.
W sposób sztuczny możemy zaburzać równowagę, zwiększając szybkość przepływu.
Polaryzację stężeniową można tylko ograniczyć, nie można jej wyeliminować.
Zależność strumienia permeatu i grubości warstwy blokującej pory membrany w przepływie jednokierunkowym
i krzyżowym. (rys)
Zablokowanie powierzchni tworzącym się „plackiem”

I =

BCł %ę4FGH

BIJFśćH·B5łFGCMN Fó JP%NH

↑

lepkość ↓I

Całkowity opór membranowy – opór danej membrany, polaryzacja stężeniowa (zatężonej warstwy przy
powierzchni membrany).
Składmik zaadsorbuje się na powierzchni, gdy jest o budowie hydrofilowo-hydrofobowej (amfilowe).
Surfaktanty należą do takich związków. Surfaktant tworzy micele, które mają uporządkowaną strukturę.

Izoterma adsorpcji Gibbsa:

Γ

= -

;

#$

4

γ

45

γ

- napięcie powierzchniowe

Γ

- stężenie powierzchniowe zaadsorbowanego składnika

By zmniejszyć adsorpcję, trzeba zwiększyć temperaturę. Zmniejsza się lepkość i gęstość.

R

cał

= R

membr

+ R

cp

+ R

c

+ R

ad

+ R

ż

el

R

cp

– warstwy polaryz. stęż.

R

c

– placka filtracyjnego nieprzepuszcz. przez warstwy membrany

R

ż

el

– nie musi się pojawić

Metody oczyszczania warstwy przymembranowej:
- przemywanie wsteczne (odwrócenie kierunku przepływu) back flash
- przemywanie strumieniem wody (hydrostrumieniem)
- stosowanie środków myjących (rozpuszczających osad)

By przeciwstawiać się tworzeniu placka stosujemy odpowiednie warunki hydrodynamiczne:
- przepływ burzliwy (membrana zaopatrzona w ośrodki burzliwości; zawirowywanie)
- przepływ pulsacyjny

- uszeregowanie naprzemienne membran
- zastosowanie modułu (membrana jest w ruchu wirowym)

W procesach membranowych nie ma przemian fazowych.

1.

Destylacja membranowa, w której mamy do czynienia z przemianą fazową. Rozdzielenie ciekłego r-ru
następuje na hydrofobowej, niezwilżanej membranie stanowiącej fizyczną przegrodę pomiędzy fazą
zasilającą a destylatem. Porowatość membrany ok. 0,6-0,7. Fazą zasilającą i odbieranym destylatem jest
faza ciekła. Siłą napędową procesu jest różnica prężności par poszczególnych składników wywołana
różnicą temperatur. Temperatura po stronie fazy zasilającej jest większa niż po stronie destylatu. W
membranie mikroporowatej, niezwilżanej następuje rozdzielenie. Roztwór zasilający płynie po
powierzchni membrany. Na granicy faz membr. – faza zasilająca dochodzi do odparowania składnika o
najwyższej prężności par. prężność NaCl jest równa 0. Sól zostanie zatrzymana na membranie. Przez
pory przechodzi para wodna. Destylatem jest czysta woda.
T

nadawy

>

T

destylatu

odparowanie – endo
kondensacja – egzo
Dla nas dostępny jest gradient temp. przymembranowy.
Moduł polaryzacji temp. charakteryzuje jaka część dostępnej różnicy temp. jest efektywnie
wykorzystana jako siła nośna (napędowa procesu).

τ

=

$

Q

, $

R

$

Q

, $

R

Jeżeli

τ

= 1, to

3

=

+

S

Chcąc ograniczyć negatywny wpływ polaryzacji temp. należy zwiększyć szybkość przepływu fazy
zasilającej i destylatu.
Nie tylko stosujemy przepływ burzliwy, ale także pulsacyjny.
Gdyby membrana była zwilżalna przepłynęłaby przez nią cała solanka. Separacja w destylacji
membranowej zależy od równowagi ciecz-para. Technika destylacji membranowej nie oddzielać
azeotropów. Efektywność naszego procesu zmniejsza transport ciepła. Temperatury przymembranowe
można tylko oszacować.

Q =

T

3

(

3

+

) =

T

=

(

S

-

=

)

Q – ciepło

T

3

- współczynnik wchłaniania masy k

c

α

- współczynnik przewodzenia

∆

T =

+

S

= (

3

=

)(1 + k

c

/

T

3

+ k

c

/

T

=

)

T

1

= T

N

– (

3

=

)

⋅

+ U

V

W

+

(

W X + U

V

W X + U

R

W

T

2

= T

D

– (

3

=

)

⋅

+ U

R

W

+

(

W X + U

V

W X + U

R

W

α

, k

c

– trudne do oznaczenia

Czynniki wpływające na wielkość strumienia separowanej masy:
- temperatura (strumień ↑ wraz ze ↑temp.)
- strumień permeatu maleje, gdy wzrasta stężenie separowanego kwasu (od stężenia zależy prężność
pary). Wraz ze ↑stężenia ↓prężność pary/nie wpływa na stopień zatrzymania soli stopień retencji.
- prężność przepływu nadawy, gdy ↑, strumień permeatu również ↑.
- porowatość membrany

Zastosowanie destylacji membranowej:
- zatężanie r-rów soli i kwasów (efektywne do pewnej granicy, która wynika z prężności pary w danej
mieszaninie)
- odsalanie wody (woda ultra czysta); 3-5 µs
- otrzymywanie koncentratu pierw. ziem rzadkich z fosfogipsu (regeneracja H2SO4 stosowanego do
ekstrakcji lantanowców z fosfogipsu)
- zatężanie HNO

3

2.

Perwaporacja – alternatywna metoda separacji, metoda wymienna. Droga techniczna. Zachodzi
przemiana gazowa 1 rodzaju połączona z transportem masy przez nieporowatą membranę. Faza
rozdzielana jest bezpośrednio. Kontrolowany z 1 pow. membrany i składnika permeatu ulegają
odparowaniu w membranie i po 2 stronie membrany zazwyczaj odprowadzane są do próżni lub oboj.
gazu nośnego. PV jest techniką, w której siłą napędową jest różnica potencjałów chemicznych
składników po obu stronach membrany. Selektywność rozdziału PV wynika z różnic w
rozpuszczalności składnika w membranie oraz z różnicy szybkości dyfuzji poszczególnych składników
w materiale membrany.
Rozdział w PV nie zależy od równowagi ciecz-para. Nie ma kontaktu cieczy z parą.
Może być stosowana do separacji azeotropowych mieszanin i cieczy niskowrzącej.
Rautenbach – warianty perwaporacji.
Membrana nieporowata.
Mechanizm: rozpuszczalnościowo-dyfuzyjny; o selektywności decyduje szybkość dyfuzji.
Membrany trekowe powstają przez bombardowanie folii polimerowej przez ciężkie jony. Powstaje
bardzo powtarzalna struktura.
Zastosowanie:
- oczyszczanie wód odpadowych z pierwiastków radioaktywnych
- igły nasadkowe są w nie wyposażone

Układ membranowy to:
- faza zasilająca
- membrana
- faza odbierająca

Każdy system membranowy może pracować w wariantach:

1)

cross-flow

2)

dead end flow (powstają dodatkowe opory transportu)

Sposób prowadzenia separacji membranowej nie pozostaje bez znaczenia na opory transportu
masy.

Miarą wydajności procesu membranowego jest wielkość strumienia separowanej masy (

m, V) [kg/m

2

h]

Masa separowana na jednostkę powierzchni membranyna jednostkę czasu.

\ = [

]

& ·^

]

Selektywność: zawartość separowanego składnika w fazie odbieranej do zawartości tego składnika w fazie
zasilającej.
Strumienie mogą być określone za pomocą ułamków molowych lub wagowych.

_

C`



x

=

N

a

N

b

W

6

a

6

b

W

Stopień zatrzymania – ułamek wagowy składnika w fazie zasilającej pomniejszona o składnik w fazie
odbieranej, do fazy zasilającej.
Analogia do stopnia przemiany.
Retencja decyduje o przydatności danej membrany do realizowania operacji.

C

=

c

ad

, c

ae

c

ad

= 1 -

c

ae

c

ad

Wysokie koszty instalacji.
O efektywności procesu decyduje jakość membrany, szybkość permeującego składnika.

Zastosowanie:
- odwadnianie mieszanin azeotropowych
Azeotrop – taka sama prężność par.
- odwadnianie rozpuszczalników org. (mówimy o niskoprocentowej zawartości związków)
- usuwanie zw. org. z wody
Perwaporacja wolna jest od polaryzacji stężeniowej. Jedyne źródło oporu to membrana.
- stosowana w układach hybrydowych (PV bierze udział w szeroko rozumianej syntezie chemicznej)
Możemy zwiększyć wydajność i efektywność procesów stosując moduł perwaporacyjny (przesuwamy kierunek
reakcji).

Metoda hybrydowa – połączenie 2 metod (PV i destylacki)
- estryfikacja
R’COOH + H-OR ↔ R’COOR +H

2

O

- acetylizacja
R’CHO + 2HO-R ↔ R’CH(OR)

2

+ H

2

O

- katalizacja
R’R’’CO + 2HO-R ↔ R’R’’C(OR)

2

+ H

2

O

membrana hydrofilowa

- dealkoholizacja piwa

Emisja typowych zanieczyszczeń do powietrza.

Separacja gazów jest techniką stężeniową. Siłą napędową procesu jest różnica stężeń po obu stronach
membrany. Ciśnienie fazy zasilającej jest wyższe. Gaz jest permeowany po stronie niższego ciśnienia (to nie jest
siła). Stosujemy membrany mikroporowate, częściej nieporowate. Procesy separacji gazów dotyczą również
separacji par zw. org. (gazy nierzeczywiste). Procesy przebiegają w wysokiej temperaturze i wysokich
wartościach ciśnieniowych. Gaz rzeczywisty występuje w postaci gazowej w warunkach normalnych.

Przemysłowe zastosowanie techniki separacji membranowej gazów:
- wydzielanie wodoru z mieszanin po katalitycznym reformingu
- uzyskiwanie stechiometrycznych mieszanin gazów do syntez zw. węgla -C-C-
- odzyskiwanie wodoru z gazów po syntezie amoniaku
- odzyskiwanie gazów po syntezie HCl
- usuwanie CO

2

z gazów naturalnych i z biogazu

- wzbogacanie powietrza w tlen
- uzyskiwanie czystego azotu
- odzyskiwanie helu z mieszanin gazowych
- osuszanie powietrza
- usuwanie zw. lotnych z powietrza: stacje paliw, przemysł chemiczny
- odsiarczanie gazów palnych
- usuwanie gazów powodujących korozję

Literatura:
Rautenbach: Procesy membranowe
Gawroński: Procesy oczyszczania cieczy
Bodzek: Techniki membranowe w OŚ\
Seucki: Podstawy projektowania wybranych procesów rozdzielania mieszanin

2 fazy rozdzielone 3 fazą – membraną. Jest ona w stanie stałym, ciekłym lub gazowym; rozdziela 2 inne fazy,
działa, jako pasywna lub aktywna w selektywnym transporcie masy. Jedna z faz jest fazą zasilającą (nadawa).
Permeacja – proces przejścia substancji przez membranę. Substancja po przejściu przez membranę to permeat.
Strumień zasilający rozdzielany jest na 2:
- permeat
- retentat (koncentrat); jest to część, która nie ulega permeacji.
Techniki obejmują szeroki zakres filtrowanych cząstek od nm do

µ

m 10

-6

– można separować cząstki o takich

wielkościach. Wiąże się to z masą cząsteczkową.
Schemat można podzielić na 2:
- technologia wyjściowa
- technologia czyszcząca.
Membrany polimeryczne – syntezowanie przez człowieka.
Tab.
Emulsje, zawiesiny, roztwory rzeczywiste można rozdzielać membranami. Techniki dyfuzyjne wykorzystywana
jest efektywność, ładunek, wielkość potencjału chemicznego. Techniki separacji sitowej:
- ultra
- mikro.
Inne kryteria selektywnego transportu przez membranę:
- różnica ciśnień – siła sprawcza; różne i między warstwami
- różnica stężeń
- różnica temperatur
- różnica potencjału elektrycznego.
Schemat ogólny procesu membranowego
Strumień = ilość kg w jednostce czasu/jednostka powierzchni [kg/m

2

h]

Skład strumienia wyrażony w ułamkach molowych, wagowych
Wydajność m

całk

– strumień separowanej masy

Selektywność – miara
Stosunek parametru wyjściowego do wejściowego wyrażony w ułamkach molowych.
Stopień retencji (zatrzymania) R
Chartakt.: str. zasilający – permeat/strumień zasilający
Membrany muszą być dostosowane do danego procesu.
Membrany asymetryczne: właściwości zmieniają się w

⊥

kierunku do jej powierzchni.

Może być:
- integralna asymetryczna – z 1 typu materiału ale struktura polimeru jest zróżnicowana
- asymetryczna złożona: warstwa aktywna i nośna porowata złożone są z różnych polimerów.
Membrany jonowe, w sieci polimeru zostają wtłoczone jony (im mobilizowane). Nadają membranie charakter
jonowy (oddziałuje ona na zasadzie oddziaływań elektrostatycznych).
2 grupy:
- moduły o przekroju kołowym
a) rurowe – charakter kołowy, membrana w postaci rury jest mechanicznie wzmocniona, do środka
wprowadzamy fazę zasilającą, ciśnienie do 8 atmosfer
b) kapilarne – membrana w kształcie rurki, ale o mniejszych wymiarach, ciśnienie do 1,5 atmosfery. Rurka ma
kapilary (w. nośna) w swej budowie. R-r kierujemy do wnętrza, permeat zbierany jest z krućca rurki.
c) włókno wydrążone – maleńkie wymiary włókien 42

µ

m. powierzchnia wymiany rośnie.

Dwie opcje pracy:
A warstwa aktywna na zewnątrz, w. nośna w środku. Zasilanie z zewnątrz.
B warstwa separacyjna w środku, nośna ją otacza. Zasilanie wewnątrz modułu.
C warstwa aktywna na zewnątrz, zasilanie w środku.
- moduły płaskie
Moduł – techniczny układ membran. Moduł rurowy możemy … od położenia ciśnienia. Z pustymi włóknami w
zależności od położenia warstwy aktywnej.
RO – odwrócona osmoza
PV – perwaporacja.

Płaskie

a)

moduły: płytowy, płytowo-ciśnieniowy; membrany ułożone 1 na 2. Powierzchnia wymiany rośnie,
pracujemy w systemie cross-flow

b)

spiralny: zwinięty w spiralę, objętość modułu się kurczy. Duża powierzchnia w jednostce objętości.
Między membranami przekładki dystansujące.

3 krućce:

- doprowadzający (zasilanie)
- koncentrat (odbiór)
- permeat (odbiór)

c)

poduszkowy; membrana ukształtowana jest w kształcie poduszek, są one na krawędzi szczepiania.
Moduł ten pozwala na bardzo wysokie ciśnienie pracy 20 Atm.

Wzdłuż pracy modułów następuje zatężanie. Najkorzystniejszy moduł spiralny płytowy – w zależności od ilości
płyt, ciśnienie najwyższe przy poduszkowym.
Stopnie membranowe – kilka razem pracujących modułów. Kaskady są tworzone przez stopnie membranowe.
Połączenia mogą być realizowane na kilka sposobów:
- ukł. szeregowy – r-r zasilający kierowany jest na I moduł membranowy, rozdział permeatu i koncentratu; dalej
koncentrat jest rozdzielany na permeat i koncentrat.
- ukł. równoległy – pompowanie na 3 jednostki modułowe, rozkład na permeat i koncentrat, są zbierane.
W ukł. równoległym moduły mogą być identyczne.
W szeregowym: poszczególne moduły będą się charakteryzowały gęstszymi membranami lub warunki są
bardziej drastyczne.
- układ modułów o strukturze choinkowej: połączenie A i B
- układ modułów z obiegami recyrkulacji w ramach jednego bloku. Część koncentratu jest zawracana aby
zwiększyć wydajność pracy.
Membrany trekowe – powstają w wyniku bombardowania folii polimerowej strumieniem ciężkich jonów. Folia
polietylenotertftalowa 8-15

µ

m. taka folia jest naświetlana wiązką ciężkich jonów. W folii powstają treki po

przejściu elektronu. Można osiągnąć folię o bardzo regularnym rozkładzie – regularne kanaliki.
Stosowane są w przerobie odcieków przemysłu jądrowego; 10

2

-10

5

porów/cm

2

.

Membrany PIM – polimeryczne membrany inkluzyjne.
Maja w swojej strukturze im mobilizowane cząsteczki do transportu niektórych składników.
PIM tworzone są na bazie trój octanu celulozy w chlorometanie. Wylewamy to na powierzchnię i czekamy, aż
dichlorometan odparuje.
Mechanizm transportu masy w membranie.
Morfologia membrany jest odpowiedzialna za transport. Modelowanie transportu masy musi być
podporządkowane:
- prawo zachowania masy, substancji, energii i pędu.
Transport masy w membranach nieporowatych – na zasadzie sorpcji i dyfuzji, model rozpuszczalnościowo-
dyfuzyjny, dalej desorpcja z powierzchni membrany: szybkość desorpcji jest bardzo duża w stosunku do sorpcji
i dyfuzji.
Zmiana potencjału wywołanie:
- ciśnienie
- temperatura
- stężenie.
Pore-flow model – przez kapilary w przypadku modelu rozp.-dyf. stałe ciśnienie w membranie
- struktura zasilająca, potencjał chemiczny zmienia się ze stężeniem
- kapilarny – stężenie jest stałe w materiale membran. Zmiana potencjału wywołana jest gradientem ciśnienia.
Membrana porowata traktowana jest jako kontinuum.
D = bRT