Wydział Inżynierii Środowiska
Procesy separacji membranowej pozwalają na:
ZAT
ŻANIE - USUWANIE ROZPUSZCZALNIKA Z
ROZTWORU ROZCIEC
CZONEGO
OCZYSZCZANIE - USUWANIE ZANIECZYSZCZEC
Z
TECHNIKI MEMBRANOWE
ROZTWORU
W OCHRONIE ŚRODOWISKA
FRAKCJONOWANIE - ROZDZIELANIE SUBSTANCJI
W MIESZANINIE LUB ROZTWORZE NA DWA
Prof. dr hab. inż. Małgorzata KABSCH-KORBUTOWICZ
LUB WI
CEJ SKA
ADNIKÓW
pokój 215 D-2
Dr hab. inż. Katarzyna MAJEWSKA  NOWAK, prof. PWr
pokój 219 D-2
ROZDZIAA
STRUMIENIA
Membrana
W PROCESIE MEMBRANOWYM
Koncentrat Pod pojęciem membrany rozumiano pierwotnie półprzepuszczalną
błonę naturalną, najczęściej roślinną lub zwierzęcą, która umożliwiała
selektywne przenikanie składników roztworów.
Zgodnie z definicją Europejskiego Towarzystwa Membranowego
membrana jest to trzecia faza, rozdzielająca dwie inne fazy, a
działająca jako pasywna lub aktywna bariera dla transportu między tymi
fazami.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Schemat membranowego rozdziału składników
W większości procesów membranowych siłą napędową jest
Membrana może być uważana za półprzepuszczalną barierę rozdzielającą
różnica:
dwie fazy ciekłe lub gazowe, a transport przez nią zachodzi dzięki
zastosowaniu odpowiedniej siły napędowej. � ciśnień,
� stężeń (aktywności),
Membrana
� temperatury
po obu stronach membrany, ogólnie definiowana jako różnica
potencjałów chemicznych.
nadawa
permeat
Można zatem powiedzieć, że w technikach membranowych transport
cząsteczek zostaje wywołany różnicą ich potencjałów chemicznych po obu
stronach membrany, a separacja zachodzi dzięki różnicy szybkości transportu
różnych substancji (składników roztworów lub mieszanin). Innym rodzajem
siły napędowej jest różnica potencjału elektrycznego po obu stronach
siła napędowa: "P, "C, "T, "E
membrany, przy czym wywołuje ona jedynie transport jonów lub cząsteczek
posiadających ładunek elektryczny.
Parametry charakteryzujące membrany
Klasyfikacja procesów membranowych
Różnica ciśnień Różnica stężeń Różnica Różnica
- strumień permeatu, charakteryzujący wydajność membrany - (Jv) określa objętość,
temperatury potencjału
masę lub liczbę moli substancji, która przechodzi przez jednostkową powierzchnię
elektrycznego membrany w jednostce czasu (m3/m2d, kg/m2d, mol/m2d).
Często w przypadku procesów ciśnieniowych wydajność procesu opisuje się przy
pomocy przepuszczalności hydraulicznej membrany Lp (m3/m2dMPa) gdzie Lp=Jv/ P
- Mikrofiltracja MF - Perwaporacja -Termoosmoza - Elektrodializa - współczynnik retencji opisujący skuteczność separacji - definiuje się jako:
c0 - c1
R = �100%
- Ultrafiltracja UF - Separacja gazów - Destylacja - membrany
c0
membranowa bipolarne
gdzie :c0 - stężenie składnika w nadawie,
- Nanofiltracja NF - Dializa
c1 - stężenie składnika w permeacie.
- Elektroosmoza
- Odwrócona - Membrany ciekłe
osmoza RO
- Membrany
katalityczne
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Parametry charakteryzujące membrany (c.d.)
Membrany  klasyfikacja, struktura, wytwarzanie
- wielkość porów - parametr określający teoretyczne możliwości separacyjne (określany
" Pochodzenie
metodą bubblepoint lub mikroskopowo)
- rozkład wielkości porów - wpływa na zdolności separacyjne (określany przy " Materiał użyty do wytwarzania
zastosowaniu substancji wzorcujących)
" Struktura
- cut-off - graniczna rozdzielczość (określa najmniejszą masę cząsteczkową substancji
zatrzymywanej przez membranę ze współczynnikiem retencji > 95%)
" Morfologia
- porowatość - wpływa na wydajność procesu (określana wagowo lub mikroskopowo)
" Metody wytwarzania
- hydrofilowość/hydrofobowość - powinowactwo do wody, wpływa na
przepuszczalność membran (określana przez pomiar kąta zwilżania),
- odporność na ciśnienie oraz działanie czynników chemicznych lub termicznych -
wpływa na żywotność membran.
Pochodzenie Materiał użyty do wytwarzania
" Membrany naturalne (biologiczne)
" Organiczne
 Polimery celulozowe
" Syntetyczne
(celuloza i jej pochodne) - C, CA
 Organiczne (polimerowe)
 Poliamid (PA)
 Nieorganiczne (ceramiczne, metalowe)
 Polisulfon (PS), polieterosulfon (PES)
 Politetrafluoroetylen (teflon)
 Stałe (organiczne, nieorganiczne)
 Polichlorek winylu (PVC)
 Ciekłe (organiczne)
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Materiał użyty do wytwarzania (c.d.)
" nieorganiczne
- metale (pallad, stal szlachetna, wolfram)
- szkło
- grafit
- materiały ceramiczne
Struktura Membrany ciekłe
" Porowate
Jako membranę ciekłą (LM) rozumie się fazę ciekłą rozdzielającą układ ciecz-ciecz
" Nieporowate
lub ciecz-gaz i nie mieszającą się z fazami, między którymi ma miejsce
" Ciekłe
rozdzielanie. Zwykle faza płynna membrany ciekłej zawiera specjalnie dobrane
membrana membrana
związki chemiczne w niej rozpuszczone, które w sposób selektywny wiążą z fazy
membrana
asymetryczna symetryczna
nieporowata
 nadawy (fazy donorowej), przenoszą i przekazują do fazy  odbiorczej (fazy
porowata porowata
akceptorowej) określone związki chemiczne lub jony, nie wykazując powinowactwa
do wielu innych, związków chemicznych, jonów, a także często  nano- i mikro-
cząstek, znajdujących się w fazie donorowej.
- membrany ciekłe grubowarstwowe (bulk liquidmembrane - BLM)
- unieruchomione membrany ciekłe (supportedliquidmembrane - SLM)
- emulsyjne membrany ciekłe (emulsionliquidmembrane - ELM)
Mechanizm transportu: Mechanizm transportu:
sitowy rozpuszczania i dyfuzji
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Morfologia Morfologia (c.d.)
" membrany asymetryczne - zbudowane z warstwy
" membrany symetryczne - o jednakowej strukturze w
naskórkowej o grubości 0,1-0,5 �m oraz suportu (podłoża) o
całym przekroju poprzecznym
grubości 50-200 �m
skórka
0,1/0,5 źm
50/200 źm
warstwa
podtrzymująca
Metody wytwarzania membran
Klasyfikacja procesów membranowych
" Wylewanie z zastosowaniem inwersji fazowej
" Rozciąganie
Różnica ciśnień Różnica stężeń Różnica Różnica
" Spiekanie temperatury potencjału
elektrycznego
" Wytrawianie
" Powlekanie
- Mikrofiltracja - Perwaporacja -Termoosmoza - Elektrodializa
- Ultrafiltracja - Separacja gazów - Destylacja - membrany
membranowa bipolarne
- Nanofiltracja - Dializa
- Elektroosmoza
- Odwrócona - Membrany ciekłe
osmoza
- Membrany
katalityczne
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Ciśnieniowe procesy separacji membranowej Ciśnieniowe procesy separacji membranowej
Mikrofiltracja
cząstki zawieszone
< 0,2 MPa MF
Ultrafiltracja UF
makrocząsteczki
0,1-1,0 MPa
NF
cukry
Nanofiltracja
sole dwuwartościowe
0,5-2,0 MPa
kwasy zdysocjowane RO
Odwrócona
sole jednowartościowe
osmoza kwasy niezdysocjowane
0,1 1,0 10 100 1000
1,0-6,0 MPa
średnica porów, nm
woda
Ciśnienie osmotyczne
Zasada zjawiska osmozy i procesu odwróconej osmozy
membrana P
Wartości ciśnienia osmotycznego w 25oC
Związek Stężenie Ciśnienie
mg/l mol/l osmotyczne , atm
NaCl 35000 0,6 27,08
Ciśnienie
Solanka
osmotyczne
Solanka
NaCl 1000 0,0171 0,78
NaHCO3 1000 0,0119 0,87
CaCl2 1000 0,0008 0,56
Woda
Woda
Woda Solanka
Sacharoza (342) 1000 0,00292 0,07
D-glukoza (180) 1000 0,00555 0,14
Ciśnienie osmotyczne - ciśnienie zewnętrzne równoważące przepływ
Osmoza Stan równowagi Odwrócona osmoza
osmotyczny w układzie roztwór-membrana-rozpuszczalnik, charakterystyczne dla
danego roztworu i jego stężenia, a niezależne od membrany mającej właściwości
(RO)
półprzepuszczalne:
= c RT
c - stężenie molowe substancji rozpuszczonej
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Odwrócona osmoza (RO)
Nanofiltracja (NF)
Membrany asymetryczna porowata
Membrany asymetryczna lub kompozytowa
Grubość membrany ok. 150 �m
Grubość ok. 150 �m
membrany
Średnica porów ok. 1 nm
Średnica porów < 0,2 nm
Siła napędowa ciśnienie ( 1 - 3,0 MPa)
Siła napędowa ciśnienie: 1,5-2,5 MPa- wody słonawe
4 - 8 MPa- wody morskie
Mechanizm separacji Sitowy, rozpuszczania i dyfuzji, oddziaływania elektrostatyczne
Mechanizm rozpuszczania-dyfuzji
Materiał membrany polimerowy
separacji
Materiał polimerowe
Główne zastosowania Usuwanie substancji o masach cząsteczkowych 200-300 Da
membrany
Usuwanie jonów dwuwartościowych
Główne odsalanie wód morskich i słonawych
Zmiękczanie wody
zastosowania produkcja wody ultraczystej (elektronika)
zatężanie soków i cukrów (przem.spożywczy) oraz
mleka (mleczarstwo)
Ultrafiltracja (UF) Mikrofiltracja (MF)
Membrany symetryczna porowata
Membrany asymetryczna porowata
Grubość membrany ok. 10-150 �m
Grubość membrany ok. 150 �m
Średnica porów ok. 0,05-10 �m
Średnica porów ok. 1 -100 nm
Siła napędowa ciśnienie (<0,2 MPa)
Siła napędowa ciśnienie ( 0,1 - 1,0 MPa)
Mechanizm separacji sitowy
Mechanizm separacji sitowy
Materiał membrany polimerowy, ceramiczny
Materiał membrany polimerowy, ceramiczny
Główne zastosowania analityka
sterylizacja (przem.spożywczy, farmaceutyka)
Główne zastosowania przem.mleczarski (prod. mleka, serwatki, serów)
produkcja wody ultraczystej (elektronika)
przem. spożywczy (prod. skrobii, odzysk białek)
klarowanie (produkcja napojów)
metalurgia (emulsje olejowe, elektropigmenty)
hodowla komórek, bioreaktory (biotechnologia)
przem. tekstylny (barwniki)
separacja metali (koloidalne tlenki i wodorotlenki)
farmaceutyka (enzymy, antybiotyki)
separacja emulsji olejowych
oczyszczanie wody (usuwanie koloidów, pyrogenów)
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Procesy w których siłą napędową jest różnica
Klasyfikacja procesów membranowych
stężeń
" Separacja par
Różnica ciśnień Różnica stężeń Różnica Różnica
temperatury potencjału
elektrycznego " Separacja gazów
" Perwaporacja
- Mikrofiltracja - Perwaporacja -Termoosmoza - Elektrodializa
" Dializa
- Ultrafiltracja - Separacja gazów - Destylacja - membrany
membranowa bipolarne
- Nanofiltracja - Dializa
- Elektroosmoza
- Odwrócona - Membrany ciekłe
osmoza
- Membrany
katalityczne
Separacja par i gazów
Nadawa
Retentat
Separacja gazów
Charakterystyczne parametry procesów separacji gazów i par:
(gaz)
(gaz)
- membrana kompozytowa zawierająca warstwę aktywną z polimeru
elastycznego lub szklistego,
Permeat (gaz)
-materiał membranotwórczy- polimery elastyczne
Retentat
(polidimetylosiloksan, polmetylopenten); polimery szkliste
Nadawa
Separacja par (para)
(poliimid, polisulfon)
(para)
- grubość membrany (warstwy separacyjnej): 0,1 - kilka �m,
- wielkość porów - membrana nieporowata,
Permeat (para)
- mechanizm separacji - rozpuszczanie i dyfuzja,
- siła napędowa - ciśnienie do 10 MPa lub próżnia po stronie
Retentat
Nadawa
(ciecz) permeatu, gradient stężeń
Perwaporacja
(ciecz)
Thefirst large-scale gas separation membrane process was usedinthe mid-1940s by the United
States government to separate UF6 isotopes for nuclear fuel enrichment (Noble, 1995). Thefirst
Permeat (para) commercially significant gas separation membranes wereintroduced only in late1979.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Retentat
Nadawa
(ciecz)
(ciecz)
Separacja gazów znalazła zastosowanie do rozdziału następujących
układów:
Perwaporacja
Permeat (para)
Rozdzielane gazy Zastosowanie Perwaporacja jest technikę separacji, w której zachodzi przemiana fazowa
pierwszego rodzaju połączona z transportem masy przez nieporowatą membranę
H2/CH4 wydzielanie wodoru z mieszanin po katalitycznym
liofilową.
reformingu
H2/CO uzyskiwanie stechiometrycznych mieszanin gazów do
Transport substancji przez membranę odbywa się trójstopniowo:
syntez związków węgla C-C
- selektywna sorpcja substancji w strukturze polimeru,
H2/N2 odzyskiwanie wodoru z gazów po syntezie amoniaku
- dyfuzja przez membranę,
H2/Cl odzyskiwanie gazów po syntezie HCl
- desorpcja substancji w postaci pary po stronie permeatu.
CO2/CH4 usuwanie CO2 z gazów naturalnych i z biogazu
O2/N2 wzbogacanie powietrza w tlen
N2/O2 uzyskiwanie czystego azotu
He/N2, He/O2 odzyskiwanie helu z mieszanin gazowych
H2O/powietrze osuszanie powietrza
węglowodory/powiet usuwanie związków lotnych (stacje paliw, przemysł
rze chemiczny)
H2S/gaz naturalny odsiarczanie gazów palnych
CO2/gaz naturalny usuwanie gazu powodującego korozję
Zastosowania procesu perwaporacji
1. odwadnianie ciekłych mieszanin wodno-organicznych
- rozdzielanie mieszanin azeotropowych typu woda/EtOH, woda/i-propanol,
woda/pirydyna,
- odwadnianie rozpuszczalników organicznych, np. alkoholi, estrów,
ketonów, eterów, kwasów karboksylowych,
chlorowcopochodnych węglowodorów,
2. usuwanie ciekłych związków organicznych z wody
Charakterystyczne parametry procesu perwaporacji:
- usuwanie węglowodorów i ich chlorowcopochodnych z wód gruntowych i
*membrana - kompozytowa z warstwą aktywną z polimeru elastycznego lub
powierzchniowych,
szklistego,
- dealkoholizacja wina i piwa,
*materiał membranotwórczy - polimery elastyczne lub szkliste,
- zatężanie substancji zapachowych (np. aromatów do przemysłu
*grubość membrany - warstwa aktywna 0,1-kilka �m, spożywczego),
*wielkość porów - membrana nieporowata, - usuwanie produktów organicznych w procesie ciągłej fermentacji,
*mechanizm separacji - rozpuszczanie i dyfuzja,
3. rozdział mieszanin dwóch lub więcej ciekłych związków organicznych
*siła napędowa - różnica prężności par po obu stronach membrany.
- rozdział izomerów (np. o-, m-, p-ksylenów),
- rozdział azeotropów (np. etanol/cykloheksan, metanol/dimetylowęglan).
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Dializa
Dializa
Dializa [ grec. dialysis ]
Dializa dialysis
Dializa to zjawisko przenikania substancji rozpuszczalnych przezbłonę
" chem. metoda oczyszczania roztworów
półprzepuszczalną
koloidowych z elektrolitów obecnych w
roztworze kwasów, zasad lub soli przy
mieszanina
zastosowaniu odpowiedniej błony
do dializy
półprzepuszczalnej
pergamin
woda
" med. zabieg leczniczy, którego celem jest
Dializer T. Grahama (1854 r)
1854 r)
wyrównanie składu płynów ustrojowych,
dokonywane poza ustrojem za pomocą
W procesie dializy substancja chemiczna dyfunduje poprzez membranę obojętną dzięki
różnicy stężeń roztworów po obu jej stronach, a separacja jest wywołana różnicą w
aparatury zwanej sztuczną nerką
szybkości dyfuzji substancji różniących się masą cząsteczkową. Przez membranę przenikają
(wg Słownik wyrazów obcych) cząsteczki wody i substancji małocząsteczkowych, zaś substancje wielkocząsteczkowe i
koloidalne są zatrzymywane.
HEMODIALIZA
Dializa
Dializa
Zasadnicze cele i zadania
Zasadnicze cele i zadania
zabiegów hemodializy
zabiegów hemodializy
Równocześnie z przepływem dyfuzyjnym substancji rozpuszczonej me miejsce przepływ osmotyczny
w kierunku przeciwnym. Obydwa rodzaje przepływów są ze sobą sprzężone, co prowadzi do spadku
prędkości przepływu substancji rozpuszczonej.
1. Oczyszczenie krwi chorego z
toksycznych produktów
Parametry, które mają wpływ na szybkość i selektywność w procesie dializy, zależą od:
" właściwości roztworów i membrany (rozpuszczalność składników w membranie, współczynnik
przemiany materii;
dyfuzji oraz fizykochemiczne właściwości przenikających składników i materiału membrany) oraz
" warunków prowadzenia procesu (temperatura, ciśnienie, stężenie roztworów). 2. Usunięcie nadmiaru wody z
organizmu;
W procesie dializy wykorzystuje się membrany wykonane z polimerów hydrofilowych (np.
regenerowana celuloza, octan celulozy, alkohol poliwinylowy, kwas poliakrylowy).
3. Wyrównanie zaburzeń
elektrolitowych
+ mocznik
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
płyn dializacyjny
płyn dializacyjny
m
o
c
z
n
i
k
k
i
n
z
c
o
m
Procesy w których siłą napędową
Klasyfikacja procesów membranowych
jest różnica temperatur
Różnica ciśnień Różnica stężeń Różnica Różnica
DESTYLACJA MEMBRANOWA
temperatury potencjału
elektrycznego
Destylacja membranowa jest procesem, w którym dwie ciecze lub
roztwory o różnej temperaturze są rozdzielone membraną
- Mikrofiltracja - Perwaporacja -Termoosmoza - Elektrodializa
porowatą. Membrana nie może być zwilżana przez ciecz. Siłą
napędową procesu powodującą transport masy jest różnica
- Ultrafiltracja - Separacja gazów - Destylacja - membrany
prężności par, wynikająca z różnicy temperatur roztworów
membranowa bipolarne
- Nanofiltracja - Dializa
przymembranowych.
- Elektroosmoza
- Odwrócona - Membrany ciekłe
osmoza
- Membrany
katalityczne
Destylacja membranowa Destylacja membranowa
Warunkiem podstawowym MD jest zachowanie fazy
Zasada bezpośredniej kontaktowej destylacji membranowej
gazowej w porach membrany
Etapy MD:
Q Właściwości membran do MD
TF J parowanie wody na granicy faz:
Permeate, cD hydrofobowe - zapewniające zachowanie fazy gazowej w porach
ciepła nadawa/gaz wporach
membrany,
T1
membrany,
odporne chemicznie i stabilne termicznie,
c1 T2
dyfuzja cząsteczek pary przez
TP porowate - aby uzyskać znaczący strumień permeatu porowatość powinna
c2
pory membrany hydrofobowej
pF przekraczać 70%,
Feed, cF
PP kondensacja pary w strumieniu
maksymalny promień porów nie powinien przekraczać 0,5 - 0,6 �m,
Membrane zimnego destylatu.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Moduły membranowe
Destylacja membranowa
Zalety MD
Moduł membranowy jest najmniejszym powtarzalnym i integralnym elementem instalacji
membranowej i w razie uszkodzenia może być wymieniony na nowy.
f&100 % (teoretycznie) retencja nielotnych substancji rozpuszczonych,
niezależna od ich stężenia w nadawie,
Oprócz wymagań stawianych samym membranom, tj. wysoka selektywność separacji
składników oraz duża przepuszczalność względem składnika moduł membranowy
f&destylat charakteryzuje się wysoką czystością,
powinien:
f&znacznie niższe ciśnienie w porównaniu z innymi technikami " zapewniać korzystne warunki hydrodynamiczne, tak aby składniki zatrzymywane na
membranie były z niej ciągle usuwane, tak by utrzymana była wysoka wydajność
membranowymi,
procesu,
f&temperatura nadawy znacznie niższa od temperatury wrzenia,
" szczelność pomiędzy rozdzielanymi strumieniami permeatu i koncentratu,
" duży stosunek powierzchni membran do objętości modułu,
f&do ogrzewania nadawy można wykorzystać ciepło odpadowe, energię
" krótki czas przebywania roztworu,
słoneczną lub geotermalną,
" łatwość mycia i sterylizacji,
" niskie koszty eksploatacji,
f&wysoka odporność chemiczna membran,
" niskie koszty własne,
f&niewielka przestrzeń parowa (praktycznie grubość membrany) w porównaniu
" duża odporność membran na działanie czynników chemicznych, fizycznych i
z destylacją konwencjonalną. biologicznych.
Moduły membranowe
Porównanie modułów opartych na rurowej konfiguracji membran
Konstrukcje dostępnych modułów membranowych opierają
się na dwóch podstawowych formach membrany:
" płaskiej Gęstość
Konfiguracja Średnica, mm
upakowania,
" rurowej
m2/m3
Rurowa > 10,0 3601
Konfiguracje modułów membranowych:
Kapilarna 0,5-10,0 36002
" moduły płytowo-ramowe,
" moduły spiralne,
Włókna <0,5 360003
kanalikowe
" moduły rurowe,
" moduły kapilarne,
1 - przy średnicy rury 5 mm, - przy średnicy rury 0,5 mm - przy średnicy rury 0,05 mm
2 3
" moduły z włókien kanalikowych (hollow-fibre) (czasami ta konfiguracja
zaliczana jest do kapilarnej).
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Tryby pracy układów membranowych
Schematy rozprowadzenia strumieni cieczy
w modułach membranowych
(układy przepływowe)
1. Dead-end(jednokierunkowy)
2. Cross-flow(krzyżowy)
B
A
nadawa
Placek
Retentat
nadawa
filtracyjny
D
C
Permeat
Permeat
grubość
placka
filtracyjnego
A  układ współprądowy
B  układ z idealnym mieszaniem
C  układ przeciwprądowy
J
D  układ typowo krzyżowy
Przyczyny spadku wydajności procesów membranowych Polaryzacja stężeniowa
" polaryzacja stężeniowa,
" adsorpcja na powierzchni membrany,
" tworzenie warstwy żelowej na powierzchni membrany,
" zatykanie porów membrany stałymi i mikrozanieczyszczeniami,
" deformacja porów pod wpływem ciśnienia .
Cr
roztwór
Cm
Składowe oporu
wpływające na
przepływ
transport masy
przez membranę
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Intensywność polaryzacji stężeniowej
KONSEKWENCJEPOLARYZACJI ST
ŻENIOWEJ
" spadek przepływu rozpuszczalnika, wywołany zwiększonym
ciśnieniem osmotycznym roztworu w warstwie przymembranowej,
Proces Intensywność polaryzacji
Membranowy stężeniowej
" wzrost przepływu substancji rozpuszczonych ,
" powstawanie żelu substancji rozpuszczonej na powierzchni membrany,
Odwrócona osmoza Umiarkowana
po przekroczeniu stężenia krytycznego,
Nanofiltracja Umiarkowana
Ultrafiltracja Duża
Mikrofiltracja bardzo duża
" wytrącanie się na powierzchni membrany osadów określonych
substancji po przekroczeniu ich rozpuszczalności.
Zjawiska składowe foulingu:
Fouling membran
formowanie żelu - najbardziej podatne na tworzenie warstwy żelowej są
substancje humusowe, fenole, pestycydy, makrocząsteczki (np.
FOULING - odkładanie się substancji na powierzchni membrany
białka, węglowodany, serwatka, oleje) oraz substancje
i/lub w porach ograniczające jej przepuszczalność.
powierzchniowo-czynne;
-strącanie (scaling) - do najczęściej spotykanych w formie strąceniowej
należą związki Ca2+, Mg2+, CO32-, SO42-, krzemionka oraz sole Fe3+;
Foulingwywołany jest przez:
" substancje organiczne (substancje wielkocząsteczkowe,
-zatykanie - powodowane jest przez drobnozdyspergowane lub zawieszone
substancje biologiczne),
cząstki stałe oraz koloidy organiczne i nieorganiczne;
" substancje nieorganiczne (wodorotlenki metali, sole wapnia,
-biofouling - wywoływany przez bakterie, wirusy oraz fragmenty ścian
krzemionka),
komórkowych; powstająca błona powoduje zaślepienie porów
membrany;
" cząstki zawieszone.
- degradacja membrany - wywołana na skutek działania mikroorganizmów
(membrany celulozowe) lub czynników chemicznych (np. chloru,
chlorowcopochodnych, fenolu) które niszczą strukturę membrany .
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Fouling membran Fouling membran
Zjawisko foulingu membrany składa się z trzech etapów:
1. przeniesienia substancji rozpuszczonej do powierzchni
membrany,
2. wnikanie rozpuszczonych substancji w pory membrany, aż
cząstki substancji rozpuszczonej zostaną zaadsorbowane lub
przejdą szereg odwracalnych cykli sorpcja/desorpcja w porach,
3. zasadnicza sorpcja - jest ona wywołana powinowactwem
materiału membrany i substancji występujących w roztworze
(powinowactwo hydrofilowo/hydrofobowe), lub
oddziaływaniami elektrostatycznymi pomiędzy membraną i
cząsteczkami znajdującymi się w roztworze.
Fouling membran Fouling membran
Na intensywność zjawiska blokowania membran istotny wpływ mają:
wielkość strumienia permeatu
częstotliwość i intensywność płukania wstecznego
metody czyszczenia chemicznego
ciśnienie transmembranowe
" materiał i właściwości membrany - hydrofilowość/hydrofobowość, ładunek
prędkość przepływu stycznego
temperatura
powierzchniowy, porowatość, wielkość porów, chropowatość
powierzchni;
" temperatura;
FOULING
" pH;
" prędkość przepływu i turbulencja;
średnica porów
skład roztworu chropowatość powierzchni " ciśnienie;
zawartość ciał zawieszonych materiał membranotwórczy
pH " stężenie filtrowanego roztworu;
typ modułu
" obecność soli.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Sposoby ograniczania polaryzacji stężeniowej i foulingu:
1 - zmiana parametrów prowadzenia procesu
" zmniejszenie ciśnienia transmembranowego,
" zmniejszenie stężenia substancji organicznych w oczyszczanym roztworze,
" stosowanie optymalnej temperatury,
" stosowanie ciśnień pulsacyjnych,
" stosowanie okresowego mycia membrany - hydraulicznego (płukanie wsteczne) lub chemicznego,
Cleaning Chemical For Fouling Material
2 - metodami fizycznymi
" wymuszanie przepływu turbulentnego,
NaOCl Biological; NOM;
" wprowadzenie elementów zaburzających profile przepływu,
" wykorzystanie pola elektrycznego, Synthetic polymers
" użycie ultradz
więków,
3 - metodami chemicznymi (modyfikacja właściwości membran) Acids (HCl, H2SO4, Citric Acid) Inorganic deposits
" wprowadzenie do materiału membrany grup jonoczynnych o ładunku zgodnym z ładunkiem
filtrowanej substancji, NaOH NOM
" powlekanie powierzchni membrany polimerem o charakterze hydrofilowym,
" chemiczną sorpcję substancji jonowych na powierzchni membrany,
" modyfikacja membran poprzez napromieniowywanie promieniami UV (zwiększa hydrofilowość),
Sodium bi-sulfite (SBS) Reducible metals (Fe,
Mn)
4 - wstępnie przygotowując separowany roztwór
" koagulacja - usuwanie substancji koloidalnych i drobnozdyspergowanych,
H2O2 NOM
" zmiękczanie -usuwanie soli Ca2+, i Mg2+,
" sorpcja na węglu aktywnym,
" chlorowanie i ozonowanie,
EDTA Metals
" korekta pH.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com