Vývojové hybridní MP MF a IEX nebo adsorpce

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
Membránové inovační centrum
Vývojové hybridní MP
MF a IEX nebo adsorpce
• Mikrofiltrace
• odstraňuje původní částice
• nerozpuštěné částice
MF/UF
• mikroorganismy
• separuje přidané částice
• iontovýměnné pryskyřice
• zeolity
• aktivní uhlí
• fotokatalyzátor
odpadní
voda
vyčištěná
voda
Membránové inovační centrum
Vývojové hybridní MP
MF a IEX nebo adsorpce
• Iontová výměna
• práškové kation a anionvýměnné pryskyřice
• zeolity a jíly
MF/UF
• odstraňuje kationty: tvrdost, těžké kovy
• odstraňuje anionty: dusičnany, bór, DOC
• chrání membránu
• Provozní problémy
• Regenerace? Jak?s
odpadní
voda
vyčištěná
voda
Membránové inovační centrum
Vývojové hybridní MP
MF a IEX nebo adsorpce
• Adsorpce
• práškové aktivní uhlí
• odstraňuje organické látky
MF/UF
• pesticidy, fenoly, barviva, CHSK
• chrání membránu
• velmi porézní, nezvyšuje tlakovou ztrátu
• Provozní problémy
• Nevidím
odpadní
voda
vyčištěná
voda
Membránové inovační centrum
Vývojové hybridní MP
MF a IEX nebo adsorpce
• Fotokatalýza
• titanová běloba a UV záření
• odstraňuje těžko rozložitelné organické látky
MF/UF
• hormony, huminové látky
• chrání membránu
• Provozní problémy
• Vysoká spotřeba energie a nízká účinnost.
odpadní
voda
• Radikálové oxidativní prostředí: degradace membrán?
vyčištěná
voda
Membránové inovační centrum
Vývojové hybridní MP
MF a IEX nebo adsorpce
• 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
Membránové inovační centrum
Vývojové hybridní MP
MF a IEX nebo adsorpce
• 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.
Membránové inovační centrum
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
Membránové inovační centrum
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
Membránové inovační centrum
Vývojové hybridní MP
IEMB: DD a bioreakce
vyčištěná
voda
CO2, N2
voda
živný roztok
AM
Na+
K+
Ca2+
Mg2+
• Vstupy: odpadní voda s dusičnany a
Na+
K+
Ca2+
Mg2+
• Difuse dusičnanů podpořená opačnou
difuzí chloridů (Donova dialýza)
• Nitrifikace dusičnanů na dusík
H2O + CO2 + N2
denitrifikace
• Zdrojem uhlíku je etanol
C2H5OH + NO3Cl-
NO3Cl-
• Kationty zůstávají
• Výstupy: odpadní voda s chloridy a
C2H5OH
Cl-, voda
odpadní
voda
voda s CO2 a N2
Membránové inovační centrum
Vývojové hybridní MP
IEMB: DD a bioreakce
• 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
Membránové inovační centrum
Vývojové hybridní MP
IEMB: DD a bioreakce
• 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?
Membránové inovační centrum
Vývojové hybridní MP
IEMB: DD a bioreakce
• 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)
Membránové inovační centrum
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
Membránové inovační centrum
Vývojové hybridní MP
UF s ED
syrovátkové izolovaná
bílkoviny
frakce
• 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)
anoda
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
CM
UF
AM
+
+
+
-
-
• složení svazku a polarita
• ovlivnění pH – isoelektrický bod bílkovin
syrovátkové
bílkoviny
voda
katoda
-Cl-
Membránové inovační centrum
Vývojové hybridní MP
UF s ED
• 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
Membránové inovační centrum
Vývojové hybridní MP
Chemická reakce s pervaporací
• esterifikace C2H5COOH+C3H7OH ->
n-propyl propionát
PV
C3H7OCOC2H5+ H2O
vakuum
• heterogenní katalyzátor
• do reakční směsi ponořen
esterifilakce
na heterogenním
katalyzátoru
pervaporační modul
• odvod vzniklé reakční vody
• hnací síla: vakuum, teplota
kys. propionová
1-propanol
reakční
voda
Membránové inovační centrum
Vývojové hybridní MP
Oxidace s ultrafiltrací
• oxidace
As3+
na
As5+
retentát
As5+
ozónem
• heterogenní katalyzátor z nanočástic
UF
oxidu železa
• nanesený na keramické UF
membráně
oxidace na heterogenním
katalyzátoru
nanočástice oxidů železa
• vyšší rejekce membrány pro
oxidovaný arsen
• další možnosti: oxidace NOM
spodní voda As3+
ozon O3
permeát
voda
Membránové inovační centrum
Vývojové hybridní MP
MBR s elektrokoagulací
• standardní ponorný MBR s MF
nástřik
membránou
SS katoda
MBR
• výhody: zvýšení rejekce N, P, CHSK, Se
• nevýhody: složitější, spotřeba proudu
• Univerzita Saarbruken, Universita
Teherán, Anna University
aerace
Al anoda
• elektrokoagulace na zvětšení velikosti
zachycovaných částic
nádrž
produkt
Membránové inovační centrum
Vývojové hybridní MP
Flotace s MF
• MF modul ponořený do flotační nádrže
flotační pěna
• 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
permeát
MF
sodným
• Fe3+, PO43-, hydrofobizace sraženiny oleátem sodným
• Univerzita v Soluni
nástřik
vzduch
Membránové inovační centrum
Vývojové hybridní MP
Kapalné membrány a ED
vyčištěná
voda,
voda kyseliny, Mn2+
• Elektrické pole na kapalné membrány
• Výhody: zvýšení intenzity transportu
difusí k membráně a od membrány
• Vyzkoušeno pro Mn2+
• Univerzita v Salaspils (LV)
anoda
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
MF-LM
Mn2+
odpadní
voda
katoda
Mn2+
voda,
kyseliny
-
Membránové inovační centrum
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
permeát
anoda
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
koncentrát
MF-LM
sole
nástřik
katoda
sole
nástřik
-
Membránové inovační centrum
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.
Membránové inovační centrum
Integrace EMP do separačních technologií
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
Membránové inovační centrum
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