INTEGROVANÉ MEMBRÁNOVÉ PROCESY · Vývojové hybridní membránové procesy Jan Kinčl INTEGROVANÉ MEMBRÁNOVÉ PROCESY Brno 4.3.2014

Vývojové hybridní membránové procesy Jan Kinčl

INTEGROVANÉ MEMBRÁNOVÉ PROCESY Brno 4.3.2014

Membránové inovační centrum

Vývojové hybridní MP Principy

• Integrované MP = spojení procesů za sebou

• Hybridní MP = spojení procesů do jedné jednotkové operace

• Mnoho současně probíhajících dějů • složitější teoretický popis

• složitější návrh

• složitější řízení

• Nižší náklady na investice • intenzifikace současného zařízení

• nižší zastavěná plocha

• Provozně většinou neutrální • jednotkové operace potřebují pořád totéž


Vývojové hybridní MP MF a IEX nebo adsorpce

• Mikrofiltrace

• odstraňuje původní částice

• nerozpuštěné částice

• mikroorganismy

• separuje přidané částice

• iontovýměnné pryskyřice

• zeolity

• aktivní uhlí

• fotokatalyzátor

odpadnívoda

MF/UF

vyčištěnávoda



• Iontová výměna

• práškové kation a anionvýměnné pryskyřice

• zeolity a jíly

• odstraňuje kationty: tvrdost, těžké kovy

• odstraňuje anionty: dusičnany, bór, DOC

• chrání membránu

• Provozní problémy

• Regenerace? Jak?s

odpadnívoda

MF/UF

vyčištěnávoda



• Adsorpce

• práškové aktivní uhlí

• odstraňuje organické látky

• pesticidy, fenoly, barviva, CHSK


• velmi porézní, nezvyšuje tlakovou ztrátu


• Nevidím

odpadnívoda

MF/UF

vyčištěnávoda



• Fotokatalýza

• titanová běloba a UV záření

• odstraňuje těžko rozložitelné organické látky

• hormony, huminové látky



• Vysoká spotřeba energie a nízká účinnost.

• Radikálové oxidativní prostředí: degradace membrán?

odpadnívoda

MF/UF

vyčištěnávoda



• Vsádka iontoměniče nebo adsorbentu

• Mírně míchaná nádoba

• Dutá vlákna, sání v dead-end módu

• Přívod nástřiku = odvod permeátu

• Záchyt látek na částicích v míchaném

objemu, ve filtračním koláči a na membráně

• Skupina ÚECHI FCHT Univerzity Pardubice

a několik dalších po světě



• Složitosti popisu

• nerovnoměrný tok ve všech částech modulu

(zanesení modulu, tlaková ztráta ve vlákně)

• nerovnoměrná doba zdržení

(zkratové toky ve filtračním koláči)

• Složitosti provozu

• Používat opakovaně? = Náklady na

regeneraci nebo na vlákna a náplň?

• Regenerovat náplň? = Odpadní náplň nebo

chemikálie?

• Jak? = Dostat z vláken, dostat z nádrže.


Vývojové hybridní MP MBR = MF a bioreakce

• Běžně používaný proces

• Dutá vlákna, sání

• Ponořeno na konec provzdušňované nádrže sekundárního čištění, nahrazuje terciální dočištění

• Dutá vlákna, sání v dead-end módu

• Záchyt látek na částicích v míchaném objemu, ve filtračním koláči a na membráně


Vývojové hybridní MP IEMB: DD a bioreakce

• Donanova difuzní dialýza a bioreakce

• Anion nebo kationvýměnné membrány

• Odstranění iontů z odpadních vod

• Anionty: dusičnany, fluoridy, fosforečnany, sírany,

chloristany

• Kationty: amonné ionty, těžké kovy

• Velizarov, Reis, Crespo a další z Univerzity v Lisabonu



• Vstupy: odpadní voda s dusičnany a živný roztok

• Difuse dusičnanů podpořená opačnou difuzí chloridů (Donova dialýza)

• Nitrifikace dusičnanů na dusík

• Zdrojem uhlíku je etanol

• Kationty zůstávají

• Výstupy: odpadní voda s chloridy a voda s CO2 a N2

Na+ K+

Ca2+

Mg2+

Cl-

C2H5OHCl-, voda

odpadnívoda

AM

Na+ K+

Ca2+

Mg2+

Cl-C2H5OH + NO3

- NO3-

H2O + CO2 + N2

denitrifikace

CO2, N2 voda

vyčištěnávoda



• Deklarované výhody

• Oddělení bakterií od zpracovávaného roztoku přímo v reaktoru

• Vyšší odstranění dusičnanů než Donanovou dialýzou

• Iontovýměnná membrána je selektivnější k dusičnanům než dalším

iontům (uhličitany, sírany), jejich hromadění je omezeno

• Nevýhody

• Spotřeba etanolu, výroba CO2

• Spotřeba soli, zanášení chloridů do produktu, hromadění sodíku



• Nejistoty a provozní složitosti

• Jen na ionty, muselo by být za normálním biologickým čištěním

MBR?

• Uhlíku se zbavím předem a pak dávám nový?

• Jak dostávat mikroorganismy z membránového reaktoru? Vadí

tam?

• Příležitosti

• Výroba bioaktivních látek?



• Další možnosti • Zdroj uhlíku: etanol, metanol, octan

• Membrány • iontovýměnné

• MF (0.01μm, 0.02 μm), UF (500kDa) – nutno dobře hlídat tlaky

• Hnací síla • difuzní dialýza

• Donanova dialýza

• Reakce • biodegradace (dusičnany)

• srážení (arsen)


Vývojové hybridní MP UF s ED

• Dvě hnací síly: tlak a elektrické pole

• Separace jednotlivých bílkovin na základě náboje a velikosti

• Omezení foulingu UF membrán

• Ve fázi laboratorních testů, probíhá scale-up

• Projekt Whey2Food, www.whey2food.eu na syrovátkové

bílkoviny

• Univerzita Laval Quebec, bílkovinné hydrolyzáty krabích

schránek

http://www.whey2food.eu/



• Zapojení pro izolaci malých kladně

nabitých bílkovin

• Malé kladné prochází, malé záporné

drženy elektrickým polem, velké kladné

drženy UF membránou, velké záporné

drženy UF membránou i elektrickým polem

• Možné variace na dělení různých frakcí

• porozita UF membrány (malé/velké)

• složení svazku a polarita

• ovlivnění pH – isoelektrický bod bílkovin

Cl-

syrovátkové bílkoviny voda

AM

syrovátkové bílkoviny

izolovaná frakce

++++++++++

-----------

katodaanoda CM UF

+

+

-

-

+



• Provozní složitosti a nejasnosti

• utěsnění tenké UF membrány?

• difuse dokáže přetlačit konvekci? při jakých podmínkách a

energetických nárocích?

• Vysoká konkurence: mnoho procesů na izolaci bílkovin

(UF, vysolování, chromatografie, ...), jakoukoliv bílkovinu

lze dnes koupit izolovanou


Vývojové hybridní MP Chemická reakce s pervaporací

• esterifikace C2H5COOH+C3H7OH ->

C3H7OCOC2H5+ H2O

• heterogenní katalyzátor

• do reakční směsi ponořen

pervaporační modul

• odvod vzniklé reakční vody

• hnací síla: vakuum, teplota kys. propionová1-propanol

PV

reakčnívoda

n-propyl propionát

esterifilakcena heterogenním

katalyzátoru

vakuum


Vývojové hybridní MP Oxidace s ultrafiltrací

• oxidace As3+ na As5+ ozónem

• heterogenní katalyzátor z nanočástic

oxidu železa

• nanesený na keramické UF

membráně

• vyšší rejekce membrány pro

oxidovaný arsen

• další možnosti: oxidace NOM spodní voda As3+

ozon O3

UF

permeátvoda

retentátAs5+

oxidace na heterogenním katalyzátoru

nanočástice oxidů železa


Vývojové hybridní MP MBR s elektrokoagulací

• standardní ponorný MBR s MF

membránou

• elektrokoagulace na zvětšení velikosti

zachycovaných částic

• výhody: zvýšení rejekce N, P, CHSK, Se

• nevýhody: složitější, spotřeba proudu

• Univerzita Saarbruken, Universita

Teherán, Anna University

MBR

nástřiknádrž

aeraceAl anodaSS katoda

produkt


Vývojové hybridní MP Flotace s MF

• MF modul ponořený do flotační nádrže

• Výhody • bublinky čistí membránu, vyšší tok než bez flotace

• modul nepotřebuje nádrž, nižší náklady

• Vyzkoušeno pro • keramickou membránu

• Zn2+, sorpce na zeolit, hydrofobizace zeolitu HDTMA-Br

• Zn2+, sorpce na hydrotalcit, hydrofobizace oleátem sodným

• Fe3+, PO43-, hydrofobizace sraženiny oleátem sodným

• Univerzita v Soluni

MF

permeát

flotační pěna

vzduch

nástřik


Vývojové hybridní MP Kapalné membrány a ED

• Elektrické pole na kapalné membrány

• Výhody: zvýšení intenzity transportu

difusí k membráně a od membrány

• Vyzkoušeno pro Mn2+

• Univerzita v Salaspils (LV)

odpadní voda

voda,kyseliny

vyčištěná voda

voda, kyseliny, Mn2+

++++++++++

-----------

katodaanoda MF-LM

Mn2+ Mn2+


Vývojové hybridní MP RO a ED

• RO dutá vlákna tvoří rozdělovač ED

• Sole z RO koncentrátu odváděny ED

• Spekulativní: zatím nic netestováno

• Lze čekat zásadní problémy

• Univerzita v Coloradu

nástřik nástřik

permeát koncentrát

++++++++++

-----------

katodaanoda MF-LM

sole sole


Vývojové hybridní MP Souhrn

• Membránové separace jako hudební styly

• fúze čehokoliv s čímkoliv do nové jednotkové operace

• ve fázi výzkumu omezeno jen představivostí, univerzity si hrají

• Kombinace membránových procesů s adsorpcí, katalýzou, bioreakcí,

elektrokoagulací, flotací či s jinými membránovými procesy

• Téměř vše ve fázi výzkumu a vývoje, průmyslové využití zatím nízké

(MBR, EDI)

• Mnoho kombinací nikdy nenajde aplikaci, mnoho ji jinde než bylo zamýšleno

• Mnoho praktických problémů a nejasností: jak vyrobit, jak používat, kolik to

bude stát?

• I tak to stojí za to, něco uplatnění už našlo a něco ještě najde.


Nabídka pro studenty

• Studentům nabízíme spolupráce při bakalářských, diplomových a disertačních pracích

• Praktické práce (návrh experimentu, měření, vyhodnocení) v oblasti elektromembránových procesů

• Modelování elektromembránových procesů (modely toku, transportu solí přes membrány, foulingové vrstvy, odporů, zkratových proudů)

• Rešeršní bakalářské práce

• Nové MIC = hodně místa, přístrojů a práce

Integrace EMP do separačních technologií


Pod Vinicí 87

471 27 Stráž pod Ralskem

Tel,fax: +420 487 888 653, 102

Web: http://www.membrain.cz

E-mail: [email protected]

Děkuji za pozornost

ISO 9001:2009, ČSN EN ISO 14001:2005 a OHSAS 18001:2007

http://www.membrain.cz/

http://www.membrain.cz/

mailto:[email protected]

Documents

INTEGROVANÉ MEMBRÁNOVÉ PROCESY · Vývojové hybridní membránové procesy Jan Kinčl INTEGROVANÉ MEMBRÁNOVÉ PROCESY Brno 4.3.2014