Oczyszczanie wody metodą ...

Oczyszczanie wody metodą odwróconej osmozy, Zarządzanie i inżynieria produkcji, Ekologia, Gospodarka ...

[ Pobierz całość w formacie 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
2
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
3
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
a
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:
a
Zakład In
Ŝ
ynierii
Ś
rodowiska Wydział Chemii UG -
Ć
wiczenia Laboratoryjne z In
Ŝ
ynierii
Ś
rodowiska
4
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
5
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
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

happyhour.opx.pl