memranowe techniki rozdziału.pdf

Zakład In Ŝ ynierii Ś rodowiska Wydział Chemii UG - Ć wiczenia Laboratoryjne z In Ŝ ynierii Ś rodowiska

Ć wiczenie nr 7 Techniki membranowe – odwrócona osmoza

Aktualizacja 12.03.2008r.

MEMBRANOWE TECHNIKI ROZDZIAŁU – ODWRÓCONA OSMOZA

1. Wprowadzenie do technik membranowych

Procesy membranowe są technikami pozwalającymi na separację zanieczyszczeń

o wymiarach cząstek i cząsteczek na poziomie molekularnym lub jonowym. Są to procesy

nowe, a ich szybki rozwój obserwuje się w ostatnich latach. Postępy w pracach badawczych,

w rozwoju technik membranowych czynią ich zastosowanie w ochronie środowiska realnymi

technicznie i korzystnymi ekonomicznie. Procesy separacji membranowej i reaktory

membranowe są dzisiaj technikami o szerokiej gamie zastosowań. Integracja operacji

membranowych z technologiami tradycyjnymi lub projektowanie nowych cyklów

produkcyjnych opartych na technikach membranowych, staje się atrakcyjnym polem badań

inŜynieryjnych. Obecnie coraz częściej membrany polimerowe i nieorganiczne, o duŜej

selektywności i wydajności oraz wysokim stopniu odporności termicznej, chemicznej i

mechanicznej, są stosowane do odsalania wody morskiej, oczyszczania ścieków,

odzyskiwania cennych składników ze ścieków, a takŜe do rozdzielania mieszanin związków

organicznych.

Najogólniej, kaŜda membrana jest filtrem i, tak jak w normalnej filtracji, co najmniej

jeden ze składników rozdzielanej mieszaniny moŜe przechodzić bez przeszkód przez

membranę, podczas gdy inne są przez nią zatrzymywane.

Dla wszystkich procesów membranowych typowe są dwie właściwości:

– Rozdzielanie przebiega w sposób czysto fizyczny , tzn. rozdzielane składniki nie ulegają

przemianom termicznym, chemicznym ani biologicznym. Dlatego moŜliwe jest odzyskiwanie

i ponowne zastosowanie składników mieszaniny.

– Istnieje moŜliwość dostosowania rozdzielania membranowego do kaŜdej skali produkcyjnej

ze względu na budow ę modułow ą procesu .

metod rozdzielania, takich jak destylacja i absorpcja, które naleŜą do podstawowych

procesów inŜynierii chemicznej. Na rysunku 1 przedstawiono zaszeregowanie ciśnieniowych

metod membranowych w stosunku do wielkości separowanych cząstek.

Rys. 1. Porównanie metod ciśnieniowych procesów membranowych pod względem zatrzymywanych

cząstek.

Zakład In Ŝ ynierii Ś rodowiska Wydział Chemii UG - Ć wiczenia Laboratoryjne z In Ŝ ynierii Ś rodowiska

Ć wiczenie nr 7 Techniki membranowe – odwrócona osmoza

2. Poj ę cie membrany

Wspólną cechą wszystkich technik membranowych jest to, Ŝe proces separacji

przebiega dzięki obecności membrany (Rys. 2.). Pod pojęciem membran , według

Europejskiego Towarzystwa Membranowego, rozumiemy fazę rozdzielającą dwie inne fazy,

która działa jako pasywna lub aktywna bariera dla transportu masy między nimi.

Według innej, bardziej ogólnej definicji membrana jest granicą pozwalającą na

kontrolowany transport jednego lub wielu składników z mieszanin ciał stałych, ciekłych lub

gazowych.

kierunek przepływu

nadawy

membrana

roztwór zasilający

(nadawa)

filtrat

(permeat)

siła napędowa: ∆ µ (∆C, ∆P, ∆T, ∆E)

retentat

Rys. 2. Schemat rozdzielania składników za pomocą membrany.

Transport przez membranę zachodzi dzięki zastosowaniu odpowiedniej siły

napędowej (Tab. 1). Siłą napędową transportu masy przez membranę jest róŜnica potencjałów

chemicznych ∆ µ po obu stronach membrany. Ta róŜnica (∆ µ ) moŜe być wywołana: róŜnicą

ciśnień (∆P), stęŜeń (∆C), temperatury (∆T), potencjału elektrycznego (∆E) po obu stronach

membrany. W technikach membranowych transport cząsteczek zostaje więc wywołany

róŜnicą potencjałów chemicznych po obu stronach membrany, a separacja zachodzi dzięki

róŜnicy w szybkości transportu róŜnych substancji (składników roztworów lub mieszanin).

Moduł

nadawa

siła napędowa: ∆ µ (∆C, ∆P, ∆T, ∆E)

retentat

MEMBRANA

Membrana

permeat

Rys. 3. Schemat rozdziału strumieni w technice separacji membranowej.

Tab. 1. Klasyfikacja procesów membranowych według rodzaju siły napędowej wywołującej

transport substancji przez membranę

Ró Ŝ nica ci ś nie ń

Ró Ŝ nica st ęŜ e ń

(aktywno ś ci)

Ró Ŝ nica

temperatury

Ró Ŝ nica potencjału

elektrycznego

Mikrofiltracja

Ultrafiltracja

Nanofiltracja

Odwrócona osmoza

Piezodializa

Perwaporacja

Separacja gazów

Dializa

Membrany ciekłe

Membrany

katalityczne

Termoosmoza

Destylacja

membranowa

Elektrodializa

Membrany bipolarne

Elektroosmoza

Zakład In Ŝ ynierii Ś rodowiska Wydział Chemii UG - Ć wiczenia Laboratoryjne z In Ŝ ynierii Ś rodowiska

Ć wiczenie nr 7 Techniki membranowe – odwrócona osmoza

3. Podstawowe parametry procesów membranowych

Techniki membranowe, mimo krótkiej historii ich stosowania, zajmują wysoką

pozycję wśród obecnie znanych metod separacji. Efektywność modułów membranowych

określa się zazwyczaj za pomocą jednego z dwóch parametrów: współczynnika retencji lub

selektywno ś ci .

Wspólną cechą wszystkich membran półprzepuszczalnych stosowanych w procesach

permeacyjnych jest zróŜnicowanie szybkości transportu masy, która zaleŜy od rodzaju i

wartości sił napędowych działających na poszczególne składniki rozdzielanej fazy oraz od

właściwości fizycznych i chemicznych membrany.

Przepływ obj ę to ś ciowy roztworu j p [dm 3 /min*m 2 ] inaczej szybko ść filtracji (ang.

flux rate ) jest miarą intensywności procesu membranowego. Określa się go objętością

przepuszczonego przez membranę roztworu pod wpływem siły napędowej przez jednostkę

powierzchni roboczej membrany i jednostkę czasu.

gdzie:

V P - objętość roztworu, m 3 ,

t - czas, s lub d,

S - powierzchnia membrany, m 2 .

j P =V P /t*S

(1)

Szybkość filtracji [j P ] i ilość przechodzącej substancji rozpuszczonej moŜna powiązać

równaniem, w którym stała jest powierzchnia membrany i czas pracy:

gdzie:

d s - przepływ substancji rozpuszczonej, mol/(m 2 *s),

C sP - stęŜenie substancji rozpuszczonej w permeacie, mol/m 3

d s =j P *C sP

(2)

Efekt separacji składników przepływających przez membranę wynika ze

zróŜnicowania szybkości ich transportu oraz róŜnej rozpuszczalności w materiale membrany.

Selektywno ść separacji

AB = (C PA /C PB ) / (C RA /C RB )

(3)

gdzie:

C PA , C PB - stęŜenia składnika A i B w permeacie, mol/m 3 ,

C RA , C RB - stęŜenia składnika A i B w retentacie, mol/m 3 .

Efekt separacji moŜe być określony równieŜ współczynnikiem retencji R , czyli

stopniem zatrzymania (ang. salt-rejection ):

R= (C Z -C P )/ C Z = 1 - C P /C Z

(4)

gdzie:

C Z - stęŜenie substancji rozpuszczonej w roztworze rozdzielanym, mol/m 3 ,

C P - stęŜenie substancji rozpuszczonej w filtracie, mol/m 3 .

Do oceny efektywności procesu permeacyjnego stosowany jest tzw. stopie ń

konwersji (odzysku) Y, definiowany następująco:

AB dwóch składników A i B transportowanych przez membranę

wyraŜa współczynnik separacji definiowany przez stosunek stosunku stęŜeń (A) i (B) w

permeacie i retentacie:

Zakład In Ŝ ynierii Ś rodowiska Wydział Chemii UG - Ć wiczenia Laboratoryjne z In Ŝ ynierii Ś rodowiska

Ć wiczenie nr 7 Techniki membranowe – odwrócona osmoza

Y = (Q P /Q Z )*100

(5)

gdzie:

Q P - natęŜenie przepływu permeatu, m 3 /s,

Q Z - natęŜenie przepływu roztworu zasilającego, m 3 /s,

4. Podział ci ś nieniowych technik membranowych

RóŜnorodność produkowanych membran, technik membranowych i zadań

separacyjnych dostarcza róŜnych kryteriów ich klasyfikacji.

Najpowszechniejszy i najlepszy podział technik membranowych opiera się na

strukturze membran, na rodzaju tzw. siły napędowej, która jest niezbędna, aby zaszedł

rozdział mieszaniny.

Procesy membranowe, których siłą napędową jest róŜnica ciśnień po obu stronach

membrany, stosuje się przede wszystkim do zatęŜania i/lub oczyszczania rozcieńczonych

roztworów wodnych. Mechanizm separacji oparty jest na stosunku wielkości cząsteczki

rozpuszczonej lub koloidalnej, zawiesiny, obecnych w roztworze, do wielkości porów

membrany tzw. dystrybucja wielkości porów. Do procesów tych zalicza się mikrofiltrację,

ultrafiltrację, odwróconą osmozę (hiperfiltrację). Ostatnio wyróŜnia się takŜe proces

nanofiltracji, posiadającej właściwości pośrednie ultrafiltracji i odwróconej osmozy,

określany wcześniej jako proces niskociśnieniowej odwróconej osmozy.

4.1. Mikrofiltracja - MF

Terminem mikrofiltracja określa się proces, w którym cząstki o średnicach 10–50 m

są oddzielane od rozpuszczalnika i małocząsteczkowych składników roztworu. Mechanizm

rozdziału oparty jest na mechanizmie sitowym i zachodzi wyłącznie wg średnic cząsteczek.

W procesie mikrofiltracji stosuje się na ogół syntetyczne membrany mikroporowate o

średnicy porów od 10 µ m do 50 µm. Proces ten pozwala na oddzielenie wodnych roztworów

cukrów, soli, a takŜe niektórych białek jako filtratu, pozostawiając w koncentracie

najdrobniejsze cząstki stałe i koloidy. Siłą napędową procesu jest róŜnica ciśnień wynosząca

od 0,01 do 0,1 MPa. Ogólnie przyjmuje się, Ŝe mikrofiltracj ę stosuje si ę w przemy ś le oraz

w laboratorium do usuwania, zat ęŜ ania i oczyszczania cz ą steczek (cz ą stek) o ś rednicy

wi ę kszej od 0,1 m .

Membrany mikrofiltracyjne moŜna preparować z polimerów organicznych i

materiałów nieorganicznych (ceramika, metale, szkło), stosując następujące techniki

wytwarzania:

– modelowania i spiekania,

– rozciągania filmów polimerowych,

– bombardowania w reaktorze atomowym filmów polimerowych,

– inwersji fazowej.

Membrany polimerowe wytwarza się zarówno z polimerów hydrofobowych, jak

i hydrofilowych. Membrany ceramiczne preparuje się głównie z tlenku glinu oraz dwutlenku

cyrkonu. Do wytwarzania membran nieorganicznych stosuje się szkło, metale (pallad,

wolfram) oraz materiały spiekane z węglem.

4.2. Ulrafiltracja - UF

Ultrafiltracja jest stosunkowo niskociśnieniowym procesem wykorzystującym

porowate membrany symetryczne lub asymetryczne o średnicach porów od 1 µm do 10 µm,

pozwalające na przepływ przez membranę np.: cukrów, soli, wody, oddzielając białka

Zakład In Ŝ ynierii Ś rodowiska Wydział Chemii UG - Ć wiczenia Laboratoryjne z In Ŝ ynierii Ś rodowiska

Ć wiczenie nr 7 Techniki membranowe – odwrócona osmoza

i większe cząstki. W procesie ultrafiltracji nie występuje przeciwciśnienie osmotyczne,

a rozdział oparty jest, podobnie jak w mikrofiltracji, na fizycznym odsiewaniu cząstek

substancji rozpuszczonych lub koloidalnych przez membranę o odpowiedniej porowatości.

Procesy dyfuzyjne odgrywają niewielką rolę w mechanizmie rozdziału. Stosowane ciśnienia

nie przekraczają na ogół 1 MPa. W odróŜnieniu od mikrofiltracji, w procesie ultrafiltracji

stosuje się membrany asymetryczne. Membrany ultrafiltracyjne stanowią teŜ podstawę,

szkielet tzw. suport, na który naniesione są membrany kompozytowe stosowane w innych

technikach membranowych, takich jak odwrócona osmoza, perwaporacja i separacja gazów.

Ultrafiltrację stosuje się przede wszystkim do usuwania, zatęŜania, oczyszczania substancji

wielkocząsteczkowych i koloidalnych.

4.3. Nanofiltracja - NF

W nanofiltracji stosuje się membrany pozwalające na przepływ niektórych jonów,

szczególnie jednowartościowych np. sodu czy potasu. Nanofiltracja jest procesem

stosunkowo nowym, który stał się moŜliwy do zrealizowania po opracowaniu metod

produkcji odpowiednich membran. Ciśnienia stosowane przy nanofiltracji wahają się

w granicach od 1 do 3 MPa. Nanofiltrację stosuje się zazwyczaj, gdy naleŜy usunąć

z roztworu np.: białka, cukry i inne duŜe cząstki, pozostawiając w filtracie sole.

Dotychczas nanofiltracja została z powodzeniem zastosowana na skalę techniczną

w procesach uzdatniania wód podziemnych i powierzchniowych, w procesie zmiękczania

wód.

4.4. Odwrócona osmoza (ang. Reverse Osmosis )- RO

Odwrócon ą osmoz ę stosuje się do separacji związków małocząsteczkowych (sole

nieorganiczne, małocząsteczkowe związki organiczne) od rozpuszczalnika. Konieczne jest

stosowanie wyŜszych ciśnień transmembranowych niŜ w przypadku ultra i mikrofiltracji,

poniewaŜ związki małocząsteczkowe charakteryzują się wyŜszymi ciśnieniami

osmotycznymi. Ciśnienia te zaleŜą od stęŜenia znaczniej, niŜ w przypadku roztworów

związków wielkocząsteczkowych.

U podstaw procesu odwróconej osmozy leŜy zjawisko osmozy naturalnej .

W układzie, gdzie membrana rozdziela roztwór od rozpuszczalnika lub dwa roztwory

o róŜnym stęŜeniu, następuje samorzutne przenikanie rozpuszczalnika przez membranę

w kierunku roztworu o większym stęŜeniu. Ciśnienie zewnętrzne równowaŜące przepływ

osmotyczny zwane jest ci ś nieniem osmotycznym , i jest charakterystyczny dla danego

roztworu.

JeŜeli po stronie roztworu wytworzy się ciśnienie hydrostatyczne przewyŜszające

ciśnienie osmotyczne, rozpuszczalnik będzie przenikał z roztworu bardziej stęŜonego

do rozcieńczonego, a więc w kierunku odwrotnym niŜ w procesie osmozy naturalnej.

Dla procesu tego zaproponowano nazwę odwrócona osmoza . Równolegle stosowana jest

czasem nazwa hiperfiltracja .

Odwrócona osmoza pozwala oddzielić rozpuszczalnik (wodę) od substancji

rozpuszczonych nawet o stosunkowo niskiej masie cząsteczkowej, np. sole i cukry.

Mechanizm rozdziału ma charakter dyfuzyjny. Ciśnienia robocze stosowane w procesie

odwróconej osmozy ze względu na wysoką wartość ciśnień osmotycznych rozdzielanych

roztworów są wysokie i wynoszą od 1 do 10 MPa.

Odwrócona osmoza została po raz pierwszy zastosowana w 1953 roku do odsalania

wody morskiej. Wprowadzenie jej do przemysłu nastąpiło dopiero w latach sześćdziesiątych

po opracowaniu przez Loeb'a i Sourirajana technologii wytwarzania na skalę przemysłową

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: