Filtrace a katalytický rozklad nežádoucích složek

Pokročilé sanační technologie a procesy
ARTEC
Filtrace a katalytický rozklad nežádoucích složek
v odpadních vzdušninách a spalinách pomocí
nanovlákenných filtrů
Petr Šidlof1, Jakub Hrůza2, Pavel Hrabák1
Šidlof, Hrůza, Hrabák: Filtrace a katalýza pomocí nanovlákenných filtrů
1
NTI FM TUL
2
KNT FT TUL
Seminár ARTEC, 05/2009
Pokročilé sanační technologie a procesy
ARTEC
Obsah
1. Úvod
• výhody nanovlákenných materiálů pro filtrační aplikace
• možné aplikace nanovláken
• jako materiálu pro fyzikální filtraci
• jako nosiče katalyzátoru pro katalytický rozklad nežádoucích látek
2. Využití laserových metod pro vizualizaci filtračního procesu
• experimentální trať pro filtrace vzdušnin
• experimentální trať pro filtrace znečištěných vod
• kvantifikace účinnosti filtru
3. Čistění horkých spalin (spalovna komunálního odpadu Termizo a.s.)
• stávající technologie čištění spalin
• textilní filtr Remedia – GORE pro destrukci PCDD/F
• možnosti nahrazení filtru Remedia nanovlákenným materiálem s katalyzátorem na
bázi oxidů ušlechtilých kovů
• návrh testovací aparatury pro nové katalyticky-filtrační materiály
Šidlof, Hrůza, Hrabák: Filtrace a katalýza pomocí nanovlákenných filtrů
Seminár ARTEC, 05/2009
Pokročilé sanační technologie a procesy
ARTEC
I. Úvod
Šidlof, Hrůza, Hrabák: Filtrace a katalýza pomocí nanovlákenných filtrů
Seminár ARTEC, 05/2009
Pokročilé sanační technologie a procesy
ARTEC
I. Úvod
Klasické vs. nanovlákenné filtry
Výhody nanovláken
•
•
průměr vlákna řádově 100µm – velký
měrný povrch
Směr
proudění
Filtr
při stejné tlakové ztrátě na filtru vyšší
účinnost
Zachycené částice
polyimid 1.0 g/m2
polyuretan 2.13 g/m2
Šidlof, Hrůza, Hrabák: Filtrace a katalýza pomocí nanovlákenných filtrů
Seminár ARTEC, 05/2009
Pokročilé sanační technologie a procesy
ARTEC
II. Využití laserových metod pro vizualizaci
filtračního procesu
Šidlof, Hrůza, Hrabák: Filtrace a katalýza pomocí nanovlákenných filtrů
Seminár ARTEC, 05/2009
Pokročilé sanační technologie a procesy
ARTEC
II. Laserové metody
Experimentální trať pro filtrace vzdušnin
spolupráce s laboratoří laserové anemometrie (RSS FM)
1. Laser NewWave Gemini PIV,
16Hz max.
2. PIV kamera Dantec HiSense
12bit, 1280x1024, 4.5 doubleframes/sec max, objektiv Nikon
AF Nikkor 60mm
3. Řídící jednotka kamery Dantec
Camera Controller.
4. Dantec System Hub –
Flowmap.
5. Řídící PC.
6. Generátor částic
7. Vysavač AEG CE 250, 1600W.
8. Filtr.
9. Digitální diferenciální snímač
tlaku GMH 07AN, rozsah 0-20kPa
schéma aparatury
Šidlof, Hrůza, Hrabák: Filtrace a katalýza pomocí nanovlákenných filtrů
detail kanálu s filtrem
Seminár ARTEC, 05/2009
Pokročilé sanační technologie a procesy
ARTEC
II. Laserové metody
Použité snímače, sběr dat z experimentu
PC pro sběr dat – sw National Instruments
LabView, měřící karta NI cDAQ-9172 s moduly
snímače pro měření ve vodním kanálu –
magnetický indukční průtokoměr BadgerMeter
M1500 a tlakoměr pro agresivní kapaliny
GMSD3.5BRE/GMH3151
Šidlof, Hrůza, Hrabák: Filtrace a katalýza pomocí nanovlákenných filtrů
Seminár ARTEC, 05/2009
Pokročilé sanační technologie a procesy
ARTEC
II. Laserové metody
Příprava, rozptyl a měření koncentrace částic (1/2)
1. Generátor Dantec dymanics (olejové kapky ~ 3µm)
Generátor 3 – spalování dřeva (pevné
částice, ?? velikost)
Generátor 2 – cigaretový kouř
(pevné částice 0.3-2 µm)
Šidlof, Hrůza, Hrabák: Filtrace a katalýza pomocí nanovlákenných filtrů
Seminár ARTEC, 05/2009
Pokročilé sanační technologie a procesy
ARTEC
II. Laserové metody
Příprava, rozptyl a měření koncentrace částic (2/2)
zásobník na částice, elektronika pro měření koncentrace částic
Šidlof, Hrůza, Hrabák: Filtrace a katalýza pomocí nanovlákenných filtrů
Seminár ARTEC, 05/2009
Pokročilé sanační technologie a procesy
ARTEC
II. Laserové metody
Výsledky měření – vizualizace laserem
vypočítané vektorové pole rychlosti
vizualizace částic
Šidlof, Hrůza, Hrabák: Filtrace a katalýza pomocí nanovlákenných filtrů
Seminár ARTEC, 05/2009
Pokročilé sanační technologie a procesy
ARTEC
II. Laserové metody
Výsledky měření – vyhodnocení naměřených dat
Flow rate @L êsD
4
3
2
1
0
0
50
100
150
200
150
200
T im e @sD
Pressure drop @Pa D
2500
2000
1500
1000
500
0
0
50
100
T ime @sD
naměřený průběh průtoku a
tlakového spádu v čase
Šidlof, Hrůza, Hrabák: Filtrace a katalýza pomocí nanovlákenných filtrů
vyhodnocení účinnosti (v čase, prostorově)
Seminár ARTEC, 05/2009
Pokročilé sanační technologie a procesy
ARTEC
II. Laserové metody
Experimentální trať pro filtrace znečištěných vod
detail uchycení filtru
schéma aparatury
Šidlof, Hrůza, Hrabák: Filtrace a katalýza pomocí nanovlákenných filtrů
1. Laser NewWave Gemini PIV, 16Hz max.
2. PIV kamera Dantec HiSense 12bit, 1280x1024, 4.5 doubleframes/sec max, objektiv Nikon AF Nikkor 60mm
3. Řídící jednotka kamery Dantec Camera Controller.
4. Dantec System Hub – Flowmap.
5. Řídící PC.
8. Filtr.
9. Digitální diferenciální snímač tlaku GMSD 2 BR, rozsah –0.1 až
0.2MPa, citlivost 100Pa.
10. Vodní čerpadlo AL-KO RAIN 2500, 350W, max 1.1bar, 0.7l/s.
Seminár ARTEC, 05/2009
Pokročilé sanační technologie a procesy
ARTEC
II. Laserové metody
Ukázka výsledků – voda vs. vzduch
částice ve vodě (polyamid 5µm)
Šidlof, Hrůza, Hrabák: Filtrace a katalýza pomocí nanovlákenných filtrů
částice ve vzduchu (kouř)
Seminár ARTEC, 05/2009
Pokročilé sanační technologie a procesy
ARTEC
Závěry – optické metody
Přínos optických metod pro vizualizaci a měření účinnosti filtrace oproti standardním metodám
• vizualizace filtračního děje ve 2D řezu – odhalení nehomogenit, slabých míst filtru
• sledování časového vývoje
• kvantifikace účinnosti s časovým a prostorovým rozlišením
Otevřené problémy
• Měření velikosti částic (ideálně distribuce)
• Optický přístup do bezprostřední blízkosti filtru
• Kvantifikace počtu částic
• Průtokoměr s analogovým výstupem (flow controller)
Budoucí práce
• Systematické měření materiálů o různých parametrech, tvorba databáze výsledků
• Výroba nového hydrodynamického kanálu
Šidlof, Hrůza, Hrabák: Filtrace a katalýza pomocí nanovlákenných filtrů
Seminár ARTEC, 05/2009
Pokročilé sanační technologie a procesy
ARTEC
III. Čistění horkých spalin
Šidlof, Hrůza, Hrabák: Filtrace a katalýza pomocí nanovlákenných filtrů
Seminár ARTEC, 05/2009
Pokročilé sanační technologie a procesy
ARTEC
III. Čistění spalin
Technologie čištění spalin ve spalovně
komunálního odpadu Termizo a.s.
•
Elektrofiltr - elektrostatické odloučení pevných
částic
•
Dediox - destrukce PCDD/F a zachycení jemných
částic na filtru Remedia
•
Pračka - mokré čištění (HCl, HF, SO2, ...)
Šidlof, Hrůza, Hrabák: Filtrace a katalýza pomocí nanovlákenných filtrů
Seminár ARTEC, 05/2009
Pokročilé sanační technologie a procesy
ARTEC
III. Čistění spalin
Remedia D/F Catalytic Filter System – textilní
filtr pro destrukci PCDD/F fy. W.L. GORE &
Associates
•
hadicový filtr – 676 hadic 6m x 15cm (plocha cca
1800m2)
•
spaliny: 60 000 Nm3/h, 210-225 oC
•
náletový povrch - Gore membrána (fluoroplast)
•
střiž (expandovaný PTFE) obsahující katalytické
kovy
•
umístění v netypickém místě technologie (v provozu
od r.2003)
•
účinnost destrukce PCDD/F cca 92% (1.39ng
TEQ/m3 -> 0.048ng TEQ/m3)
Šidlof, Hrůza, Hrabák: Filtrace a katalýza pomocí nanovlákenných filtrů
vnější pohled na smontovaný filtr
Seminár ARTEC, 05/2009
Pokročilé sanační technologie a procesy
ARTEC
III. Čistění spalin
Možnosti nahrazení filtru Remedia
nanovlákenným materiálem s katalyzátorem
na bázi oxidů ušlechtilých kovů
•
(PH)
Šidlof, Hrůza, Hrabák: Filtrace a katalýza pomocí nanovlákenných filtrů
Seminár ARTEC, 05/2009
Pokročilé sanační technologie a procesy
ARTEC
Závěry – čištění spalin
Otevřené problémy
• (PH)
Budoucí práce
• Vývoj nových tepelně a chemicky odolných nanovlákenných materiálů (na bázi polyimidu, chitosanu)
• Výzkum a vývoj katalyzátorů ve formě nanočástic, inkorporace do nanovlákenných matric
• Ověření mechanické a tepelně-chemické stability materiálů, rizik pro životní prostrředí
• Konstrukce aparatury pro měření účinnosti katalytického rozkladu dioxinů či modelových látek – i) laboratorní verze (TUL),
ii) verze pro instalaci přímo do provozu liberecké spalovny Termizo a.s.
• (PH)
Šidlof, Hrůza, Hrabák: Filtrace a katalýza pomocí nanovlákenných filtrů
Seminár ARTEC, 05/2009