Stáhnout materiál přednáška 5

Separační, purifikační a
izolační techniky
I. Membránové procesy
II. Chromatografické separace
Andrea Hinková,
Ústav sacharidů, B 45, tel.: 22044 3111
mail: [email protected]
I. Membránové separační procesy
1. Rozdělení a klasifikace membránových procesů
uspořádání filtračního procesu, kritéria rozdělení membránových procesů
(mechanismus, hnací síla, typ membrán, charakter separovaných částic)
zákl. terminologie – retentát, permeát, filtrát, up-stream, down-stream
proces
základní charakteristika membránových procesů, uspořádání filtračního
procesu (dead-end, cross-flow)
2. Membrány
dělící vlastnosti membrán (permeabilita, porozita, střední velikost pórů,
selektivita, cut-off, dělící rozsah)
klasifikace membrán - struktura (porézní, neporézní, symetrické,
asymetrické, kompozitní, homogenní, heterogenní, mozaikové, sendvič),
materiál (organické, anorganické), tvar (rovinné, tabulární, hollow fibre),
funkce a výroba membrán, biomembrány, kapalné membrány
3. Membránové moduly
charakter toku nad membránou
konstrukce, typ, uspořádání, laboratorní moduly, průmyslová zařízení,
speciální moduly (rotační, vibrující, membrány, membránové reaktory)
4. Kinetika filtračního procesu
teoretické základy filtrace, hnací síly, charakteristika separovaných
částic a molekul (náboj, velikost, tvar, afinita, izoelektrický bod)
mechanismus transportu
rovnice filtrace, koncentrační polarizace
5. Výkon, zanášení a čištění membrán
popis zanášení
faktory ovlivňující zanášení (vlastnosti membrán, vlastnosti roztoku,
vedení procesu)
zlepšení výkonu (back-flush, podpora turbulentního proudění, pulsující
tok, konstantní tlak během filtrace)
čištění a sanitace
6. Jednotlivé membránové procesy
difúze, teorie difúze, difuzivita, solvatace
historie vzniku membránových procesů
dialýza, osmóza, reverzní osmóza, mikrofiltrace, ultrafiltrace,
nanofiltrace, pervaporace, permeace plynů, membránová destilace
7. Membránové separace v gradientu
elektrického potenciálu
elektrodialýza, membránová elektrolýza, elektroosmóza, ochuzování
transportem, elektrogravitace, elektroforéza s nuceným tokem, zónová
elektroforéza, Donnanova dialýza
reaktivní membrány
iontově aktivní membrány (anion- a kationaktivní, bipolární)
8. Aplikace membránových procesů v potravinářském průmyslu a biotechnologiích
mlékárenství
masný průmysl a konzervárenství
výroba zeleninových šťáv
škrobárenství, pekařství, cukrovarnictví
pivovarství, vinařství a nápojový průmysl
biotechnologie
I. Membránové separační
procesy (MSP)
1. Rozdělení a klasifikace MSP
= separační techniky využívající semipermeabilní membránu, která
vytváří selektivní bariéru.
Princip filtrace = separace dvou nebo více složek z tekutiny (plyn a
kapalina) na základě rozdílu ve velikosti částic.
MEMBRÁNA:
vytváří selektivní bariéru
přepážka mezi dvěma fázemi
fáze, která vytváří bariéru, která zamezuje pohybu hmoty, ale
umožňuje omezený či regulovatelný průchod určitých komponent
může být kapalná, pevná, plynná (nebo kombinace všech)
.
Membrána dělí přiváděný tok látek na:
retentát (koncentrát)
= obohacený o složky, které membrána nepropustí
permeát
= tok procházející membránou, který je o tyto látky ochuzen
Základní mechanismy oddělení látek ze
směsi membránou:
rozdílná velikost částic ve směsi (sítový efekt); membrána zadržuje
částice větší, než jsou její póry.
rozdílný náboj složek směsi
rozdílné difúzní koeficienty (difuzivita) složek
rozdílná rozpustnost složek ze směsi v membráně (např. olejové
membrány)
Kritéria pro rozdělení a klasifikaci
membránových procesů:
hnací síla
typ membrán (viz. Kapitola 2)
charakter separovaných částic a molekul
Hnací síla membránových procesů:
tlak (tlakové separační procesy – mikrofiltrace, ultrafiltrace,
nanofiltrace, reverzní osmóza, pervaporace)
koncentrace (dialýza)
chemický potenciál (osmóza)
elektrický potenciál (elektrodialýza)
Charakter separovaných částic a molekul:
velikost
tvar
náboj
Charakteristika membránových procesů
HNACÍ SÍLA
RETENTÁT
PERMEÁT
Osmóza
chemický
potenciál
látky rozpuštěné v
roztoku, voda
voda
Dialýza
rozdíly
koncentrací
velké molekuly, voda
malé molekuly, voda
Mikrofiltrace (MF)
tlak
suspendované částice
(kvasinky) , voda
látky rozpuštěné v
roztoku, voda
Ultrafiltrace (UF)
tlak
velké molekuly
(bakterie), voda
malé molekuly, voda
Nanofiltrace (NF)
tlak
malé molekuly, voda,
dvojmocné soli,
disociované kyseliny
jednomocné ionty,
nedisociované
kyseliny, voda
Reverzní osmóza
(RO)
tlak
látky rozpuštěné v
roztoku, voda
voda
Elektrodialýza (ED)
napětí
neionogenní látky,
voda, rozpuštěné v
roztoku
ionizované látky, voda,
rozpuštěné v roztoku
Pervaporace (PV)
parc. tlak
netěkavé molekuly,
voda
těkavé malé molekuly,
voda
Uspořádání filtračního procesu
Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998
Schéma filtrační aparatury
membrána
„Up-stream“ proces – nad membránou
„Down-stream“ proces – pod membránou
2. Membrány
Dělící vlastnosti membrán jsou dány jejich propustností, selektivitou a
dělícím rozsahem:
A) Propustnost (permeabilita)
= schopnost materiálu umožnit průchod hmoty
= kvantitativně se vyjadřuje jako množství hmoty, které prošlo
určitým materiálem za daných podmínek
= objem permeátu, který projde m2 membrány za časovou jednotku.
= má vliv na rychlost (kinetiku) procesu
Permeace = transport atomů, molekul a iontů v propustném prostředí
vlivem gradientu (koncentrace, teploty, tlaku, elektrický potenciál)
.
pro ideální polopropustnou membránu platí:
J = A • (PT - F)
J = tok membránou (průtok); vyjadřuje rychlost, kterou látky
procházejí membránou.
A = permeační koeficient (převrácené hodnota odporu)
PT = tlak přes membránu
F = osmotický tlak rozpouštědla
Propustnost membrány je ovlivněna porozitou (plocha pórů vztažená
na plochu membrány)
B) Selektivita
Selektivita ovlivňuje
účinnost dělení a
čistotu permeátu a
souvisí s velikostí
pórů a jejich
distribucí.
K udržení dané
selektivity je nutná
odpovídající
uniformita pórů, tj.
úzká distribuce jejich
velikostí.
Dělící rozsah (Cut-off)
C)
Definice: 90 % molekul o molekulové hmotnosti rovnající se dělicímu
rozsahu neprojde membránou.
ideální membrána
100 %
90 %
Nebo vyjádřen v mm
reálná membrána
nízká selektivita
R
MWCO
Pokud je velikost
vyjádřená
molekulovou
hmotností  MWCO
Cut-off
Rejekce (%)
Charakterizuje
membránu
Dán velikostí molekul,
které již neprojdou
membránou
M1 M2
M3 M4
Velikost pórů (MW)
Klasifikace membrán:
původ membrány (přírodní, synthetické)
struktura membrány (porézní, bez pórů, morfologie povrchu)
použití membrány (pro dělení plynné fáze, pro dělení plyn-kapalina,
kapalina-kapalina)
mechanismus činnosti membrány (adsorpce, difúze, výměna iontů,
osmotický tlak, inertní membrána)
Membrány – dělení z hlediska struktury:
1. Mikroporézní
– isotropní (jednotná velikost pórů v celé membráně - je jedno, jak se
otočí, z které strany bude probíhat filtrace)
– anisotropní (velikost pórů se liší v jednotlivých vrstvách
membrány); částice se dostávají dovnitř membrány –
zablokování pórů a snížení průtoku, nebo projdou do permeátu
isotropní membrána
2. Asymetrické (s aktivní vrstvou)
na povrchu nosiče je nanesena
tenká aktivní vrstva, na které
dochází k filtraci, s malou
velikostí pórů, tloušťka řádově
< 1 mm.
zadržení molekul pouze na
povrchu aktivní vrstvy,
nezanáší se tolik, kinetika
filtrace závisí na rychlosti
proudění podél membrány
3. Kompozitní (sendvičové) membrány
více vrstev, každá vrstva je vyrobena jiným technologickým krokem (na
rozdíl od asymetrických membrán)
Membralox ®
Membrány - dělení z hlediska materiálu
1. Organické
acetát celulosy (nízká cena, široký rozsah velikostí pórů, hydrofilní
charakter – snížení zanášení)
polyamid (nízká tolerance k Cl2, biofouling)
polysulfon (široký teplotní rozsah, odolnost pH, Cl2, chemikálie)
další polymery: nylon, PVDF, PTFE, PP, polykarbonát)
2. Anorganické (= minerální, keramické)
ale i kovy (nerez ocel)
materiál nosné vrstvy: keramika, Al2O3, TiO2
separační vrstva: TiO2, zirkonium, uhlík-titan, uhlík-zirkonium
Keramické membrány:
výhody:
+ inertní k většině obvyklých chemických činidel (výjimka HF, H3PO4 –
Al membrány)
+ rozsáhlý teplotní limit (350 °C) sterilizace parou,
+ rozsáhlý limit pH (1 – 13)
+ rezistence na vysoké tlaky (1 MPa)
+ vysoká životnost, možnost zpětného oplachu
nevýhody:
- velikost pórů UF, MF, na hranici NF
- vysoký výkon čerpadel (2 – 6 m/s rychlost proudění podél membrány)
- vysoká cena (investiční náklady)
Membrány dělení z hlediska tvaru:
Ploché (rovinné) membrány
Tubulární (uvnitř kanálek, > 4 mm)
Kapilární (malý průměr)
Dutá vlákna (hollow fibres) (vnitřní průměr 0,2 – 3 mm)
Spirálně vinuté
Skládané patrony (dead-end filtrace)
Tubulární membrány
Membralox ®
Cheryan M.: Ultrafiltration and
Microfiltration Handbook, Technomic Pub.
Co., 1998
Skládaná membrána
Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998
Spirálně vinutá membrána
www.mtrinc.com
Dutá vlákna - hollow fibres

Asymetrická struktura

Mikroporézní struktura
Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998
Biomembrány
imobilizace enzymu na povrchu membrány (adsorpce, chemická vazba
na povrchu)
Kapalné membrány
a) Emulsní kapalné membrány (ELM = Emulsion Liquid Membrane)
nemísitelné kapaliny
b) Imobilizované kapalné membrány (ILM = Immobilized Liquid
Membrane)
Filtry - dělení z hlediska struktury:
hluboké filtry
materiál: bavlna, azbest,
skelná vlákna, aglomeráty
kovů, křemelina) částice
zůstávají zachyceny uvnitř
filtru
filtrační přepážky
(zadržení částic na povrchu
filtru, mechanismus síta,
struktura bývá pevnější,
uniformní, velikost pórů více
definována výrobním
procesem)
= membránové filtry
Výroba membrán:
Změna fáze (polymery)
odpařením rozpouštědla (acetát celulosy, polyamid)
změnou teploty (polypropylen, polyamid)
přídavkem srážecího činidla (polysulfon, nitrocelulosa)
Vytažením fólie částečně zkrystalizovaného polymeru do větších
rozměrů (PTFE = polytetreafluorethylen)
Ozářením nebo leptáním
(ionty těžkých kovů- jednotná velikost pórů, ionty kolmé
k membráně) polykarbonát, polyester
Slisováním nebo spečením (sintrováním) jemných prášků
(keramika, polyethylen, PTFE)
3. Membránové moduly
Rotační membrány: tubulární a diskové
Vibrační membrány: diskové
 Rotační tubulární modul

Rotační diskový modul
Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998
.
Zvýšení filtrační plochy
Tubulární membrány
Spojeny do patron (cartridge)
Spojení více modulů (paralelní zapojení, vracení retentátu,
postupná filtrace)
www.apv.com
Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration
Handbook, Technomic Pub. Co., 1998
Spojení více modulů
Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998
Spojení více modulů
www.airproducts.co.za
Zvýšení filtrační plochy
Deskové membrány
www.esemag.com
www.dayton-knight.com
Membránové reaktory
Typ membrán:
Hollow fibre, deskové, rotující válec,
Výhody :
snazší čištění
jednostupňová operace (reakce i separace najednou)
Umístění:
bud´ přímá součást bioreaktoru,
nebo vně reaktoru s recirkulací média
4. Kinetika filtračního procesu
.
vyjadřuje se objemovým tokem permeátu vztaženým na plochu
membrány (l.h-1.m-2) za daných podmínek (tlaku a teplotě)
je ovlivňována střední velikostí pórů a hustotou pórů (porozitou)
nedostatečnou propustnost lze vyvážit větší plochou membrán
Obecně platí:
hnací _ síla
tok _ látky  plocha 
odpor
Teorie filtrace:
U tlakových membránových procesů:
hnací síla = tlakový gradient
Řez membránou
solvatace
PT  PF  PP
pokles tlaku v membráně (osmotický tlak):   F  P
 PT  
skutečná hnací síla:
 PT
řídící děj procesu:
pokles tlaku před a za membránou:
Koncentrační polarizace:
University of Minnesota Duluth; www. d.umn.edu
v blízkosti membrány je vyšší koncentrace látek než v médiu:
vytváří se koncentrační profil – v krajních podmínkách sekundární
membrána, gel, precipitát
zvyšuje se odpor membrány
Koncentrační polarizace:
www.yale.edu
Tlakové membránové procesy
hnací síla = tlakový gradient
skutečná hnací síla:

zredukována o pokles tlaku v polarizační
vrstvě, sekundární membráně či gelu
Rychlost konvekce Js
JS  J  c1
Rychlost difúze (zanedbaný
gradient c)
dc
Js  D 
dx
Rovnice filtrace:
dc
J  c1  D   J  c 2
dx
Konvekční tok
Difúze
Tok permeátu
5. Výkon, zanášení a čištění
membrán
Výkon = tok permeátu v čase
Dochází k poklesu toku permeátu v čase - problém při tlakových MSP
popis pomocí
matematických modelů
výkonu (tj. průtoku
permeátu).
80
70
2
výkon (l/hm )
Pokles způsoben:
koncentrační
polarizací
zanášením pórů
v membráně tzv. fouling efekt
60
50
40
30
20
0
20
40
60
80
100 120 140 160 180 200
čas (min)
Parametry ovlivňující fouling-efekt
a) Vlastnosti membrány
Velikost pórů (propustnost)
Tloušťka aktivní vrstvy
Afinita rozpouštěných látek k membráně
b) Vlastnosti separované směsi
Viskozita
Iontová síla
pH
Hustota
Koncentrace
Reaktivita molekul vůči membráně
Tvar a velikost separovaných molekul
Předúprava vzorku – srážení, přídavek balastních látek, předfiltrace
(zlepšení poměru velikostí dělených molekul a pórů)
c) Podmínky (vedení) procesu
Tlak (zvyšování tlaku v průběhu filtrace, pozor na nevratný fouling! –
limitní tlak),
Teplota
Hydrodynamika (charakter toku nad membránou) - podpora
turbulentního proudění:
 Pulsace toku, ultrazvuk, bubliny vzduchu
 Zpětný proplach (u asymetrických a kompozitních
membrán hrozí odtržení aktivní vrstvy)
Čištění membrán
Zpětný tok
CIP (Cleaning in place) chemická činidla, vyšší teploty
Sterilace parou (keramika)
Chemicky: ozon, Cl2 – možnost koroze materiálu, NaClO, kys.
dusičná, louh sodný – keramické membrány)
Mechanicky (po vyjmutí, deskové membrány)
Enzymaticky
Vodní výkon membrány Jv
Význam:
Pro porovnání účinnosti čištění membrány
Poměr hodnot vodních výkonů membrány před filtrací a po
promytí po filtraci se nesmí lišit víc jak o 20%
Definice:
Rychlost toku permeátu při filtraci čisté vody při 20 °C a daném tlaku
vztažená na jednotku plochy membrány:
JP  kt
JV 
S
JV vodní výkon (l.h-1.m-2)
JP tok permeátu
kt teplotní koeficient (20 °C)
S plocha membrány (m2)
Účinnost filtrace – koncentrační faktor
Zahuštění původního vzorku:
Koncentrační faktor
VCF objemový
MCF hmotnostní
VF
VCF 
VR
VF objem nátoku
VR objem retentátu
Účinnost filtrace – Rejekce, retence
Vlastnosti permeátu a retentátu
Analytické metody
Faktor rejekce R
vyjadřuje vztah mezi koncentracemi nad
a pod membránou
cidownstream, ciupstream koncentrace složky
pod membránou, resp. nad membránou
Zdánlivá rejekce – pokud za cupstream,
dosadíme koncentraci v roztoku
Skutečná rejekce – pokud za cupstream,
dosadíme koncentraci těsně u povrchu
membrány
Faktor retence r
vztahuje se k nátoku, permeátu a retentátu
cidownstream
R  1
ciupstream
ciP
R  1
ciF
ciP
r  1
ciR
Volba separačního procesu
Výkon X Účinnost
Stanovit požadované vlastnosti produktu
Definovat požadovanou čistotu
90 %
průmyslové enzymy, organické kyseliny
99 %
roztoky sacharidů
99.9 %
99.99 % vakcíny
Fyzikální a chemické vlastnosti, stabilita (!)
Definovat výchozí vlastnosti separované směsi
Složení, chemické a fyzikální vlastnosti, vlastnosti surovin… atd.
Volba procesu
Rozdílné vlastnosti produktů a kontaminantů
Zvolit proces využívající rozdílné fyzikálně-chemické vlastnosti
Na počátku odstranit kontaminanty o nejvyšší koncentraci
Nejúčinnější proces zařadit co nejdříve
Nejdražší a nejvíc pracný proces zařadit na konec
6. Jednotlivé membránové procesy
.
Terminologie:
Difúze
= pohyb molekul v tekutině z oblasti o vysoké koncentraci, do oblasti
s koncentrací nízkou
1. Fickův zákon:
Tok tekutiny membránou (J) je přímo úměrný koncentračnímu
gradientu (dC) podél membrány (dx), kde D = difúzní koeficient
(difusivita):
D  dC
J 
dx
Studium difúzních jevů přispělo ke studiu
membránových procesů:
Historie vzniku membránových procesů:



1748 Abbe Nollet sledoval, že voda difunduje ze
zředěnějšího roztoku do koncentrovanějšího
1855 Fick vyvinul první syntetickou membránu (nitrocelulóza)
nitrocelulóza se rozpustila (alkohol-ether) a nalila do vrstvy a
rozpouštědlo se nechalo odpařit
1877 první úspěšná výroba membrány připravené srážení
hexakyanoželeznatanu Cu2+ v pórech porcelánu
Dialýza
 transport malých molekul
(rozpuštěných v tekutině) přes
membránu (z hypertonického
prostředí do hypotonického);
ledviny
hnací síla: rozdíl koncentrací
Osmóza
 transport rozpouštědla přes
membránu, která nepropouští
rozpuštěné látky z méně
koncentrovaného roztoku do více
koncentrovaného (z hypotonického
do hypertonického)
hnací síla: gradient chemického
potenciálu
www.visionengineer.com/ env/reverse_osmosis.shtml
Reverzní osmóza (RO)
 Reverzní osmóza je proces
opačný, než je osmóza.
 Hnací silou je tlakový rozdíl na
opačných stranách membrány,
který musí být větší než
osmotický tlak  vysoký
pracovní tlak (3 – 10 MPa).
pefektivní>posmotický
 Separace částice o velikostech
řádově 10-4 mm = membrána
propouští téměř jen molekuly
rozpouštědla!
www.visionengineer.com/ env/reverse_osmosis.shtml
Tlakové membránové procesy
(MF, UF, NF a RO)
Klasickou filtrací se oddělují částice větší než 10 mm
Membrány mohou separovat i částice velikosti rozpouštědla,
např. vody.
ALE: Oproti klasické filtraci, které postačuje hydrostatický tlak
vodního sloupce (případně tlak na úrovni 0,1– 0,5 MPa) - pro
membránové filtrace (zejména UF, NF a RO) potřeba vytvořit
vyšší gradient tlaku.
Čím jsou póry menší, tím větší tlaková diference je potřeba
Separační charakteristiky membránových
procesů
Cheryan M.: Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Technomic Pub. Co., 1998
Mikrofiltrace (MF)
Dělí částice v rozmezí velikostí 10 – 10-1 mm (řádově mikrony, tj.
bakterie, kvasinky, suspendované látky, vysokomolekulární
látky; M>106)
Částice větší než 5 - 10 mm je lépe separovat klasickou
koláčovou filtrační metodou.
Potřebný rozdíl tlaku: 0,02 do 0,5 MPa
Přečišťovací technika, při které se oddělují suspendované
částice od rozpuštěných látek
Ultrafiltrace (UF)
dělí částice 10-2 – 10-3 mm (tj. bakterie, viry, koloidy,
makromolekulární látky MWCO 5000 – 500 000)
potřebný rozdíl tlaku: 0,1 do 1 MPa
metoda pro současné čištění, zakoncentrování a frakcionaci
makromolekul nebo jemných koloidních suspenzí
dělícím mechanismem obou procesů (MF i UF) je sítový efekt
Nanofiltrace (NF)
relativně nový střednětlaký membránový proces pro separaci
látek o velikosti 10-3 – 10- 4 mm.
Mechanismus separace:
1. sítový efekt (velké molekuly, např. sacharosa)
2. elektrostatické síly mezi membránou a složkami
filtrovaného média (separace iontů)
Většina komerčně vyráběných NF membrán je záporně nabita
NF membrány umožňují separovat např. disociované formy
sloučenin od nedisociovaných (např. organické kyseliny
prochází snadněji při nízkém pH, ale jsou zadrženy při vyšším
pH ve formě svých solí, MWCO < 500).
Cut-off membrány vyjádřován krom MW i v Daltonech
Provozní tlak až 5 - 10 MPa
Děje na NF membránách





Separační mechanismus není ještě dostatečně jasný
V případě samotné soli: s rostoucí koncentrací klesá její retence na
membráně: u záporně nabité membrány dochází v přítomnosti iontů
k tvorbě tzv. polarizační vrstvy, kdy opačně nabité ionty než je náboj
membrány jsou blíže jejímu povrchu, čímž zakryjí efektivní náboj
membrány a ionty stejně nabité jako membrána jí mohou pak
snadněji procházet.
Stupeň hydratace iontů ovlivňuje stupeň retence: Zadržování NaNO3
je nižší než NaCl - protože dusičný iont je více hydratován ve
vodném roztoku než chloridový.
Vysoká viskozita způsobená hromaděním solí nebo organických
molekul brání zpětné difúzi iontů v polarizační vrstvě, což znamená,
že se ionty spíše hromadí v permeátu.
Donnanův efekt (pozorován při nanofiltraci syrovátky, při vysokém
VCR) vykázala membrána zápornou rejekci chloridových aniontů,
neb přecházely přednostně do permeátu. Tento děj je způsoben
hromaděním nabitých organických látek před membránou, kdy při
pH syrovátky kolem 6,2 přítomné proteiny vytvoří na membráně
záporně nabitou gelovou vrstvu, díky níž je usnadněn transport
kationtů přes membránu. Aby se zachovala elektroneutralita celého
systému, předpokládá se, že dochází ke zpětné permeaci aniontů na
permeátovou stranu membrány. Vzhledem k velikosti jsou chloridy
jediné anionty, které mohou snadno procházet membránou a to i
proti koncentračnímu gradientu (Cuartas-Uribe, 2006).
Cut-off tlakových membránových procesů
Pervaporace (PV)
Separace směsí odpařováním přes porézní membránu - selektivní bariéra mezi
dvěma fázemi:
 kapalný nátok – vlhká strana membrány bobtnání membr.(atmosférický tlak)
 plynný permeát – suchá strana membrány prakticky suchá (nízký tlak par)
Princip děje: transport z kapalné fáze do plynné - dochází ke skupenské změně
1. sorpce látky z kapaliny na membránu
2. difúze látky membránou (limitující děj)
3. desorpce a odpaření látky z membrány
MEMBRÁNA
ROZTOK
PERMEÁT
Sorpc e
o
sp
an
Tr
PiP
CiP
rt
PiF
c iF
ze
fú
di
Vlhká strana
Desorpc e
Suchá strana
Hnací síla: mi vyjádřen jako p i
http://chemelab.ucsd.edu/pervap/
Pervaporace (PV)
Hnací síla: rozdíl chemických potenciálů vyjádřen pomocí
parciálních tlaků, tlak par za membránou je nižší, čímž může dojít
k odpaření a následné kondenzaci par.
Mechanismus separace: rozdílná rychlost difúze (difuzivita)
Pro separaci těkavých látek (hexan, toluen, ethanol) z kapalných
směsí (dehydratace organických rozpouštědel), dělení
azeotropických směsí), odstraňování nečistot a polutantů,
odvodňování organických rozpouštědel, koncentrování roztoků
PV Membrány:
Kompozitní membrány (aktivní vrstva)
Hydrofobní membrány – pro dělení organických solventů
(Polysulfon, polydimethylsiloxan, polyamid)
Hydrofilní membrány – pro polární prostředí (voda, vodní pára)
(sklovité, krystalické polymery hydrofilní povahy)
Uspořádání pervaporačního procesu
Moduly - membrány: Kapilární, hollow fibre, deskové, spirálně vinuté, tubulární
Snaha minimalizovat piP:
1. Na straně permeátu udržováno vakuum (20 – 30 mbar)
2. Strana permeátu omývána inertním plynem (sweeping gas – čistící plyn,
odplavení desorbovaných látek)
3. Snížení teploty na straně permeátu – snížení pi složky (-20 °C, opt. T = 50 °C)
R
R
R
ad 1.
ad 2.
vývěva
ad 3.
pumpa
F
K
kondenzátor
F
P
membrána
Nátok, l
Permeát, g
K
kondenzátor
F
P
P
Vliv teploty
Permeátová strana – vlivem latentního výparného
tepla dochází k ochlazení
Při izotermické separaci (tF = tP) profil toku přes
membránu je kratší – zrychlení procesu
Permeace plynů
Obdoba pervaporace, ale
neporézní membrány a na
obou stranách membrány
stejná fáze (plyn)
Koncentrační gradient je dán
odváděním plynu z downstream strany (vhání se nosný
plyn, tzv. sweeping gas)
Dělení plynů na základě odlišné
rychlosti průchodu membránou
(sorpce, difúze, sítový efekt,
desorpce)
Permeace plynů - membrány
Kompozitní struktura
Porézní PS (polysulfon) potažen tenkým filmem gumy (PDMS;
polydimethylsulfoxan) na makroporézní podložce
PDMS – nízká selektivita, vysoká permeabilita
PS – obráceně
PDMS
Makroporézní
podložka
PS
Aplikace:
Separace CO2, CH4 ze zemního plynu a bioplynu)
Odstraňování H2S z přírodních plynů
Separace N2 – O2
Sušení plynů (odstranění vody)
Odstraňování organických polutantů ze vzduchu
Membránová destilace (MD)
Využívá jak destilaci tak membránovou separaci – porézní hydrofobní
membrána (propustná pro vodní páry ale nepropustná pro kapalnou vodu)
Hnací síla: teplotní a tlakový gradient
Princip:

jedna strana membrány:
zahřívá se kapalina –
odpařuje se, páry procházejí

druhá strana: ochlazení –
kondenzace par – odvod
kapaliny
Na separaci se podílí pouze rovnováha mezi kapalina-pára (membrána
nemá vliv):
limit – nelze separovat azeotropické směsi (azeotropický bod = shodné
složení parné i kapalné fáze)
podmínka – membrána nesmí být smočena vodou – zanesení pórů
membrány, uplatnění pro nesmáčivé roztoky
Permeač. rychlost dána t – vysoké t zvyšuje rychlost a selektivitu
Membrány pro membránovou destilaci
 Hydrofobní (nepolární)
 Mikroporézní
 Materiál:
PTFE (polytetrafluorethylen = teflon)
PP (polypropylen)
Aplikace
Dělení
 Směs EtOH – voda (pouze do 30 - 40 obj. %)
 Vodné roztoky solí – odsolení (voda pro topné soustavy)
 Odsolení mořské vody
Nevýhody
 Nízká selektivita
 Omezené možnosti použití