Description
logo filtertech
strona główna     mapa strony     napisz do nas
  • Wszechstronność

    Firma ChemTech jest wysoce specjalistyczną firmą zajmującą się technikami separacji, filtracji procesowej,filtracji cieczy i gazów oraz oczyszczania i rozdziału faz.

  • Doświadczenie

    Działając na rynku polskim i międzynarodowym od dwóch dekad ChemTech stał się uznanym dostawcą filtrów oraz technologii filtracyjnych dla wielu gałęzi przemysłu.

  • Profesjonalizm

    Współpracujemy na zasadzie przedstawicielstw technoczno-handlowych z szeregiem firm polskich izagranicznych.

  • Troska o środowisko

    W dziedzinie ochrony środowiska możemy zaoferować oczyszczanie ścieków pochodzących z procesów elektrochemicznej obróbki metali, odzysk metali z roztworów, zamykanie obiegów wodnych.

Strona Główna Branże Technologie i produkty Dział Projektowy Artykuły B&R Kontakt
Ciśnieniowe filtry płytowe
Demistery Elementy filtracyjne oraz filtry ze spiekanych proszków HDPE
Filtroseparator
Filtry Cintropur Filtry do drukarek przemysłowych
Filtry do maszyn (hydrauliczne oraz powietrza)
Filtry dyskowe
Filtry i zawory oddechowe Filtry koalescencyjne
Filtry metalowe regenerowalne
Filtry powietrza Filtry samoczyszczące Filtry siatkowe
Filtry świecowe Filtry świecowo-workowe typu Ultipleat®
Filtry taśmowe
Filtry węglowe
Filtry workowe Generator azotu
Kapsuły filtracyjne
Nawilżanie powietrza
Obudowy filtracyjne Oczyszczanie CO2 dla przemysłu napojowego
Oczyszczanie ścieków
Osuszacze powietrza Prasa filtracyjna
Sączki membranowe
Separator magnetyczny / Filtr magnetyczny
Sita szczelinowe
Stacje odwróconej osmozy oraz nanofiltracji
Stacje zmiękczania wody
Sterylizacja cieczy i gazów metodą filtracji
Swirl Tubes - cyklony przelotowe
Współpraca Zamienniki

Artykuły

Technologia membranowa. Innowacyjne techniki separacji dla wielu obszarów zastosowań

Technologia membranowa. Innowacyjne techniki separacji dla wielu obszarów zastosowań.

H. Lyko

Od czasów wynalezienia pierwszego dializatora z włókien kanalikowych przez amerykanina Richarda Stewarda oraz opatentowania modułu spiralnego w połowie lat sześćdziesiątych, technologia membranowa uległa niesamowitemu ożywieniu.  Technologia membranowa jest niekwestionowanym liderem w zakresie hemodializy /1/ oraz bardzo istotnym graczem na rynku procesów chemicznych, farmaceutycznym oraz żywieniowym, szczególnie w obszarze oczyszczania i uzdatniania wody. Technologia membranowa niesie ze sobą bardzo istotne korzyści, takie jak delikatna separacja materiałów bez zmian temperatury czy modularna koncepcja instalacji membranowych, umożliwiająca projektowanie ich na niemalże dowolną skalę. Co więcej, czasami nowe metody produkcyjne są ulepszane, a nowe obiegi materii zamykane przy pomocy technik separacyjnych bazujących na użyciu membran.
Mimo wielu ekonomicznych i technologicznych korzyści, które przyniosły ze sobą te technologie na przestrzeni ostatnich czterech dekad, potencjał optymalizacji i rozwoju nie jest został jeszcze jak do tej pory wyczerpany. Na całym świecie niezliczone postępy w badaniach dotyczą nie tylko wytwarzania i testowania nowych materiałów membranowych, ale i zmian w konstrukcjach modułów,  optymalizacji warunków procesowych oraz optymalnej adaptacji instalacji membranowej dla potrzeb procesów inżynierii chemicznej, modelowania procesów separacji membranowej oraz symulacji ich przebiegu.

Rys. 1 Dializer

Ogólnoświatowe znaczenie technologii membranowej

Obecnie, w obszarze najlepiej sprzedających się typów produktów, figurujące w zestawieniach liczby mogą służyć jako imponujący przykład historii sukcesów technologicznych oraz cenny wskaźnik dotyczący przyszłych planów biznesowych. Według Fresenius Medical Care /3/, rynkowego lidera w zakresie hemodializy, w 2009 roku  ok. 150 milionów dializatorów – z ponad 450 kilometrami włókien kanalikowych- znalazło zastosowanie w hemodializie. Ilość wody pitnej, uzyskiwanej co roku w wyniku odwróconej osmozy wody morskiej oraz odsalania wody słonej, wynosi ok. 20 milionów metrów sześciennych na dzień. Odpowiada to mniej więcej połowie całkowitej światowej wydolności w zakresie produkcji wody pitnej, przy czym spodziewany jest dalszy wzrost tego stosunku na rzecz procesów membranowych /4/. Co więcej, wielkość globalnego rynku instalacji odsalania wody morskiej i wody słonej wzrośnie najprawdopodobniej z poziomu 1.7 miliarda dolarów amerykańskich do 3.6 miliarda w 2012. Szacunki te zostały opracowane na podstawie informacji, że w przeciągu następnych pięciu do dziesięciu lat na całym świecie mają się pojawić urządzenia o ogólnej przepustowości 24000000 metrów sześciennych na dzień /5/. 320 000 m3 świeżej wody jest wytwarzane codziennie przez 40 000 elementów RO w Ashkelon, Izraelu, obecnie największej instalacji odsalania wody morskiej.
Mikrofiltracja, ultrafiltracja i odwrócona osmoza to standardowe procesy oczyszczania wód powierzchniowych oraz wód gruntowych w celu zapewnienia wody pitnej i procesowej. Woda o wysokim stopniu czystości, stosowana w przemyśle elektronicznym i farmaceutycznym powstaje w wyniku odwróconej osmozy i elektrodializy w kompletnych, gotowych do połączenia instalacjach.
Niedobory wody oraz nadużywanie źródeł naturalnej wody czystej to przyczyny rosnących oczekiwań dotyczących oczyszczania ścieków w celu otrzymywania z nich wody pitnej, jak robi to obecnie Sulaibiya Wastewater Treatment & Reclamation Project. W ramach tego projektu woda pitna, której poziom czystości jest zgodny z wymogami WHO, powstaje w instalacji uzdatniania wody w Kuwejcie, która w pierwszym etapie rozbudowy będzie oczyszczać 375 000 m3 ścieków z wykorzystaniem filtracji dokładnej, ultrafiltracji i odwróconej osmozy. W tym celu zainstalowanych zostało 8 704 modułów UF o powierzchni membranowej ok. 305 000 m2 oraz 21 168 modułów RO o łącznej powierzchni membranowej równej 783 000 m3.

 

 

Rys. 2 „Mini instalacja membranowa”. Długopis filtrujący (NORIT) przeznaczony do osobistego użytku w celu oczyszczenia wody przed wypiciem.

Coraz większe znaczenie ma również oczyszczanie ścieków komunalnych i przemysłowych w bioreaktorach membranowych. W takim wypadku, biologicznie oczyszczona woda odpływowa jest odseparowywana od biomasy w modułach ultra- lub mikrofiltracyjnych.
Przemysł żywności i napojów pitnych oferuje szerokie możliwości zastosowania membran do osadzania cząstek, zatężania i oczyszczania oraz odsalania i filtracji sterylnej. Zastosowanie procesów membranowych w przemyśle mleczarskim oraz przy wytwarzaniu serwatki /7/ stanowi przykład dobrego zgrania między prezentowaniem nowych technologii separacyjnych a wprowadzaniem nowych produktów lub rozwijaniem nowych sposobów produkcji. Już pod koniec lat sześćdziesiątych zaczęto stosować odwróconą osmozę do zatężania i oczyszczania serwatki. Podczas następnych dwóch dekad, technologia membranowa pozostawiła ślad niemalże w każdym procesie zatężania komponentów, docierając nawet do produkcji suchych proszków. Ponadto, w celu uzyskania konkretnych, oczyszczonych składników opracowane zostały nowe procesy frakcjonowania serwatki lub chudego mleka. Metoda Bacto – Catch (mikrofiltracja), stosowana przy konserwacji mleka, jest jednym z relatywnie nowych odkryć.
Biotechnologia przemysłowa skorzystała z technologii membranowych w zakresie wyodrębniania, separacji i oczyszczania produktów fermentacyjnych.
Niezliczone instalacje membranowe znajdują zastosowanie przy separacji gazów w przemyśle chemicznym i petrochemicznym. Umożliwiają one oddzielenie lotnych węglowodorów ze strumieni powietrza lub uzyskanie monomerów ze strumieni spalin w instalacjach polimerowych i zawrócenie ich do następnego etapu procesu.
Membrany do separacji gazów są stosowane między innymi do obróbki gazów naturalnych. Mniej więcej od połowy lat osiemdziesiątych membrany do separacji gazów były dostępne dla potrzeb separacji powietrza i mogły być stosowane przy wytwarzaniu azotu, np. do zastosowania w kontenerach chłodniczych, w których dzięki małej zawartości tlenu w otaczającej mieszaninie gazów możliwe jest dłuższe przechowywanie żywności.
Perwaporacja, selektywne usuwanie jednego składnika z mieszaniny ciekłej w postaci oparów, jest stosowana przy separacji mieszanin azeotropowych oraz substancji, których temperatury wrzenia są bardzo zbliżone do siebie, przy odwadnianiu cieczy organicznych lub przy usuwaniu lotnych węglowodorów ze środowiska wodnego.
Wiele obiecujących zastosowań w zakresie intensyfikacji procesów z reakcją chemiczną prezentuje metoda permeacji oparów. W reakcjach równowagowych produkty są selektywnie przepuszczane przez membranę, a równowaga jest tak dalece przesunięta na stronę tworzenia produktów, że możliwe jest uzyskanie niemalże kompletnej konwersji.
Membrany mikroporowate bardzo często funkcjonują jako warstwa kontaktu między dwiema cieczami lub między medium ciekłym a gazowym. Właściwa separacja materiałów jest wtedy realizowana poprzez absorpcję lub ekstrakcję.

Definicja i klasyfikacja

Najprościej membranę można zdefiniować  jest przegrodę cienkowarstwową zdolną do selektywnego lub preferencyjnego przenoszenia składników mieszanin. Określa się ją często terminem błony lub folii. W trakcie rozdziału składników na membranie strumień roztworu zasilającego, określany mianem nadawy, ulega rozdziałowi na strumień retentatu (koncentratu) i strumień filtratu (permeatu). Produktem procesu może być zarówno permeat jak i retentat. Czasem zdarza się, że oba strumienie stanowią produkt końcowy procesu. Skład strumienia permeatu i koncentratu zależy przede wszystkim od właściwości użytej membrany.

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 3  Zasada rozdziału strumieni w procesie membranowym.

Podstawowym kryterium klasyfikacji procesów membranowych jest rodzaj siły napędowej wywołującej transport substancji przez membranę. Wyróżnia się:

  • procesy ciśnieniowe – mikrofiltracja (MF), ultrafiltracja (UF), nanofiltracja(NF), odwrócona osmoza (RO);
  • procesy w których siłą napędową jest różnica stężeń – perwaporacja, separacja gazów, dializa, układy z membranami ciekłymi, układy z membranami katalitycznymi;
  • procesy w których siłą napędową jest różnica temperatur – destylacja membranowa, termoosmoza;
  • procesy w których siłą napędową jest różnica potencjału elektrycznego – elektrodializa, membrany bipolarne, elektroosmoza.

Podział ciśnieniowych technik membranowych

                  

Rys.4  Porównanie ciśnieniowych procesów membranowych pod względem zatrzymywanych cząstek.

1.    Mikrofiltracja – MF

Mikrofiltracja jest procesem, w którym cząstki o średnicach  rzędu 0,1-1 μm są oddzielane od rozpuszczalnika i małocząsteczkowych składników roztworu. Mechanizmem rozdziału cząsteczek jest mechanizm sitowym, co oznacza że przez membranę mikroporowatą, która stanowi przegrodę filtracyjną przechodzą cząstki o średnicy mniejszej niż średnice porów membrany. Proces mikrofiltracji pozwala na oddzielenie wodnych roztworów cukrów, soli oraz niektórych białek. Siłą napędową procesu jest różnica ciśnień.

Rys.5  Ilustracja przebiegu procesu mikrofiltracji

Membrany stosowane w mikrofiltracji  wytwarza się z polimerów organicznych (polimerów hydrofobowych i hydrofilowych) i materiałów nieorganicznych tj. ceramika, metale (pallad, wolfram), szkło oraz materiały spiekane z węglem.

Niektóre z technik wytwarzania membran mikroporowatych to:

  • modelowania i spiekania,
  • rozciągania filmów polimerowych,
  • bombardowania w reaktorze atomowym filmów polimerowych,
  • inwersja fazowa.

 

                             Rys. 6 Przykład instalacji mikrofiltracyjnej.

 

2.    Ultrafiltracja – UF

Podobnie jak w przypadku mikrofiltracji mechanizm ultrafiltracji ma charakter sitowy a stosowane membrany charakteryzują się średnicą porów rzędu 0,01 μm. Membrany dla ultrafiltracji mogą być symetryczne lub asymetryczne (membran asymetrycznych nie stosuje się w mikrofiltracji)  i pozwalają na przepływ przez pory cząsteczek cukrów, soli, wody, oddzielając białka i większe cząstki. Ultrafiltrację stosuje się przede wszystkim do usuwania, zatężania oraz oczyszczania substancji wielkocząsteczkowych i koloidalnych. Jest ona stosunkowo niskociśnieniowym procesem, stosowane ciśnienia nie przekraczają na ogół 1 MPa, w trakcie którego nie występuje przeciwciśnienie osmotyczne. Membrany ultrafiltracyjne stanowią często szkielet tzw. suport, na który naniesione są membrany kompozytowe stosowane w innych technikach membranowych, m.in. w  odwróconej osmozie, perwaporacji i separacji gazów.

Rys. 7 Instalacja do ultrafiltracji firmy Milipore

 

3. Nanofiltracja – NF

W procesie nanofiltracji na membranie zatrzymywane są zasadniczo związki organiczne (o masie cząsteczkowej > 200-300) oraz sole dwu- i więcej wartościowe, a przepuszczane w dużym stopniu sole jednowartościowe. Proces filtracji odbywa się pod niskim ciśnieniem.
Procesy nanofiltracyjne ze względu na charakter membran znajdują zastosowanie do uzdatniania wód produkcyjnych (częściowe odsalanie wody, dekarbonizacja, zmiękczanie), chłodniczych, odzysku wody lub surowców ze strumieni poprodukcyjnych, w oczyszczaniu ścieków oraz wszędzie tam gdzie zależy nam na usunięciu z roztworu białek oraz cukrów oraz pozostawieniu soli.

                            Rys.  8 Nanowłókno (ang. nanofiber)

Proces nanofiltracji, ze względu na rodzaj zastosowanej membrany, a także odpowiedni dobór ciśnienia pracy pozwala na modelowanie składu wody w dość znacznym zakresie, przy jednoczesnej filtracji całego strumienia wody. Pozwala to zagwarantować usunięcie 99,9999% zanieczyszczeń mikrobiologicznych.

Własności i charakterystyka materiałów membranowych

Zależnie od wymaganego mechanizmu separacji korzysta się z membran ścisłych lub porowatych, o symetrycznej lub asymetrycznej strukturze, przy czym cienka warstwa aktywna  znajduje się ponad gruboziarnistą strukturą nośną. Materiały, zwykle w formie polimerów, mogą być produkowane względnie tanio i w dużych ilościach jako membrany płaskie, cylindryczne lub włókna kanalikowe. Poza tym, wyróżnia się jeszcze folie i warstewki, jednokanałowe i wielokanałowe rury oraz kapilary wytwarzane z materiałów ceramicznych bazujących na tlenku glinu, tlenku cynku lub tytanu. Membrany metaliczne mają wielkie znaczenie w procesach separacji gazów.

Rys. 9 Przykład przemysłowej instalacji membranowej RO zrealizowanej przez frmę ChemTech

Dobranie odpowiedniej membrany do konkretnego zadania separacyjnego może być zrealizowane dzięki znajomości jej zdolności retencyjnych, selektywności oraz własności transportowych.
Zdolność retencyjna jest mierzona albo na podstawie znajomości rozmiarów porów, molekularnej granicy oddzielania (MWCO –Molecular Weight Cut-Off), zatrzymania soli jako ułamka stężenia nieoczyszczonej wody lub ilorazu przepuszczalności konkretnych substancji (w przypadku mieszanin gaz – ciecz) (zob. Tabela 1). MWCO odnosi się do masy cząsteczkowej, przy której zatrzymaniu ulega 90% konkretnej substancji. Dla uzyskania takiego rezultatu, ułamkowa efektywność separacji membran jest określana podczas filtracji wodnych roztworów specjalnych molekuł (np. dekstranu lub glikolu polietylenowego). Ograniczenia dotyczące tego, czy i kiedy MWCO musi być wyznaczone, są niewyraźne – np. przy nanofiltracji ilość pozostających soli dwuwartościowych musi być podana i nie jest identyczna dla różnych producentów.

Typ procesu separacji Parametry opisujące własności separacyjne Parametry opisujące własności transportowe Wymagane warunki graniczne
Mikrofiltracja Nominalny rozmiar porów (mikrometr) Strumień czystej wody (l/m2h) Ciśnienie, temperatura, sprzęt testowy (flotownik agitacyjny, rpm)
Ultrafiltracja MWCO (kDa) (nominalne) Strumień czystej wody (l/m2h) Ciśnienie, temperatura, sprzęt testowy (flotownik agitacyjny, rpm)
Nanofiltracja Nominalne zatrzymanie soli dwuwartościowych (%) lub MWCO w dodatku do zatrzymania NaCl Strumień czystej wody (l/m2h) Rodzaj soli oraz jej stężenie wraz z pomiarem zatrzymania, ciśnienie, aparatura testowa (flotownik agitacyjny, rpm)
Odwrócona osmoza Nominalne zatrzymanie NaCl Strumień czystej wody (l/m2h) Ciśnienie, temperatura
Permeacja gaz/opary Przenikalność P (Nm3/(m2hbar)) Przenikalność odnosząca się do grubości membrany bariera=10-10Ncm3cm/(cm2s cmHg) Zazwyczaj warunki standardowe (0oC, 1.013 bar) stosowane dla przenikalności, ciśnienie, temperatura, różnica ciśnień transmembranowych dla współczynnika separacji
Perwaporacja Przepływ (kg/m2h) Ciśnienie, temperatura

Rys. 10  Instalacja do uzdatniania wody firmy Osmonics

Własności transportowe są określane na podstawie znajomości ilości przenikającego medium na jednostkę czasu i powierzchni membrany, oraz za pomocą przenikalności (ilość/(czas*powierzchnia*ciśnienie)). W przypadku membran do separacji gazu wyrażenie w mianowniku odnosi się do różnicy ciśnień cząstkowych gazu przenikającego.
Wielkości te określają możliwe do uzyskania stężenia retentatu lub permeatu oraz konieczną do tego powierzchnię membrany. Istnieją pewne proste modele transportu materiałów przez membranę, współistniejące z modelem porów dla czystego przepływu przez pory oraz modelem dyfuzji czysto dyfuzyjnego transportu substancji przez membranę, na podstawie których można wyliczyć natężenie przepływu objętościowego medium przez membranę (mając informacje na temat składu oczyszczanej mieszaniny oraz niektórych stałych materiałowych membrany). Graniczna warstwa stężenia, spowodowana wzbogacaniem substancji zatrzymywanej oraz natężeniem przepływu przez membranę, jest zwykle włączana do modelowania transportu materiałowego przy pomocy teorii warstewkowej. Producenci dostarczają programy komputerowe dla odwróconej osmozy, które umożliwiają zaprojektowanie konstrukcji instalacji dla odpowiedniego rodzaju membrany i charakterystyki modułu.

W rzeczywistości, możliwości i dokładność przewidywania zatrzymania oraz własności transportowych membran są zwykle ograniczone. Poza stosunkiem rozmiaru cząstek do rozmiaru porów oraz własności dyfuzyjnych i rozpuszczalności komponentów, ważną rolę odgrywa również polarność / ładunek, tworzenie się uwodnionych powłok lub miceli, ładunku na powierzchni lub własności hydrofilowych membrany, stopnia jej zwartości, własności spęczniających (w przypadku cieczy i oparów organicznych), oraz interakcji między składnikami mieszaniny. Fouling lub/i scaling (organiczny lub nieorganiczny osad na powierzchni membrany) to zjawisko pojawiające się niemalże wszędzie tam, gdzie przeprowadzana jest filtracja z udziałem cieczy. Zależny od tego zjawiska przepływ permeatu, który spada wraz z czasem filtracji, musi być zregenerowany przy zastosowaniu odpowiedniego czyszczenia lub strategii przepłukiwania. W wielu przypadkach, przy wyborze i ocenie membrany, testy laboratoryjne i pilotażowe muszą być przeprowadzane na powierzchni konkretnej membrany.

 

Podstawowe typy membran

Ze względu na dużą różnorodność membran podziału wśród nich można dokonać ze względu na różne parametry. Głowna klasyfikacja opiera się na trzech kryteriach, którymi są:

1. Pochodzenie:

  • Membrany syntetyczne: organiczne (polimerowe) i nieorganiczne (ceramiczne, węglowe, szklane, ze stali szlachetnej). Membrany polimerowe wytwarza się najczęściej z octanu celulozy, poliamidów oraz polietylenu. Charakteryzują się one różnorodnością struktury, niską ceną wytwarzania i prostą technologią wytwarzania. Do głównych wad membran syntetycznych należą zwykle mała odporność termiczna i krótki okres żywotności, ze względu na starzenie się polimerów. Membrany nieorganiczne wykazują dużą odporność na zmiany temperatury i mogą być z powodzeniem używane przez długi okres czasu, jednak odznaczają się zwykle dużą łamliwością, co wymaga budowania specjalnych konstrukcji. Wiąże się to zwykle z dużymi kosztami wytwarzania.

Rys. 12 Membrana organiczna    Rys. 13 Membrana ceramiczna

  •  Membrany biologiczne (plazma, błony komórkowe).

2. Morfologia:

  • Nieporowate-homogeniczne. Separacja składników na membranach nieporowatych zachodzi ze względu na obecność w nich porów o wielkości molekularnej. Liczba i położenie porów podlega ciągłym zmianom w wyniku ruchów cieplnych. Do membran nieporowatych zalicza się zwykle membrany nieorganiczne ceramiczne i szklane, membrany organiczne z octanu celulozy, kauczuku silikonowego i polietylenu oraz membrany ciekłe. Wśród membran nieporowatych dokonuje się dodatkowego podziału na membrany homogeniczne obojętne (znajdujące zastosowanie w odwróconej osmozie oraz permeacji gazów) i membrany jonowymienne (wytwarzane  z polimerów jonowych, polielelektrolitów z silnymi grupami kwasowymi lub grupami silnie zasadowymi, znajdują zastosowanie w nanofiltracji i elektrodializie).
  • Porowate o szerokim zakresie wielkości porów stosowane w ultra- i mikrofiltracji.

3. Struktura

  • Symetryczne o strukturze jednorodnej.
  • Asymetryczne o strukturze uwarstwionej (zbudowane z dwóch warstw, warstwa zewnętrzna o grubości mieszczącej się w przedziale0.1-0.5 μm pełniąca funkcję warstwy permeacyjnej oraz warstwa wewnętrzna o porowatości 150-300 μm, spełniająca zadanie przejmowania obciążeń mechanicznych i tym samym ochrony warstwy permeacyjnej). Wśród membran asymetrycznych wyróżniamy się membrany uzyskiwane metodą inwersji faz (wykonane z jednej substancji) oraz kompozytowe (wykonane z dwóch różnych substancji, otrzymywane przez nakładanie warstw). Membrany dynamiczne również zalicz się do membran asymetrycznych. Składają się one z nośnej przegrody i naniesionej na nią substancji zwanej pomocą filtracyjną (dodawaną do nadawy). Głównym obszarem zastosowań membran asymetrycznych jest nanofiltracja i odwrócona osmoza.

                                        Rys. 14 Podział membran

 

Konstrukcje modułów

Konstrukcja modułu określa strumień zasilania mieszaniny na powierzchnię membrany, a w ten sposób również profil prędkości, który, podobnie jak stosunki stężeń w sąsiedztwie powierzchni membrany, jest czynnikiem decyzyjnym przy wymianie materiałów.
Wpływ konstrukcji modułu na zdolność zatrzymania jest szczególnie widoczna w odniesieniu do formowania się górnych warstw. Osiągalne dla danego modułu wielkości powierzchni na jednostkę objętości oznaczają odpowiednio duże zapotrzebowanie na przestrzeń oraz spore koszty inwestycyjne przy budowie instalacji. Moduły membranowe z membranami polimerowymi są dostarczane w formie modułów spiralnych, płaskich, modułów kasetowych i kieszeniowych, cylindrycznych, modułów z włókien kanalikowych oraz kapilarnych.
Dobór odpowiedniego modułu dla konkretnego zadania separacyjnego jest dokonywany na podstawie znajomości lepkości oraz zawartości ciała stałego w strumieniu wlotowym, przy czym pod uwagę brane jest zapotrzebowanie na przepłukiwanie lub oczyszczanie chemiczne. Dla przykładu, moduły spiralne mają bardzo dużą wartość powierzchni membrany na jednostkę objętości, ale ich konstrukcja nie pozwala na przeprowadzanie wymywania zwrotnego (z jednym istniejącym wyjątkiem na rynku).
Poza modułami z membraną , która jest umocowana w konkretnym miejscu, istnieje wiele różnych typów urządzeń, w których membrana płaska porusza się względem medium rotacyjnie lub oscylacyjnie. Dynamiczna filtracja z przepływem skrzyżowanym (cross – flow) oferuje możliwość zastosowania na powierzchni membrany siły tarcia, która jest niezależna od prędkości przepływu medium. W ten sposób zapobiegano by powstawaniu warstw zanieczyszczeń na membranie lub zatykaniu porów, nawet w przypadku cieczy o dużej zawartości ciała stałego.
Co więcej, podczas doboru materiału membranowego oraz kształtu modułu i materiału, z którego ma być wykonany, ważne jest pamiętanie o tym, że podczas oczyszczania muszą one poradzić sobie z oddziaływaniami chemicznymi, termicznymi i mechanicznymi.

Rozwój nowych rodzajów membran

Jednym z pierwszorzędnych celów przy rozwijaniu nowych typów membran jest poprawa ich zdolności separacyjnych oraz przenikalności. Wśród membran porowatych na uwagę zasługują ultra cienkie membrany o dużej gęstości upakowania porów oraz niemalże identycznych rozmiarach ich średnic. Mikrosita produkowane przez duńskich wytwórców, Fluxxion, bazujące na płytkach silikonowych i dysponujące szerokością porów dochodzącą do 0.35 µm (pory koliste lub szczelinowe), wykazywały dopuszczalne natężenia przepływów około 100 razy większe niż w przypadku zastosowania komercyjnych polimerów lub membran ceramicznych.
Modyfikacja powierzchni membran podnosi selektywność, ułatwia przejście niektórym rozpuszczalnikom i rozpuszczonym substancjom (powierzchnie hydrofobowe i hydrofilowe) oraz zapobiega aglomeracji substancji, która mogłaby później spowodować fouling. Nowe polimery lub mieszanki polimerów poprawiają stabilność w obecności rozpuszczalników organicznych, silnych kwasów lub roztworów alkaliów.
Obecnie, w warunkach wysokotemperaturowej dekompozycji powietrza, testowane są nowe wyroby ceramiczne (membrany MIEC), które przewodzą zmieszane jony i elektrony. Celem jest generacja powietrza wzbogaconego w tlen dla użycia w procesach spalania w Hermsdorfer Institute for Technical Ceramics.
Kolejną innowacją w obszarze separacji gazów są tak zwane membrany „mixed-matrix”. Są to membrany polimerowe o gęstym upakowaniu, do których dołączone zostały cząstki nieorganiczne.

Rys. 15 Nowa membrana w kształcie plastra miodu bez rozpórek i struktur wspomagających (dostarczona przez IVT, RWTH Aachen)

Efekt „mixed-matrix” bazuje na zasadzie, że włączenie sit molekularnych o wysokim stopniu selektywności względem kształtu i rozmiaru (takich jak zeolity lub sita molekularne węglowe), o rozmiarach porów pozwalających na rozróżnianie penetrantów wewnątrz matrycy polimerowej, może znacznie polepszyć całkowitą selektywność membrany hybrydowej w porównaniu do czystej membrany polimerowej.
Nowoczesny samo wspomagający się moduł membranowy został zastosowany w kontaktorach w Institute for Process Engineering, RWTH Aachen. Struktura typu plaster miodu składa się z jednorodnej membrany płaskiej. Oprócz niej w module występują również materiały uszczelniające takie jak przekładki, materiały włókniste lub uszczelki.

 

Optymalizacja stosowanych procesów membranowych

Przetestowane uprzednio materiały membranowe znajdują zastosowanie w wielkoskalowych instalacjach uzdatniania wody oraz oczyszczania wody pitnej. Bardzo niewiele, jeśli w ogóle cokolwiek, wiadomo o jakichkolwiek wysiłkach mających prowadzić do wynalezienia nowych rodzajów membran dla tego typu zastosowań, natomiast sporo mówi się o próbach ulepszenia istniejących już procesów poprzez hydrauliczną optymalizację modułów, odpowiednie oczyszczanie wstępne, cykle czyszczące i koncepcje kontroli. Koncepcje te, dla przykładu, to próby zastosowania sieci neuronowych w celu modelowania pewnych istotnych parametrów kolejnych cykli filtracyjnych (na podstawie znajomości danych otrzymywanych bezpośrednio w trakcie przebiegu procesu).
W projekcie OSMO (Optimal Saving In Membrane Operation) na University of Twente, mniejsza komórka filtracyjna funkcjonuje równolegle do ślepo zakończonych modułów membranowych. Dzięki takiemu ułożeniu bardzo szybko dostarczane są informacje na temat zmian jakości wody nieoczyszczonej oraz ich wpływu na możliwości filtracyjne. Wiedza ta służy następnie do optymalizacji oczyszczania wstępnego (dla przykładu do pomiaru flokulacji) oraz częstotliwości występowania back-flushingu i cykli czyszczących.

Nanofiltracja organofilowa jako techniczne zastosowanie nowych rodzajów membran

Koniec końców, przy omawianiu procesów z reakcją chemiczną rzadko występuje odniesienie do membran. W przeszłości, jedną z bardziej istotnych przyczyn był brak dostępności chemicznie stabilnych membran, przez które można było filtrować rozpuszczalniki organiczne. Mówiąc ogólnie, nanofiltracja umożliwia zastosowanie membran do produkcji materiałów małocząsteczkowych, obróbki ciekłych węglowodorów oraz regeneracji katalizatorów. Co więcej, wymagane membrany stały się popularniejsze dzięki temu, że dostępne stały się moduły komercyjne i siloksan polimetylu. Obecnie, w ramach wspólnego projektu badawczego nanofiltracja jest poddawana testom w zintegrowanym reaktorze membranowym przeznaczonym do delikatnej separacji katalizatora rodowego podczas hydroformylowania, produkcji aldehydu z węglowodorów i gazu syntezowego /8/. Projekt ten, prowadzony wspólnie z projektem BMBF przez DEGUSSA (obecnie Evonic Degussa), centrum badawcze GKSS, GMT Membrantechnik GmbH oraz politechniki w Darmstadt i Rostock, pokazuje, że długa i intensywna praca badawcza jest konieczna zanim wynalezienie nowej membrany może zostać uznane za sukces przemysłowy. Od kiedy procesy membranowe zostały włączone do procesów z reakcją chemiczną, uzyskano pewne nowe odkrycia na temat wpływu na aktywność katalizatora oraz możliwych do osiągnięcia stopni jego regeneracji, co stanowi kolejną część składową wiedzy prowadzącej do poprawnego zrozumienia procesu separacji oraz jego zależności od stężeń i właściwości materiałów.

Literatura
/1/ Melin, T.: Membrantechnik; Chemie Ingeieur Technik 75 (2003), No. 10, P. 1464-1466.
/2/ Ripperger, S.  Stand Und Perspektiven der Membrantechnik; F&S Filtrieren Und Separieren 20 (2006) No. 1, P. 11-16.
/3/ Vienken, J.: Membranes in Medical Technology – Applications, Approaches and Intentions for Haemodialysis; Conference Proceedings of the 11th Aachen membrane colloquium; march 29/29, 2007, P. 515-520.
/4/ Peters, T.: Improving Seawater Desalination with Reverse Osmosis; Filtech 2007 International Conference and Exhibition for Filtration and Separation Technology; Conference Proceedings II, P. 481-488.
/5/ Announcement on the trend report “Sea water and brackish water” published in January 2008 by BCC Research under www.bccsearch.com
/6/ Widman, W.: Das Sulaibija Wastewater Treatment & Reclamation Project; Membrantechnik in der Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung; Conference Proceedings of the 6. Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik October 2005, P.W22-1 – W22-16.
/7/ Gunsing, M.; Sibeijin, M.; van der Horst, C.; de Jong, P.: Applications of membranes in the dairy industry: Present Use and Future Demands, Conference Proceedings of the 10th Aachen membrane colloquium; March 16-17, 2005, P. 51-61.
/8/ Lyko, H.: Membrananwendungen in der Prozessindustrie und zur Energiegewinnung; F&S Filtrieren und Separieren 21 (2007) No. 4, P. 234-238.
/9/ Beeskow, T.; Streger, J.: Polymeric membranes for Organophilic Nanofiltration; Filtech 2007 International Conference and Exhibition for Filtration and Separation Technology; Conference Proceedings II, P. 534-546.
Dr.-Ing. Hildegard Lyko
D-44229 Dortmund
Phone +49 (0) 231-730-696

[Głosów:4    Średnia:2.5/5]
Jesteśmy dystrybutorem firm

#   #    #

         #          #          #




Adres rejestracyjny firmy: Siedziba: Kontakt:
Pl. Konstytucji 5/84,
00-657 Warszawa
ul. Kolejowa 53 Tel: +48 22 751 38 82
NIP: 526-100-02-14 05-092 Łomianki Fax: +48 22 751 38 81
REGON: 010697855

 

Google Facebook
2003-2009 ˆ ChemTech FilterTech | projekt: x4 studio wykonanie: G&T HOUSE
zamknij  
Keywords
Aby wysłać do nas wiadomość wypełnij poniższy formularz.

Wszystkie pola muszą być wypełnione.
Imię, nazwisko, firma
Twój adres e-mail
Wiadomość
#