LABORATORIUM
TECHNIKI MEMBRANOWE
Wydział Inżynierii Procesowej
i Ochrony Środowiska PA

PROCESY MEMBRANOWE
Ćwiczenie nr 1
Odwrócona osmoza
Spis treści
1.Cel ćwiczenia.
2.Wprowadzenie.
3.Aparatura.
4.Metoda pomiaru.
5.Opracowanie wyników.
6.Wnioski
1.Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest wykorzystanie procesu odwróconej osmozy do
odsalania wody.
2. Wprowadzenie.
Odwróconą osmozę stosuje się do separacji związków (soli
nieorganicznych, małocząsteczkowych związków organicznych) od
rozpuszczalnika. Konieczne jest stosowanie wyższych ciśnień
transmembranowych (rzędu 2-10 MPa) niż w przypadku pozostałych
procesów membranowych, ponieważ związki małocząsteczkowe
charakteryzują się wyższymi ciśnieniami osmotycznymi.
U podstaw procesu odwróconej osmozy leży zjawisko osmozy
naturalnej, polegającej na samorzutnym przenikaniu rozpuszczalnika przez
membranę półprzepuszczalną. Jeżeli membrana oddziela dwa roztwory o
różnych stężeniach, następuje przepływ rozpuszczalnika w kierunku
roztworu o wyższym stężeniu. Ciśnienie zewnętrzne równoważące
przepływy osmotyczny zwane jest ciśnieniem osmotycznym,
charakterystycznym dla danego roztworu. Jeżeli po stronie roztworu o
wyższym stężeniu wytworzy się ciśnienie hydrostatyczne przewyższające
ciśnienie osmotyczne, rozpuszczalnik będzie przenikał z roztworu bardziej
stężonego do rozcieńczonego, a więc w kierunku odwrotnym niż w procesie
osmozy naturalnej. W wyborze membran do procesu odwróconej osmozy
decydującą rolę odgrywa powinowactwo rozpuszczalnika (wody) do
materiału membrany, natomiast znacznie mniejszą rolę wielkość jej porów
(około 2 nm), ponieważ mechanizm separacji ma charakter rozpuszczania i
dyfuzji.
W procesie odwróconej osmozy stosuje się membrany asymetryczne
zbudowane z jednego polimeru lub kompozytowe.
Grubość warstwy aktywnej wynosi 0,l �m , przy czym o
przepuszczalności hydraulicznej decyduje wyłącznie warstwa aktywna.
Membrany niekompozytowe preparuje się metodą inwersji fazowej
z polimerów o własnościach hydrofilowych. Stosuje się przede wszystkim
octany celulozy, które jednak łatwo ulegają hydrolizie w środowisku o
niskim i wysokim pH oraz są mało odporne termicznie i mikrobiologicznie.
Membrany wykonane z poliamidów aromatycznych są bardziej wytrzymałe
na pH środowiska, są mało odporne na obecność wolnego chloru,
charakteryzują się również niską rozpuszczalnością dla wody.
Obecnie coraz częściej w procesie odwróconej osmozy stosuje się
membrany kompozytowe, w których warstwa aktywna i suport są zbudowane
z różnych polimerów. Suport jest typową membraną ultrafiltracyjną,
natomiast warstwa aktywna jest zbudowana z takich polimerów, jak:
polibenzimidazol, polibenzimidazolan, poliamidohydrazyna i poliamidy.
Odwrócona osmoza stosowana jest głównie do:
- otrzymywania wody pitnej w procesie odsalania wody morskiej
- uzdatniania wody w przemyśle elektronicznym i farmaceutycznym
- oczyszczanie ścieków miejskich i przemysłowych
"P
Jv
Woda
Woda
zasolona czysta
Osmoza
odwrócona
Osmoza "  "P
naturalna
(B)
(A)
Jv
"  > " P - osmoza
"  < " P  odwrócona osmoza
Rys. 1. Schemat osmozy naturalnej i odwróconej.
Jv  strumień permeatu,
" P  ciśnienie transmembranowe,
"
"
"
" 
" 
"   ciśnienie osmotyczne,
" 
A  roztwór o stężeniu c1
B  roztwór o stężeniu c2 ( c1 > c2 )
>
>
>
3. Aparatura.
NADAWA
RETENTAT
P1
P2
PERMEAT
Rys. 2. Schemat aparatury do procesu odwróconej osmozy.
1 - zbiornik zasilający; 2  pompa zasilająca; 3, 4, 5  zawory; 6 - moduł
membranowy umieszczony w prasie hydraulicznej; 7  pompka pomocnicza;
P1, P2 - manometry
Rys. 3. Moduł typu  Osmonics .
1 - górna płyta modułu; 2 - wypływ permeatu; 3 - druciana siatka;
4 - membrana; 5 - plastykowa siatka; 6 - uszczelka gumowa; 7 - dolna płyta
modułu; 8 - dopływ roztworu; 9 - zawór;10 - manometr; 11 - wypływ
retentatu
4. Metoda pomiaru.
1. Przygotować wyjściowy roztwór badany (np. wodny roztwór NaCl) o
stężeniu podanym przez prowadzącego.
2. Wyznaczyć przewodnictwo roztworu nadawy na mikrokomputerze
ELMETROW CX-742 (2 mS/cm 1g NaCl/dm3)
3. Założyć wybraną membranę do modułu a następnie moduł umieścić w
prasie hydraulicznej.
4. Przewody zasilające umieścić w zbiorniku z nadawą.
4. Prowadzić badania w stałej temperaturze zmieniając ciśnienie
transmembranowe w granicach podanych przez prowadzącego. Mierzyć
czas wypływu określonej objętości V permeatu (np. 10 cm3 ) .
5. Wyznaczyć przewodnictwo otrzymanych roztworów (permeatu) zi.
5. Opracowanie wyników.
1) Obliczyć stężenie badanego roztworu w permeacie ci.
S
zi �"
kg kg
�ł łł
m
ci = �"1
S
m3 �łm3 śł
�ł �ł
0,2 �"
m
2) Obliczyć strumień permeatu Jvi.
�ł łł
V m3
Jvi =
�łm śł
2
ti �" A �" s
�ł �ł
V = 1* 10-6 m3
A = 0,014 m2
3) Opór całkowity Rci.
� = 9,007 �"10-4 Pa �" s - lepkość płynu
"P1
Rci = [m-1]
Jvi �"�
4) Stopień zatrzymania R.
kg
�ł łł
c0= - roztwór wyjściowy
3
�łm śł
�ł �ł
�ł łł
ci
R = �"100
�ł1- śł
c0
�ł �ł
5) Wykonać wykresy Jv = f ("P), Rci=f("P), R=f("P) .
6) Wyniki zestawić w tabeli:
Lp Ciśnienie t zi ci Jvi Rc R
3 3
transmembranowe [S/m] [kg/m ] [m
[s] /m2s] [1/m]
[%]
[Pa]
1
2
3
4
5
6.Wnioski
7. Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać:
cel ćwiczenia
krótki wstęp teoretyczny
schemat aparatury i sposób wykonania pomiarów
tabele pomiarowe
opisowe opracowania wyników i przykładowe obliczenia
 wykresy
wnioski.
8. Literatura
" M. Bodzek, J. Bochdziewicz, K. Konieczny:Techniki Membranowe
w Ochronie Środowiska , Wydawnictwo Politechniki Śląskiej,
Gliwice 1997;
" R. Rautenbach:  Procesy membranowe , WNT Warszawa 1996.
Wydział Inżynierii Procesowej
i Ochrony Środowiska PA

PROCESY MEMBRANOWE
Ćwiczenie nr 2
Membrany ciekłe
Spis treści
1.Cel ćwiczenia.
2.Wprowadzenie.
3.Aparatura.
4.Metoda pomiaru.
5.Opracowanie wyników.
6.Wnioski.
7.Literatura
1.Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest zbadanie zdolności transportowych i
separacyjnych wybranej membrany grubowarstwowej.
2.Wprowadzenie.
Jako membranę ciekłą (LM) rozumie się fazę ciekłą rozdzielającą układ
ciecz-ciecz lub ciecz-gaz i nie mieszającą się z rozdzielanymi fazami.
Membranę ciekłą należy tak dobrać, aby posiadała ona selektywną zdolność
do transportu w membranie jednych składników w stosunku do innych.
Membrany ciekłe dzielimy, ze względu na różne techniki wytwarzania
i postać, na:
- membrany ciekłe grubowarstwowe (bulk liquid membrane - BLM)
- unieruchomione membrany ciekłe (supported liquid membrane - SLM)
- emulsyjne membrany ciekłe (emulsion liquid membrane - ELM)
Rys. 1. Schemat ideowy membran ciekłych: a) z membraną grubowarstwową,
b) z membraną unieruchomioną, c) w układzie emulsyjnym
- Membrany grubowarstwowe.
Typową membranę grubowarstwową stanowi ciecz organiczna (np.
rozpuszczalnik) oddzielająca roztwory wodne stanowiące fazy: donorową i
akceptorową.
Membrana grubowarstwowa ma znaczenie głównie w badaniach
laboratoryjnych mających na celu dobranie membrany, przenośnika oraz
określenie podstawowych wielkości określających wymianę masy.
Jako pierwsze z tej grupy membran opisane były naczynka Schulmana
(rys. 2.a) charakteryzujące się płaską przegrodą, która oddziela fazę
akceptorową od donorowej. Następnie stosowano różnego rodzaju naczynka
(rys. 2.), podobne do pierwowzoru Schulmana w kształcie U-rurki oraz z
cylindrycznymi przegrodami .
Faza membranowa jest zazwyczaj intensywnie mieszana tak aby
droga dyfuzji ograniczała się do dwóch warstw granicznych. Nie eliminuje to
jednak znacznej retencji transportowanej substancji w fazie membrany, ze
względu na jej objętość. Pojawia się tu problem stabilności LM, która zależy
głównie od wzajemnej rozpuszczalności składników fazy organicznej i obu
faz wodnych, a także od odpowiedniego, nie nadmiernie intensywnego,
mieszania całego układu. Warunki mieszania dobiera się tak, aby
powierzchnia granicy faz była stała w czasie przebiegu procesu.
D A D A M M
D A
D A D D A
M M M
a ) b ) c ) d ) e )
Rys. 2. Układy membranowe z membraną grubowarstwową o gęstości:
a, b, c) większej od faz wodnych, d, e) mniejszej od faz wodnych.
D - faza donorowa, M - faza membranowa, A - faza akceptorowa
Unieruchomiona membrana ciekła (immobilizowana membrana ciekła)
to faza membranowa w porach (0,01-1 �m) cienkiego (10-200 �m) podłoża
polimerowego (polipropylen, teflon, poliamid, polipropylenu, polisulfonu,
octanu celulozy) o porowatości 35-65% objętości (rys.3). SLM spotykane są
w różnych wariantach:
- płaskie arkusze tworzywa sztucznego (rys. 4.a)
- włókna kapilarne lub kanalikowe (rys. 4.b)
- arkusze zwijane (rys 4.c)
D A
polimer
membrana
ciekła
100 �m
Rys. 3. Schemat unieruchomionych membran ciekłych
W przypadku SLM uzyskuje się zmniejszenie objętości fazy organicznej
LM w stosunku do objętości roztworów zewnętrznych. Pozwala to na
zastosowanie niewielkich ilości, zazwyczaj drogich, selektywnie działających
przenośników. Bardzo ważny jest także wybór podłoża, który uwarunkowany
jest odpornością na korozję w środowisku organicznym oraz musi posiadać
wystarczająco dużą i niezmienną w czasie porowatość. Mikroporowata folia
winna być odporna na działanie silnych kwasów, zasad i rozpuszczalników
organicznych, jak również zachowywać niezmienne warunki w czasie
długotrwałej pracy.
A
D
D A
DA
D
A
A
D
Rys.4. Układy membranowe z unieruchomionymi membranami ciekłymi:
a) płaskie arkusze, b) włókna wydrążone, c) arkusze zwijane
Główną wadą tego typu membran jest niewystarczające stabilność, czyli
wymywanie się membrany z porów podłoża oraz korozja polimeru. To w
rezultacie powoduje bezpośredni kontakt między fazą akceptorową
i donorową.
Emulsyjna membrana ciekła
Najprostszym sposobem zwiększania szybkości dyfuzji przez membranę
jest zwiększenie powierzchni styku membrana roztwory i zmniejszenie drogi
dyfuzji. Wniosek ten doprowadził do opracowania i opatentowania przez Li
w 1968 roku ELM oraz ich odmiany membran powierzchniowo czynnych.
Metoda otrzymywania ELM przedstawiona jest na rys.5. Głównymi
operacjami w procesie emulsyjnych membran ciekłych jest kolejno:
tworzenie emulsji i jej dyspergowanie w roztworze zasilającym, transport
membranowy separowanej substancji, oddzielanie emulsji, a następnie jej
rozwarstwianie na fazę organiczną oraz roztwór odbierający, zawierający
zatężoną substancję. Budowa ELM odpowiada podwójnej emulsji
woda/olej/woda lub możliwy jest także układ olej/woda/olej (membrana
powierzchniowo czynna, SALM - surfactant liquid membranes).
FAZA
ROZTWÓR
WEWN
TRZNA
OCZYSZCZANY
EMULSYFIKACJA
PERMEACJA
ROZDZIELACZ ODSTOJNIK
ODZYSKANA SUBST.
ROZTWÓR
faza wewnętrzna
OCZYSZCZANY
Rys.5. Diagram procesu odzyskiwania żądanej substancji za pomocą ELM
Uzyskanie emulsji o wystarczającej trwałości wymaga obecności dobrze
dobranego środka powierzchniowo czynnego, zwanego emulgatorem.
Tabela 1. Charakterystyka porównawcza membran ciekłych .
AM/VM VD/VM JVM
Rodzaj membrany Budowa
m2�m-3 m-3�m-3 mol�m-3h-1
grubowarstwowe
- 0,1 - 1 0,2 - 10 0,6
(BLM)
unieruchomiona moduł płaski 10 - 100 100 - 1000 5
(SLM) moduł spiralny 100 - 1000 100 - 1000 5
moduł kapilarny 1000 - 10000 2000 - 10000 5
emulsyjna
- 1000 - 3000 - 10 - 200
(ELM)
ROZTWÓR
ROZDZIELANY
AM/VM - stosunek powierzchni membrany do jej objętości,
VD/VM - stosunek objętości roztworu zasilającego do objętości fazy
membranowej
JVM - strumień w przeliczeniu na objętość fazy membranowej
3. Aparatura.
Zestaw laboratoryjny do odzyskiwania wybranego składnika z roztworu
wodnego np. fenolu za pomocą membran ciekłych składa się z następujących
elementów :
- dwie zlewki po 500 cm3
- węże łączące
- pompa perystaltyczna typ PP 1 B - OSA
- dwa mieszadła magnetyczne typu MM6 firmy Polamed
 4 3
M 1 3
M
2
M
D
A
Rys 6. Instalacja do przeprowadzenia procesów za pomocą BLM
1 -zlewka w której przebiega proces ekstrakcji, 2 - zlewka w której przebiega
proces reekstrakcji, 3 - pompa perystaltyczna, 4 - przewody propylenowe,
D - roztwór zasilający, M - membrana ciekła, A - roztwór odbierający
4. Metoda pomiaru.
Membranę ciekłą stanowi ciecz organiczna np. nafta. Składnikiem
transportowanym jest np. fenol, który z roztworu donorowego, poprzez
membranę przechodzi do roztworu akceptorowego .
Aby przeprowadzić ćwiczenie należy przygotować wodny roztwór
fenolu (zlewka nr.1) o podanym przez prowadzącego stężeniu, oraz NaOH o
stężeniu 0.1 mol/dm3 (zlewka nr.2). Pomiary polegają na pobieraniu próbki,
w ilości 1 cm3, z roztworu donorowego i roztworu akceptorowego. Pobrane
próbki zakwasza się kwasem solnym w ilości 2 cm3 oraz rozcieńcza się wodą
destylowaną do objętości 100 cm3 .
Dla tak przygotowanej próbki określa się absorbancję, a tym samym
stężenie fenolu. Korzystając z uprzednio wykonanej krzywej wzorcowej A =
f(c) określa się stężenie fenolu.
5.Opracowanie wyników.
Wyniki pomiarów zestawić w tabeli.
Czas Roztwór donorowy Roztwór akceptorowy
t [min]
absorbancja stężenie fenolu absorbancja stężenie
[g/dm3] fenolu [g/dm3]
0
10
20
30
......
Narysować wykresy c = f (�) dla roztworu donorowego i akceptorowego.
Na podstawie wykresu m2 =f(�), dla fazy donorowej, obliczyć strumień
substancji usuwanej
m2 g
tgą = J = [ ]
m
� *Vm min* dm3
m2 = m10  m1
m10 =Vr * c0
m1 = cd* Vr,
gdzie:
Jm  strumień substancji usuwanej [g/ min*dm3],
c0  stężenie wyjściowe roztworu fenolu,
Vr - objętość roztworu, Vr= 0,2 dm3
cd - stężenie fazy donorowej,
Vm - objętość membrany, Vm= 0,1 dm3
6. Wnioski.
Ocenić jak zmieniają się stężenia roztworów oraz wskazać gdzie
mógłby znalez
ć zastosowanie ten proces.
7. Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać:
cel ćwiczenia
krótki wstęp teoretyczny
schemat aparatury i sposób wykonania pomiarów
tabele pomiarowe
opisowe opracowania wyników i przykładowe obliczenia
wykresy
wnioski.
8. Literatura.
Schlosser S., Kossaczky E.: J. Radioanal. Nucl. Chem., 1986, 101, 115
Schlosser S.: Advances in Membrane Phenomena and Processes, ESMST
Summer School, Gdańsk, 1988, 178Visser H.C., Reinhoudt D.N., Jong
F.: Chem. Soc. Rev., 1994, 23, 75
Danesi P. R.: Sep. Sci. Technol., 1984, 19, 857
Gęga J., Walkowiak W.: Wiadomości chemiczne, 1993, 47, 83
Eyal A. M., Bressler E.: Biotechnol. Bioeng., 1993, 41
Narębska A.: Membrany i membranowe techniki rozdziału, UMK, 1997,
359-411
Szpakowska M., Nagy O.: J. Membrane Sci., 1997, l29, 251
Wydział Inżynierii Procesowej
i Ochrony Środowiska PA

PROCESY MEMBRANOWE
Ćwiczenie nr.3
Pomiar wielkości porów membran
metodą Laplace a Younga.
Spis treści
1.Cel ćwiczenia.
2.Wprowadzenie.
3.Aparatura.
4.Metoda pomiaru.
5.Opracowanie wyników.
6.Wnioski.
7.Literatura.
1.Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest doświadczalne wyznaczenie wielkości porów
membrany i na tej podstawie określenie do jakich procesów membranowych
można ją stosować.
2.Wprowadzenie.
Siłą napędową podstawowych procesów membranowych tj. mikro-
,ultra-nanofiltracji oraz odwróconej osmozy jest różnica ciśnień. Różnica
ciśnień wykorzystywana jest również przy separacji gazów i perwaporacji.
Dla danego procesu membranowego bardzo ważny jest dobór
odpowiedniej membrany  jej właściwości i struktura. Poniżej podano typy
membran stosowane w poszczególnych procesach membranowych oraz ich
podstawowy parametr strukturalny  średni rozmiar porów.
Proces Rodzaj membrany Promień Mechanizm
membranowy porów transportu
Mikrofiltracja symetryczne sitowy
0,05-10[�m]
Ultrafiltracja asymetryczne i symetryczne sitowy, dyfuz.
1-100 [nm]
Odwrócona osmoza asymetryczne dyfuzyjny
<2,0 [nm]
Separacja gazów homogeniczne nieporowate
i porowate rozpuszczanie
<0,1 [�m]
Perwaporacja nieporowate i dyfuzja
------
Bodzek i in., 1997
Rozmiar porów można określać:
f& przez bezpośrednią obserwację pod mikroskopem elektronowym
f& z równania Hagena  Poiseuille a
f& metodą bubble-point (tworzenie pierwszego pęcherzyka)
f& metodą izoterm sorpcji
f& testowanie przechodzenia rozpuszczonej substancji wzorcowej, czyli
określenie tzw. cut-off.
Mikroskopia elektronowa jest bezpośrednią metodą pozwalającą uzyskać
statystyczny rozkład porów. Polega ona na analizie obrazu przekroju
membrany uzyskanego za pomocą mikroskopu elektronowego.
Model Hagena-Poisseuille a zakłada, że membrana stanowi wiązkę
równoległych kapilar o przekroju kołowym, prostopadłym do powierzchni
membrany. W oparciu o pomiar strumienia permeatu wody oraz porowatość
membran można obliczyć średni wymiar porów z równania :
4
n �"Ą �" d �" "P
p
Jh =
128�"� �" "x �"�
gdzie:
Jh  strumień permeatu, [m3/m2s]
n - ilość otwierających się porów na 1 m2 membrany
�- �lepkość, [Pa s]
"x - grubość membrany, [m]
dp  promień porów, [m]
� - krętość porów(dla cylindrycznych = 1)
"P  różnica ciśnień po obu stronach membrany, [Pa]
Jest sprawą dyskusyjną, czy w równaniu Hagena  Poiseuille a jako
(d) wstawiać grubość warstwy naskórkowej, czy rzeczywistą grubość
wyznaczoną np. zdjęć przekrojów poprzecznych, czy też grubość wylanego
filmu.
Rozbieżności między wartością rzeczywistego promienia porów a
obliczonego teoretycznie wynikają między innymi z tego, że:
" równanie Hagena - Poiseuille'a zakłada, że wszystkie pory są kanałami
o stałej średnicy,
" nie można obliczyć liczby porów zamkniętych,
" mniejsze pory mogą być bardziej kręte,
" nie brany jest pod uwagę wpływ chemicznej natury membrany.
Metoda bubble-point, czyli tworzenia pierwszego pęcherzyka jest
metoda używana najczęściej (A. Narębska, 1986; W. Kujawski, A. Narębska,
P. Adamczak,1989).
 Opiera się na założeniu cylindrycznego kształtu porów i ich
prostopadłego położenia w stosunku do powierzchni membrany. Polega ona
na pomiarze ciśnienia gazu koniecznego do otwarcia porów w membranie.
W metodzie tej membranę całkowicie nasącza się cieczą, dla której
napięcie powierzchniowe i kąt zwilżania są znane. Po całkowitym
wypełnieniu porów w membranie ciecz jest wypychana, aż do momentu
ukazania się pierwszych pęcherzyków. Jest to wartość minimalnego ciśnienia
przy którym otwierają, się największe pory. Kontynuując proces można na
podstawie ilości otrzymywanego gazu pod danym ciśnieniem określić
odpowiadający jemu procentowy udział porów, a tym samym wyznaczyć
krzywą Gaussa rozkładu porów.
Opis matematyczny w tej metodzie opiera się o dwa podstawowe
równania:
- równanie Hagena - Poissuille a
- równanie Laplace a  Younga
Równanie Laplace a - Younga, kóre podaje zależność pomiędzy ciśnieniem
i promieniem otwieranych porów:
4�"� �"cos�
"Pi =
dpi
gdzie:
dpi  średnice porów, które otwierają się w przedziale ciśnień "Pi, [nm]
� - kąd zwilżania, [deg]
� - napięcie powierzchniowe, [N/m]
Metoda bubble-point zwana jest też metodą Laplace a Younga .
 Metoda izoterm sorpcji, za pomocą której prowadzi się badanie
struktury membran (M.Bodzek,1986) jest interesująca z uwagi na to, że
umożliwia wyznaczenie podstawowych parametrów strukturalnych takich jak
" powierzchnia całkowita membrany
" całkowita objętość porów
" rozkład wielkości porów
" dominujący promień porów
" oraz określenie zależności między strukturą porowatą membrany i jej
własnościami transportowymi
Istota pomiaru polega na wprowadzeniu do przestrzeni pomiarowej
porcji azotu i pomiarze zaadsorbowanej ilości oraz prężności pary. Po
ustaleniu się równowagi wprowadza się kolejne porcje azotu, aż do
osiągnięcia ciśnienia równego prężności pary nasyconej. Następnie
przeprowadza się proces desorpcji. Jako wynik otrzymuje się izotermy
adsorpcji i desorpcji obrazujące zależność zaadsorbowanej ilości azotu od
wartości ciśnienia względnego.
 Test szans czyli określenie przepuszczalności granicznej ( cut-off)
jest praktyczną metodą oceniania zdolności rozdzielczej membrany.
W metodzie tej wyznacza się przepuszczalność substancji wzorcowych
najczęściej białek i dekstranów o określonych masach molowych w
kontrolowanych warunkach i wyznacza się współczynnik retencji.
Przepuszczalność graniczną określa się jako najmniejszą masę molową
substancji ulegającą retencji w 90%. Na podstawie określenia współczynnika
retencji substancji wzorcowych w ściśle zdefiniowanych warunkach, trudno
jednak przewidzieć zachowanie się membran w warunkach rzeczywistych.
Na retencję mają wpływ zarówno wymiary cząstek stosowanych do
testowania jak i ich kształt oraz powinowactwo do materiału membrany.
Poza tym wyniki uzależnione są od stężenia substancji badanej, prędkości
przepływu itd.
3. Aparatura.
1
2
3
4
5
Rys.1. Schemat aparatury.
1- odpływ powietrza
2- naczynko pomiarowe
3- siatka podporowa
4- membrana
5- dopływ sprężonego powietrza
4. Metoda pomiaru.
Membranę umieszczamy na dnie naczynka pomiarowego (2) i nakładamy
siatkę podporową (3) w celu zabezpieczenia przed uszkodzeniami
mechanicznymi. Następnie naczynko uzupełniamy wodą destylowaną, po
czym doprowadzamy sprężone powietrze. Zwiększamy ciśnienie, aż do
pojawienia się pierwszych pęcherzyków powietrza. Pozwoli to na
wyznaczenie minimalnego ciśnienia potrzebnego do otworzenia się
największych porów w membranie.
5.Opracowanie wyników.
" wyznaczyć zależność między ciśnieniem i promieniem otwieranych
porów z równania Laplace a-Younga :
4 �"� �" cos�
"Pi = [Pa]
d
pi
" przyjąć podany kąt zwilżania �
" średnią średnicę porów obliczyć ze wzoru :
4 �"� �" cos�
dpi = [�m]
"P
Wyniki zestawić w tabeli.
Rodzaj membrany
P [ Pa]
d [�m]
6.Wnioski.
Przedstawić wnioski dotyczące zastosowania membran.
7. Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać:
cel ćwiczenia
krótki wstęp teoretyczny
schemat aparatury i sposób wykonania pomiarów
tabele pomiarowe
opisowe opracowania wyników i przykładowe obliczenia
wykresy
wnioski.
8.Literatura.
- Narębska A.:  Metoda i zestaw do automatycznego pomiaru porowatości
membran mikro- i ultra filtracyjnych , CPBP, Toruń, 1986
- Kujawski W.: Adamczak P., Narębska A.  A Fully Automated System
for the determination of pore size distribution in microfiltration and
ultrafiltration membranes, Separation Science and Technology, 24, 495-
506,1989
- Bodzek M., Bohdziewicz J.: Raport CPBP 04.11, Doskonalenie procesów
biotechnologicznych, Gliwice, 1986
Wydział Inżynierii Procesowej
i Ochrony Środowiska PA

PROCESY MEMBRANOWE
Ćwiczenie 4
Ultrafiltracja
Spis treści:
1. Cel ćwiczenia
2. Wprowadzenie
3. Aparatura
4. Metodyka pomiaru
5. Opracowanie wyników
6. Wnioski
7. Sprawozdanie
8. Literatura
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie z metoda ultrafiltracji poprzez
określenie własności transportowych wybranej membrany w procesie filtracji
wody oraz roztworu dekstranu.
2. Wprowadzenie
Ultrafiltracja, obok mikrofiltracji oraz odwróconej osmozy, należy do
procesów membranowych, w których siłą napędową jest różnica ciśnień po
obu stronach membrany. Pod wpływem przyłożonego ciśnienia
rozpuszczalnik oraz niskocząsteczkowe substancje rozpuszczone przechodzą
przez membranę podczas gdy cząsteczki o większej masie są przez nią
zatrzymywane (sitowy mechanizm separacji). Przyjmuje się, że promień
porów membran uważanych za ultrafiltracyjne zawiera się w przedziale 1 
100 nm.
W procesie ultrafiltracji stosuje się membrany asymetryczne
charakteryzujące się niejednolitą strukturą w przekroju poprzecznym.
Asymetryczne membrany mikroporowate zbudowane są z matrycy (o
grubości 50 - 200 �m), posiadającej strukturę porowatą o jednakowej lub
zróżnicowanej wielkości porów oraz warstwy naskórkowej (o grubości 0,1 
0,5 �m), która decyduje o własnościach membrany. Mała grubość warstwy
naskórkowej umożliwia uzyskanie wysokiej przepuszczalności hydraulicznej,
natomiast jej porowatość świadczy o selektywności membrany.
Większość membran ultrafiltracyjnych stosowanych na skalę
przemysłową jest preparowana z polimerów (np. polisulfonu,
poliakrylonitrylu, pochodnych celulozy, poliamidów) metodą inwersji faz
często modyfikowanych chemicznie lub fizycznie. Ponadto stosuje się
kompozytowe membrany ceramiczne składające się z ceramicznej warstwy
podporowej i warstwy aktywnej posiadającej własności separacyjne.
Ultrafiltrację stosuje się przede wszystkim do usuwania, zatężania,
oczyszczania substancji wielkocząsteczkowych i koloidalnych, takich jak np.
enzymy, białka, antybiotyki, wirusy, związki powierzchniowo czynne,
aglomeraty metali, oleje oraz inne związki. Obszar zastosowań ultrafiltracji
jest bardzo szeroki. Biorąc pod uwagę ochronę środowiska proces
ultrafiltracji stosuje się zarówno w technologii przy jej uzdatnianiu i
otrzymywaniu wody ultraczystej jak i oczyszczaniu ścieków z przemysłu
włókienniczego, spożywczego, celulozowo-papierniczego, odcieków z
wysypisk śmieci czy przy odzyskiwaniu metali ze ścieków.
Ultrafiltracja służy często do frakcjonowania związków
wielkocząsteczkowych według ich mas molowych. Dlatego do
charakteryzowania membran ultrafiltracyjnych stosuje się tzw. graniczną
masę molową (ang. cut-off), która określa najmniejszą masą molową
substancji zatrzymywanej przez membranę przy określonym współczynniku
retencji. Związki tradycyjnie używane do wyznaczania cut-off to dekstrany,
białka i glikole polietylenowe.
Podsumowując, można zestawić najbardziej charakterystyczne parametry
procesu ultrafiltracji:
1. rodzaj membrany porowata-asymetryczna
2. grubość membrany
ok. 150 �m
3. wielkość porów membrany 1  50 (100) nm
4. ciśnienie transmembranowe 0,1  1,0 MPa
5. mechanizm separacji sitowy, dyfuzyjny
6. materiał membranotwórczy polimerowy, ceramiczny
3. Schemat aparatury.
Na rysunku 1 przedstawiony został schemat stanowiska do
prowadzenia procesu ultrafiltracji. Zasadniczym elementem instalacji jest
zbiornik cylindryczny (1) o pojemności l dm3, wykonany ze stali
kwasoodpornej, posiadający dno (la), zaopatrzone w króciec wylotowy (6)
odprowadzający przefiltrowany roztwór (permeat). W dnie o średnicy 10 cm
znajduje się przegroda porowata, na której umieszcza się siatkę, bibułę
filtracyjną oraz membranę (2). W celu uszczelnienia zbiornika ponad
membranę zakłada się płaską, gumową uszczelkę. Dno łączy się z pozostałą
częścią zbiornika za pomocą 8 śrub M16.
Zbiornik (1) zaopatrzony jest w mieszadło łopatkowe (4) napędzane
za pomocą silnika (3). Szybkość obrotów mieszadła można zmieniać
pokrętłem regulacji obrotów. Śruba (5) umieszczona na górze zbiornika
głównego spełnia rolę zaworu odpowietrzającego.
W górnej części aparatu znajduje się otwór służący do napełniania
zbiornika roztworem nadawy lub po skończonym procesie usuwania
roztworu zatężonego znad membrany.
Siłą napędową procesu ultrafiltracji jest różnica ciśnień nad i pod
membraną. Uzyskuje się ją doprowadzając od góry zbiornika (1) sprężone
powietrze. Kulowy zawór (z1) odcina dopływ powietrza od rurociągu do
pozostałej części instalacji. Natomiast grzybkowy zawór (z2) spełnia rolę
reduktora ciśnienia w zbiorniku wyrównawczym (7). Zbiornik ten połączony
jest zaworem (z1) wężem PCV (w oplocie) o średnicy wewnętrznej 12 mm.
Powietrze ze zbiornika (7) przepływa kolejno przez dwa mniejsze
zbiorniki wyrównawcze (8, 9) pozwalające na dokładną stabilizację ciśnienia,
skąd kierowane jest za pomocą węża gumowego do zbiornika głównego (1).
Zbiorniki 8 i 9 spełniają również rolę odolejaczy ponieważ sprężone
powietrze może nieść ze sobą krople oleju porywane w wyniku przepływu.
Rys. 1. Schemat aparatury do prowadzenia procesu ultrafiltracji.
I - zbiornik główny, la - dno zbiornika głównego, Ib - siatka podtrzymująca
membranę, 2 - membrana ultrafiltracyjna, 3 - mieszalnik laboratoryjny,
3a - uchwyt mieszadła, 4 - mieszadło łopatkowe, S - śruba odpowietrzająca,
6 - króciec odprowadzający permeat, 7- zbiornik wyrównawczy,
8, 9- odolejacze, 10 - manometr, 11 - rurociąg doprowadzający sprężone
powietrze, 12 - cylinder pomiarowy, zl - zawór kulowy, z2 - zawór
grzybkowy
4. Metodyka pomiaru
Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy rozkręcić śruby
mocujące dno zbiornika głównego. Wybraną membranę o powierzchni
czynnej A umieszcza się w dnie zbiornika (la) na metalowej siatce
podtrzymującej membranę (1b) oraz krążku bibuły, uszczelnia gumową
uszczelką, po czym cały zbiornik dokładnie skręca.
Po wykręceniu śruby (5) zbiornik (1) należy napełnić nadawą (ok.
500 ml) i ponownie wkręcić śrubę. Kiedy zawór (z2) jest zamknięty można
otworzyć zawór (zl) odcinający dostęp sprężonego powietrza do aparatury
doświadczalnej. Następnie za pomocą zaworu (z2) nastawia się wartość
ciśnienia, przy którym będzie wykonywany pomiar. Po włączeniu mieszadła
trzeba odczekać na odpowietrzenie układu i ustabilizowanie się strumienia
roztworu przepływającego przez membranę.
Ćwiczenie realizowane jest w dwu etapach:
1. nadawą jest woda  badamy hydrodynamiczne właściwości
membrany,
2. nadawą jest roztwór dekstranu  pomiar główny.
Ad. 1.
Właściwy pomiar prowadzony jest przy zmiennym ciśnieniu
transmembranowym i polega na zmierzeniu wydajności permeatu. W
zależności od rodzaju membrany badania przebiegu charakterystyk
transportowych prowadzone są w przedziałach ciśnienia 0-0.5 MPa lub 0-1
MPa przy skoku 0.05- 0.1 MPa. Pomiar może być zrealizowany na dwa
sposoby:
" dokonując pomiaru objętości przefiltrowanego roztworu w założonym
przedziale czasu (np. 1 min.)
" mierząc stoperem czas napełniania się permeatem danej objętości
cylindra (np.10 cm3 ).
Po zakończeniu pomiarów opróżnić zbiornik główny.
Ad. 2.
Przed przystąpieniem do pomiarów przygotować roztwór dekstranu
o stężeniu podanym przez asystenta i wprowadzić go do zbiornika głównego.
Ustawić zadaną przez asystenta stałą wartość ciśnienia transmembranowego
przy którym będzie prowadzony proces ultrafiltracji. Pomiar polega na
zaobserwowaniu zmian strumienia permeatu w całym czasie trwania procesu.
W trakcie analizy należy pobierać próbki permeatu w celu zbadania ich
stężenia.
Stężenie to wyznacza się przy udziale zestawu do enzymatycznego
oznaczania cukrów mierząc absorbancję w spektrofotometrze przy  = 500
nm oraz korzystając z krzywej kalibracyjnej Abs=f(c). Masa cząsteczkowa
dekstranu używanego do badań będzie podana przez prowadzącego.
5.Opracowanie wyników.
Dane membrany:
- typ:
- średnica d =
- obliczona powierzchnia A =
Wyniki pomiarów czasu (t) oraz objętości permeatu (V) dla wody i roztworu
dekstranu oraz obliczone na ich podstawie wielkości należy umieścić
w odpowiednich tabelach.
5.1. Obliczenia dla wody
Lp. ti Vi JVi
"Pi
[MPa] [s] [cm3]
�ł łł
m3
�ł śł
2
�łm h �ł
5.1.1. W oparciu o uzyskane wyniki pomiarów obliczyć strumień permeatu
wody (Jvi) ze wzoru (1):
�ł łł
Vi m3
JV = (1)
śł
i
A ti �łm2h
�ł �ł
Vi  objętość próbki permeatu [m3]
A  powierzchnia membrany [m2]
ti  czas pobierania próbki permeatu [h]
5.1.2. Sporządzić wykres JV = f("P)
5.1.3.Obliczyć opór hydrauliczny membrany (Rm) ze wzoru (2) oraz
wykresu zależności JV = f("P) poprzez uprzednie wyznaczenie stałej
przepuszczalności membrany (ą) przy użyciu metody najmniejszych
kwadratów (3).
"P
JV = = ą "P (2)
i
� Rmi
� - lepkość wody [Pa s]
n
"Pi
"JVi
i=1
ą = (3)
n
2
""Pi
i=1
5.2. Obliczenia dla roztworu dekstranu
Lp. ti Vi JVi Absi cpi cni Ri
"P
[MPa] [s] [cm3] [%]
mol mol
�ł łł �ł łł �ł łł
m3 [ - ]
3 3
�ł śł �łdm śł �łdm śł
2
�ł �ł �ł �ł
�łm h �ł
Absi  wartość absorbancji próbki permeatu,
cpi  stężenie roztworu w próbce permeatu,
cni  obliczone stężenie roztworu w nadawie.
5.2.1. W oparciu o uzyskane wyniki pomiarów obliczyć strumień permeatu
(Jvi) badanego roztworu ze wzoru (1).
5.2.2. Sporządzić wykres JV = f(t)
t  czas trwania całego procesu ultrafiltracji
5.2.3. Obliczyć stopień zatrzymania membrany (Ri) zgodnie ze wzorem (4):
cpi
�ł �ł
�ł �ł
Ri =
�ł1- �ł100 [%] (4)
cni
�ł łł
5.2.4. Sporządzić wykres R = f(t).
6. Wnioski
Określić przydatność zastosowanej w ćwiczeniu membrany do celów
ultrafiltracji
7. Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać:
cel ćwiczenia
krótki wstęp teoretyczny
schemat aparatury i sposób wykonania pomiarów
tabele pomiarowe
 opisowe opracowania wyników i przykładowe obliczenia
wykresy
wnioski.
8. Literatura
" M. Bodzek, J. Bochdziewicz, K. Konieczny:Techniki Membranowe
w Ochronie Środowiska , Wydawnictwo Politechniki Śląskiej,
Gliwice 1997;
" R. Rautenbach:  Procesy membranowe , WNT Warszawa 1996.
Wydział Inżynierii Procesowej
i Ochrony Środowiska PA

PROCESY MEMBRANOWE
Projekt
I. CEL
Celem projektu jest obliczenie oporu membrany oraz oporu
polaryzacyjnego dla podanego w projekcie roztworu.
II. WYKONANIE OBLICZEC

1. Obliczyć strumień permeatu dla wody oraz podanego w projekcie
roztworu, dla każdego z ciśnień, według zależności:
V
Jv = (1)
A*t
JV  strumień permeatu [m3/m2*s]
V  objętość próbki [m3]
A  powierzchnia membrany [m2]
t  czas pobierania próbki permeatu [s]
Wyniki podać w tabeli:
Ciśnienie transmembranowe Strumień permeatu dla wody Strumień permeatu
[MPa] [ m3/m2s] dla roztworu
[ m3/m2s]
0.00 ...... .....
0.05
....
....
....
2. Wykonać wykresy zależności JV= f ("P) dla wody i podanego
roztworu.
3. Wyznaczyć opór membrany.
Objętościowy strumień wody przechodzący przez membranę jest wprost
proporcjonalny do ciśnienia transmembranowego zgodnie z równaniem:
"P
Jv = = ą * "P (2)
� * Rm
gdzie,
Rm  hydrauliczny opór membrany [m-1]
ą - stała przepuszczalności membrany
Korzystając z metody najmniejszych kwadratów, należy wyznaczyć stałą
przepuszczalności membrany ą .
n
* "Pi
"JVi
i=1
ą = (3)
n
2
""Pi
i=1
Obliczyć opór membrany Rm [m-1] przekształcając zależność (2).
4. Wyznaczyć opór membrany wynikający z polaryzacji stężeniowej
Rp [m-1].
W trakcie realizacji procesów membranowych obserwuje się spadek
strumienia permeatu w czasie. Jedną z przyczyn może być polaryzacja
stężeniowa, która wywołuje niekorzystne obniżenie szybkości procesu oraz
zmianę własności separacyjnych membrany Powoduje to powstawanie
dodatkowych oporów tzw. oporu polaryzacyjnego. W celu wyznaczenia
oporu polaryzacyjnego należy skorzystać z zależności:
"P
Jv = (4)
� * (Rm + Rp )
Rp  opór polaryzacyjny membrany [m-1]
� - lepkość [Pa*s]
Wyniki zebrać w tabeli:
Ciśnienie Strumień permeatu Opór membrany Opór
transmembranowe dla roztworu Rm polaryzacyjny
[MPa] [ m3/m2s] [m-1] Rp [m-1]
0.00 .... .... ....
0.05
...
5. Sporządzić wykres zależności Rp = f ("P) i opisać go równaniem.
III. WNIOSKI