1 Wykład 1 Wprowadzenie do metod membranowych

2 Cele metod rozdzielania:1)     zatężania 2)     oczyszczanie 3)     frakcjonowanie

3 Historia 1956 W. Kolff sztuczna nerka1995 Nakłady finansowe na prod. membran 3 mld USD 2007 Globalna sprzedaż wyposażenia do technik membranowych 8 bln USD (McIlvaines’s report) 1855 A. Fick membrany kolodionowe 1866 T. Graham membrany kauczukowe 1950/1960 S. Loeb i S. Sourirajan membrany asymetryczne 1950 W.Judy i W. McRae membrany jonowymienne Wszystkie ludzkie działania i myśli przechodzą drogę od prymitywu poprzez zawiłość do prostoty. Antoine de Exupery, 1939

4 Podział technik membranowych IPodział technik membranowych I. Ze względu na rodzaj siły napędowej procesu Różnica ciśnień Różnica stężeń (aktywności) Różnica temperatury Różnica potencjału elektrycznego Mikrofiltracja MF Perwaporacja PV Termoosmoza TRO Elektrodializa ED Ultrafiltracja UF Permeacja gazów GS Destylacja membranowa MD Techniki z wykorzystaniem membran bi i tripolarnych BPED Nanofiltracja NF Dializa D Odwrócona Osmoza RO Technika z wykorzystaniem membran ciekłych LM

5 II. Ze względu na wielkość zatrzymywanych cząstek

6

7 Mechanizm filtracji membranowejNADAWA RETENTAT PERMEAT

8 Model kapilarny Efekt sitowy Selektywność membrany Prawo Poiseuille’a:objętościowym strumieniem permeatu [m3 s-1 m -2] grubość membrany ciśnienie transmembranowe współczynnik permeacji (liczba kapilar na jednostkę powierzchni membrany, porowatość membrany, współczynnik geometryczny)

9 Model dyfuzyjny Jn molowy strumień związku dyfundującego[mol m-2 s-1]Rozpuszczalność i szybkość dyfuzji Selektywność Jn molowy strumień związku dyfundującego[mol m-2 s-1] grubosć membrany współczynnik dyfuzji związku penetranta w membranie stężenie składnika w nadawie stężenie składnika w permeacie

10

11 Typy membran

12 Transport w membranie Transport Transport TransportTransport Transport Transport Bierny Ułatwiony Aktywny N N P P P N I i II generacja III generacja Pierwsze próby lab

13 Charakterystyka pracy membrany1)   strumień permeatu (wydajność) JV [m3 s-1m2], JN [mol s-1m2] 2)   efektywność R = (CN – Cp) / CN 3) Graniczna masa molowa GMM (cut off) – masa molowa modelowych związków (poliglikole etylenowe, białka globularne) zatrzymywanych przez membranę w 90%

14 Metody wytwarzania membran·       Metoda spiekania (pory  1 m, duży rozrzut) ·       Metoda rozciągu (pory  0.02m) ·       Metoda radiacyjna (0.03m  pory 12 m) ·       Metoda inwersji faz (różne rozmiary porów) 1)     czynniki termiczne 2)     odparowywanie rozpuszczalnika – „sucha” 3)     żelowanie nierozpuszczalnikiem – „mokra” 4)     dodatek polimeru porotwórczego ·       Powlekanie membrany mikroporowatej warstwą permeacyjną (kompozytowe) ·       Metoda formowania dynamicznego (tworzy się w trakcie procesu separacji)

15

16

17

18 Polimery i związki nieorganiczne stosowane do wytwarzania membran:Najwcześniej zastosowane i do dziś stosowane: celuloza, octan i azotan celulozy, Hydrofobowe: teflon, polifluorek winylidenu, polipropylen Hydrofilowe: poliamidy, polisulfon, poliwęglany, polialkohol winylowy Nieorganiczne: tlenki metali głównie przejściowych ZrO2, grafit, szkło, metale

19

20 Trudności techniczne w stosowaniu technik membranowych·       Polaryzacja stężeniowa ·       Adsorpcja ·       Fouling i Scaling ·       Deformacja porów

21 Moduły membranowe i sposoby prowadzenia strumieni1. Moduł rurowy (mała gęstość upakowania, przepływ turbuletny) 2.    Moduł kapilarny zespół (duża gęstość upakowania, przepływ laminarny) 3.    Moduł płytowy (prosta konstrukcja, mała gęstość upakowania, straty ciśnienia przy zawracaniu przepływu) 4.    Moduł spiralny (prosta konstrukcja, duża gęstość upakowania, trudności z czyszczeniem)

22 Moduł Rurowy

23 Moduł Płytowy

24 Moduł Kapilarny

25 Moduł spiralny

26 Moduł Rurowy Kapilarny Płytowy Spiralny Metoda RO  PV GS ED D UF MF

27 Prowadzenie strumieni w modułach membranowych