Techniki membranowe

Wykład VI

Hydrauczliczne czyszczenie membran

Najważniejszym sposobem hydraulicznej metody czyszczenia membran jest przemywanie wsteczne (back-flushing).

Proces polega na periodycznym przepuszczaniu permeatu przez moduł przede wszystkim kapilarny w kierunku przeciwnym niż w czasie normalnej pracy. Pozwala to na usunięcie osadu z powierzchni membrany i jej porów.

Permeat

permeat przemywanie wsteczne

Proces: UF, MF

lub inny

Przemywanie wsteczne membran:

Rys. Zależność strumienia permeatu od czasu, z i bez przemywania wstecznego membrany.

Do innych sposobów hydraulicznego czyszczenia membran zalicza się:

• Redukcję ciśnienia i przepłukiwanie układu mieszaniną wody i powietrza

• Przepłukiwanie układu wodą lub roztworem w kierunku przeciwnym do strumienia cieczy w czasie pracy instalacji.

• Zmianę prędkości liniowej cieczy nad powierzchnią membrany i stosowanie promotorów burzliwości

• Periodyczną redukcję i podnoszenie ciśnienia

• Stosowanie przepływu pulsacyjnego, uzusy kiwanego dzięki stosowaniu pomp pulsacyjnych, odp. sekwencji zaworów lub pola elektromagnetycznego.

• Wprowadzenie do urządzeń filtrujących pęcherzyków powietrza, które omywają wiszące membrany kapilarne.

Czyszczenie chemiczne membran

Jest najskuteczniejszą metodą usuwania skutków foulingu.

Stosuje się szereg chemikaliów, pojedynczo lub w mieszaninie. Istotnym ograniczeniem jest odporność chemiczna membrany; decyduje stężenie środka czyszczącego i czas mycia.

Jako odczynniki czyszczące stosuje się następujące rodzaje związków chemicznych:

• Kwasy mocne( chlorowodorowy, azotany V) lub słabe( fosforowy, kwas cytrynowy)

• Zasady: NaOH

• Detergenty (zasadowe i niejonowe)

• Substancje kompleksujące (EDTA)

• Śr. Dezynfekujące (chlor, di tlenek chloru, NaOCl, nadtlenek wodoru, ozon)

Optymalizacja warunków prowadzenia operacji membranowych- ujemne skutki polaryzacji stężeniowej i „ foulingu” mogą być redukowane poprzez optymalizację transportu masy.

Zasadniczy wpływ na współczynnik wnikania masy wywiera prędkość przepływu roztworu nad powierzchnią membrany. Wzrost prędkości powoduje zatem wzrost transportu masy, a w konsekwencji wzrost strumienia permeatu. Współczynnik wnikania masy zależy także od konstrukcji modułu, dlatego też czynnik również musi być brany pod uwagę. Na przykład zmniejszenie długości modułu polepsza warunki transportu masy.

Jednym ze sposobów zapewnienia burzliwości w warstwie bezpośrednio przylegającej do powierzchni membrany jest stosowanie tzw. promotorów burzliwości, czyli urządzeń mających na celu powstanie turbulencji i umieszczanych na drodze strumienia płynącego nad powierzchnią membrany ( np. wkładki w postaci śrubowej) stosuje się głównie w rurowych modułach membranowych.

Metody zapobiegania foulingowi i polaryzacji stężeniowej:

Etap wyboru	Metody fizyczne	Metody chemiczne
- wstępne przygotowanie nadawy	- wstępna filtracja wody	-Wytrącanie osadów, -koagulacja, - flokulacja -dezynfekcja -użycie substancji kompleksujących -adsorpcja
- projektowanie instalacji	- burzliwość przepływu -przepływ zwrotny pulsujący -membrany wibrujące - pole eletryczne	-wybór odpowiedniego materiału membrany - modyfikacja powierzchni membrany
- prowadzenie procesu w skali technicznej	-ograniczenie ciśnienia - stopień zatężenia retentatu - czyszczenie hydrauliczne - czyszczenie chemiczne	- wybór odpowiedniej metody czyszczenia - dobór częstotliwości czyszczenia

Projektowanie systemów membranowych:

Przy projektowaniu systemu membranowego należy uwzględnić charakterystykę modułu, która obejmuje:

• Gęstość upakowania membran

• Koszty eksploatacyjne

• Podatnośc membran na fouling, czyszczenie

• Wymianę membran

Moduł jest centralną częścią instalacji systemów filtracji membranowej przy czym szereg modułów połączonych ze sobą tworzy tzw. stopień membranowy.

Sposób prowadzenia procesu (strumień) w module membranowym

1. Przepływ jednokierunkowy ( dead-end)

1. Przepływ krzyżowy (cross-flow)

• Przepływ jednokierunkowy- spadek strumienia permeatu w przepływie jednokierunkowym

Konsekwencją foulingu w systemie jednokierunkowym jest ciągłe powiększanie się placka filtracyjnego na powierzchni membrany co powoduje zmniejszenie strumienia permeatu ( Iv) .

• Przepływ krzyżowy

Moduły pracujące w systemie przepływów krzyżowych mogą zapewnić ciągłość prowadzenia procesu oraz redukować ujemne skutki polaryzacji stężeniowej i foulingu membran.

Warianty układów membranowych pracujących w systemie krzyżowym:

Sposób prowadzenia procesu (strumienia) w module membranowym

Zaprojektowanie przepływów wewnątrz i na zewnątrz modułów jest jednym z najważniejszych czynników decydujących o osiągnięciu założonego stopnia separacji. Stosuje się układy jednostopniowe lub wielostopniowe w trzech głównych rozwiązaniach systemowych.

1. Szarżowy (wsadowo- okresowy)

1. System ciągły (układ bez recyrkulacji retentatu(nadawy))

Roztwór zasilający przepływa tylko jeden raz przez pojedynczy moduł lub zestaw modułów, więc objętość roztworu zasilającego maleje w miarę wzrostu dugości modułu.

1. Układ z recyrkulacją retentatu ( nadawy)

Nadawa-sprężana przez pompę, przechodzi kilkakrotnie przez jeden stopień zawierający kilka modułów. Stałe zasilanie i doprowadzanie retentatu.

Łączenie szeregowe i równoległe w układzie jedno lub wielostopniowym

Podzial strumienia zasilającego

• Systemy wielostopniowe

Metoda rozcieńczeń- diafiltracja ( stosuje się do oczyszczania związków wielkocząsteczkowych i koloidalnych od związków małocząsteczkowych)

Po przeprowadzaniu wstępnego zatężania retentat jest rozcieńczony rozpuszczalnikiem w ilośći koniecznej do uzyskania założonego stopnia oczyszczania roztworu.