MEMBRANSKI PROCESI Prof.dr.sc. Damir Ježek

U membranskim separacijskim procesima ulazna smjesa koja se sastoji od dvije ili više komponenti koja se djelomično ili potpuno razdvaja pomoću polupropusne membrane zasniva se na činjenici da se jedna ili više komponenti giba brže od ostalih. U svakom membranskom procesu sirovina se odjeljuje na slijedeće komponente: koncentrat (retentat) i permeat (filtrat)

Koncentrat (retentat) - dio ulazne struje koji se zadržao na membrani Permeat - dio ulazne struje koji je prošao kroz membranu Retentat i permeat su najčešće tekućine ili plinovi, ali isto tako mogu biti i krutine.

Membrane Membrana je osnovni element svake membranske operacije i definira se kao tanki film koji dijeli dvije faze i djeluje kao aktivna ili pasivna fizikalna pregrada pri prijenosu tvari između faza. definicija se odnosi na permselektivne membrane mora postojati razlika kemijskog potencijala između dvije faze

do separacije dolazi jer membrana ima sposobnost da jednu komponentu smjese puno lakše prenese ili propusti nego sve ostale. Shematski prikaz dvofaznog sustava razdvojenog membranom:

Membrana je najčešće tanki, neporozni ili porozni polimerni film od keramike ili metala, ali isto tako i sama tekućina ili plin mogu obavljati funkciju membrane. Materijali od kojih se proizvode membrane ne smiju pridonositi razgradnji, razrjeđenju ili bilo kojem drugom obliku degradacije tvari koja se separira.

Membrane se dijele prema slijedećim kriterijima: podjela se odnosi na selektivne (neporozne, makroporozne, mikroporozne) 1. separacijskom mehanizmu 2. morfologiji 3. kemijskom sastavu 4. geometriji

1.Podjela prema separacijskom mehanizmu 1.1.separacija koja se temelji na velikoj razlici u veličini čestica i veličini pora membrane tzv. “efekt prosijavanja”, radi se o makroporoznim membranama čija je veličina pora veća od 50 nm,(MF,UF,NF).

1.2.separacija se temelji na razlici u topljivosti i difuzivnosti materijala membrane i otopine koja dolazi u kontakt sa membranom – tzv. mehanizam otapanja/difuzije.(RO) -radi se o neporoznim (guste, zbijene) membranama u kojima su prisutne pore mikroskopskih dimenzija d=1A(Angstrem) =0,0001µm. - komponenta koja difundira kroz membranu otapa se u selektivnom polimeru, prolazi kroz polimer i kroz dijelove makromolekularnih lanaca. - proces difuzije u ovakvim slučajevima je vrlo težak, ali ujedno i visoko selektivan i učinkovit.

mikroporozne membrane sadrže pore promjera 0,001 – 10 µm. propusnost mikroporoznih membrana je velika, ali stupanj selektivnosti im je vrlo mali za male molekule. kada se na membrani sudare čestice većih i manjih promjera njihovo razdvajanje je gotovo savršeno upravo zbog velike razlike u njihovom promjeru 1.3. separacija koja se temelji na razlici u naboju čestica(ED)

2. Podjela membrana prema morfologiji 2.1. Anizotropne membrane: - presjek membrane je različite poroznosti, koju odlikuje tanki aktivni gornji sloj i podloga veće poroznosti. Podjela: - asimetrične ( od jednog materijala ) - sastavljene ( kompozitne) 2.2. Izotropne (neporozne i mikroporozne) membrane – imaju jednaku poroznost po cijelom presjeku

3. Podjela membrana prema kemijskom sastavu Skoro svi industrijski membranski materijali su napravljeni od prirodnih sintetičkih polimera – nastali polimerizacijom dva različita monomera. U prirodne polimere uključujemo vunu, gumu i celulozu. Prve celulozne membrane koriste se od 1960. godine u procesima desalinizacije morske vode tj. u proizvodnji vode za piće

Rezultat polimerizacije je nastajanje: Polietilena – dugi linearni lanci Polibutadiena – prostorno (rašljasto) usmjerenih lanaca Formaldehida – trodimenzionalna struktura Primjena polimernih membrana je ograničena kod temperatura ispod 200°C Najznačajniji su aromatski poliamidi koji se odlikuju visokom toplinskom stabilnošću i visokom rezistentnošću na organska otapala.

Učinkovitost polimernih membrana izražena je preko vrijednosti permeacijskog omjera ( Ni ) dviju komponenti koje se odjeljuju membranom PMi = propusnost membrane lM = debljina membrane

4. Podjela membrana prema geometriji 4.1 membrane koje rade na principu filter preše 4.2 membrane u obliku spiralnog namotaja 4.3 membrane u obliku cijevi 4.4 membrane sastavljene od šupljih vlakana

Transport fluida kroz membrane od svih do sada navedenih vrsta membrana samo su mikroporozne i neporozne membrane selektivne, makroporozne membrane se koriste kao podrška tankim mikroporoznim i neporoznim membranama u slučaju kada postoji značajna razlika tlaka na suprotnim stranama membrana tj. kada je potrebno postići veću propusnost (protok permeata).

Mehanizmi pomoću kojih se odvija transport fluida Ako je promjer pora membrana veći od pora molekula i postoji razlika tlaka nasuprot obje strane membrane separacija će se odvijati procesom molekularne difuzije. U slučaju različitih vrijednosti kemijskog potencijala, koncentracije i parcijalnih tlakova komponenti na suprotnim stranama membrane koje se odvajaju uzrokovat će odvajanje difuzijom. Ako su pore membrana manje od nekih molekula smjese, separacija će se odvijati procesom ograničene difuzije kroz pore. Kod molekula smjese koje su veće od pora membrana (neporozne) prolaz kroz membrane se odvija mehanizmom otapanje/difuzija .

Transport molekula kroz membranu opisan je matematički Fickovim zakonom difuzije: Ji = tok (strujanje) difundirajuće tvari i [kg/m2s] Di =koeficijent difuzije – mjera pokretljivosti pojedinih vrsta molekula [m2/s] dci/dx = koncentracijski gradijent [kg/m3m]

Volumni protok kroz membrane (Bulk flow) Osnovni mehanizam prijenosa molekula kroz mikroporozne membrane kod ultrafiltracije i mikrofiltracije je prijenos uzrokovan volumnim protokom. Ako su pore cilindrične (u obliku cijevi) i postoji razlika tlaka na suprotnim stranama membrane, a strujanje fluida je laminarno < 2100, što je i najčešći slučaj kada se radi o porama malog promjera, brzina strujanja fluida v je dana Hagen – Poiseuilleovom jednadžbom koja je direktno proporcionalna padom tlaka na suprotnoj strani membrane

d = promjer pora membrane [m] µ = dinamička viskoznost fluida [Pas] l = dužina pore membrane [m]

Pregled glavnih membranskih operacija tijekom obrade voda:

Vrijednosti primjenjivih tlakova kod pojedinih membranskih procesa:

REVERZNA OSMOZA

Osmoza podrazumijeva prolaz otapala (npr Osmoza podrazumijeva prolaz otapala (npr. voda) kroz membranu koja je puno propusnija za otapalo nego za otopljenu tvar. Kod procesa osmoze čista voda prolazi kroz membranu u područje slane vode uzrokujući razrjeđenje otopine do uspostave ravnoteže. Razlika između tlaka p1 i p2 tj. razlika u visini stupca tekućine u oba kraka posude Δh(razlika hidrostatskih tlakova) upućuje na pojavu osmotskog tlaka π (p1 – p2 ≤ π). Osmotski tlak je proporcionalan koncentraciji otopljene tvari. Za čistu vodu π = 0.

Ako sada djelujemo nekom silom na smjer suprotan od djelovanja sile osmotskog tlaka odnosno ako je tlak p1 veći od sume tlakova p2 i π (p1 – p2 ≥π),voda iz morske vode se prebacuje u čistu vodu,a morska voda postaje puno koncentriranija. Ovu pojavu nazivamo reverzna osmoza. na membrani zaostaju anorganske soli, mikroorganizmi, koloidi i sl. za uspješno provedeni postupak reverzne osmoze za 3,5% otopinu potreban je tlak od 350 psi (1psi = 6894,75729 Pa) A(membrane) = 33,9 m2

Osmotski tlak u primjeru morske vode može se izračunati pomoću: Σmi = suma molaliteta svih disociranih iona kao i svih neionskih vrsta u otopini [mol/dm3] T= temperatura [K]

Postrojenje za desalinaciju vode

SEPARACIJA PLINOVA

Kod separacije plinova nadolazeća struja plina pod tlakom p1 sastoji se pretežno od molekula male molekulske mase (Mr<50) koje se odvajaju od male količine molekula velike molekulske mase. Membrane kod separacije plinova su obično neporozne (gusto zbijene), i mikroporozne Kod gusto zbijenih membrana molekule plina prvo se apsorbiraju na površinu membrane pa se tek onda transportiraju kroz membranu.

Propusnost membrane različitog poroziteta za neke plinove: Tlak na stijenku membrane je 300 – 500 psi

Industrijska primjena membranskih separacijskih procesa Reverzna osmoza: desalinizacija slane vode obrada otpadnih voda radi uklanjanja raznih kontaminanata u prehrambenoj industriji u procesima koncentriranja (ugušćivanja) mošta, koncentrat rajčice smanjenje udjela alkohola u pivu i vinu