reverznÍ osmÓza pro zakoncentrovÁnÍestrogenŮ pŘed … · validace modelu...
TRANSCRIPT
![Page 1: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/1.jpg)
REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍ ESTROGENŮ PŘED
JEJICH ANALYTICKÝM STANOVENÍM -MATEMATICKÝ POPIS PROCESU
Jan Siegel, Chimi Wangmo, Jiří Cuhorka, Alena Otoupalíková, Michal Bittner
RECETOX, Masarykova Univerzita
SANAČNÍ TECHNOLOGIE XXII22. - 24. 5. 2019
![Page 2: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/2.jpg)
• Skupina pohlavních hormonů s různou strukturou
Estrogeny
![Page 3: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/3.jpg)
17α-ethinylestradiol17β-estradiol17 α-estradiolestronequilinequileninestriolmestranol
![Page 4: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/4.jpg)
„Watch list“ EU WFD
http://eur-lex.europa.eu/legal-content/CS/TXT/PDF/?uri=CELEX:32015D0495&from=EN
![Page 5: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/5.jpg)
![Page 6: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/6.jpg)
Výhoda – zakoncentrování analytů až 20000x, separace „nečistot“
Nevýhoda – separace „nečistot“, pro in vitro test nutno ředit (200x)
SPE (solid phase extraction)
![Page 7: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/7.jpg)
• Skupina pohlavních hormonů s různou strukturou
• Interagují s dalšími látkami přítomnými ve směsi
Janošek, J. Bittner, M., et. al. (2007). AhR-mediated and antiestrogenic activity of humic substances, Chemosphere
Estrogeny• Interagují s dalšími látkami přítomnými v roztoku
![Page 8: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/8.jpg)
Reverzní osmóza
![Page 9: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/9.jpg)
Cíle výzkumu
I. Matematicky popsat průběh zakoncentrování solutů v pitné vodě (solí či estrogenů)
II. Zhodnotit vhodnost systému RO pro koncentraci estrogenů rozpuštěných v pitné vodě
![Page 10: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/10.jpg)
Systém RO s deskovou membránou
Cross-flow cela CF042D - specifikace
Materiál PTFE
Aktivní plocha membrány 42 cm2
Max. tlak 27,6 bar
Max. teplota 260 °C
Rozměry
štěrbiny
Hloubka 2,28 mm
Šířka 39 mm
Membrána pro reverzní osmózu - BW30LE
Materiál Polyamid
Max. tlak 15,5 bar
Max. teplota 45 °C
pH rozsah 2-11
Rejekce (2000 ppm NaCl) 99 %
1. CF042D Sterlitech Crossflow cell2. DOW FILMTEC desková membrána BW30 LE3. Tlak v systému – 7 bar
![Page 11: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/11.jpg)
Materiálová rovnováha v RO systému s uzavřenou smyčkou
![Page 12: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/12.jpg)
Model rozpuštění-difuze
• Tok solventu (voda) membránou
• Tok solutu membránou
![Page 13: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/13.jpg)
Spojení materiálové bilance a modelu rozpuštění-difuze
Slater, C. S. et al. (1985) ‘Modeling of small scale reverse osmosis systems’, Desalination, 52(3), pp. 267–284
![Page 14: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/14.jpg)
Validace modelu – zakoncentrování roztoků NaCl
• Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)
• Vstupní parametry:
Vf0 = 1 l ExpNaCl 1 ExpNaCl 2
Cw = 1000 g/l Cf,NaCl,0 = 2 0,2 g/l
S = 0,0042 m2 T = 19,0 22,5 °C
ΔP = 7 bar Vc = 255 470 mL
π = 0 kg/(m·h2) Gf,0 = 3350 414 μS/cm
Aw = 4·10-12 h/m kNaCl = 0,60 0,48
Rg = 8,3145 J/(K.mol)
iNaCl = 2
iEE2 = 1 ExpEE2 1 ExpEE2 2 ExpEE2 3
MNaCl = 58,4 g/mol CfEE20 = 50 25 10 ng/l
MTDS = 80 g/mol T = 21,0 18,5 23,5 °C
MEE2 = 296,44 g/mol Vc = 206 540 167 ml
BS,NaCl = 1.7·10-3 m/h Gf,0 = 523 516 522 μS/cm
BS,EE2 = 1.7·10-8 m/h kTDS = 1492 1492 1492
![Page 15: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/15.jpg)
Průměrná odchylka – 4,7 %2 g/l NaCl
Validace modelu – zakoncentrování roztoku NaCl
![Page 16: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/16.jpg)
Průměrná odchylka – 32,9 %0,2 g/l NaCl
Validace modelu – zakoncentrování roztoku NaCl
![Page 17: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/17.jpg)
Optimalizace modelu pro věrnější popis zakoncentrování I
• Původní koeficient koncentrace solutu ψ se statickým koeficientem osmotického tlaku 𝜑
R. I. Urama and B. J. Mariñas, “Mechanistic interpretation of solute permeation through a fully aromatic
polyamide reverse osmosis membrane,” J. Memb. Sci., vol. 123, no. 2, 1997
K. Jamal, M. A. Khan, and M. Kamil, “Mathematical modeling of reverse osmosis systems,”
Desalination, vol. 160, no. 1, 2004.
• Koeficient koncentrace solutu ψ s dynamickým koeficientem osmotického tlaku 𝜑
![Page 18: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/18.jpg)
• Teplotní korekční faktor (TCF)
DOW FILMTECTM (1969) ‘Basics of RO and NF : Principle of Reverse Omosis and Nanofiltration’, pp. 2–3.
• Rozšíření modelových konstant a1 a a2 o TCF
Optimalizace modelu pro věrnější popis zakoncentrování II
![Page 19: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/19.jpg)
Průměrná odchylka – 0,9 % (x 4,7 %)2 g/l NaCl
Validace optimalizovaného modelu –zakoncentrování roztoků NaCl
![Page 20: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/20.jpg)
Průměrná odchylka – 1,5 % (x 32,9)0,2 g/l NaCl
Validace optimalizovaného modelu –zakoncentrování roztoků NaCl
![Page 21: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/21.jpg)
Optimalizace modelu pro zakoncentrování EE2
• Nutná transpozice zakoncentrování TDS na zakoncentrování EE2
![Page 22: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/22.jpg)
Validace modelu – zakoncentrování roztoku EE2
• Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)
• Vstupní parametry:
Vf0 = 1 l ExpNaCl 1 ExpNaCl 2
Cw = 1000 g/l Cf,NaCl,0 = 2 0,2 g/l
S = 0,0042 m2 T = 19,0 22,5 °C
ΔP = 7 bar Vc = 255 470 mL
π = 0 kg/(m·h2) Gf,0 = 3350 414 μS/cm
Aw = 4·10-12 h/m kNaCl = 0,60 0,48
Rg = 8,3145 J/(K.mol)
iNaCl = 2
iEE2 = 1 ExpEE2 1 ExpEE2 2 ExpEE2 3
MNaCl = 58,4 g/mol CfEE20 = 50 25 10 ng/l
MTDS = 80 g/mol T = 21,0 18,5 23,5 °C
MEE2 = 296,44 g/mol Vc = 206 540 167 ml
BS,NaCl = 1.7·10-3 m/h Gf,0 = 523 516 522 μS/cm
BS,EE2 = 1.7·10-8 m/h kTDS = 1492 1492 1492
![Page 23: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/23.jpg)
Výsledek – zakoncentrování roztoku EE2
• Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)
0 1 2 3 4 5
0
5 0
1 0 0
1 5 0
Č a s (h )
Ko
nc
en
tra
ce
Cf
(ng
/l) 50 ng/L- Experim ent
10 ng/L-S im ulace M A PD =18 .1%
50 ng/L- S im ulace M A P D =14 %
25 ng/L- S im ulace M AP D = 7.2 %
10 ng/L-E xperim ent
25 ng/L- Experim ent
• EE2 stanoveno metodou HPLC-HRMS
![Page 24: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/24.jpg)
• Použití RO pro zakoncentrování estrogenů se jeví jako
slibná alternativa SPE
• Optimalizovaný model zakoncentrování solutu byl
experimentálně ověřen pomocí NaCl
• Optimalizovaný model zakoncentrování solutu rozšířený o
výpočetní blok pro estrogeny byl ověřen pomocí EE2
• Nutno zlepšit analytické stanovení estrogenů (ng/l)
Závěr
![Page 25: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/25.jpg)
• Zakoncentrování sinic a jejich toxinů pomocí NF membrány
Trisep TS40 (Mw cut-off 200-300 Da)
Další aplikace RO/NF v env. analytice
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450h
mo
tno
st f
iltrá
tu [
g]
čas [min]
TriSep TS 40 - rychlost vzniku filtrátu
![Page 26: REVERZNÍ OSMÓZA PRO ZAKONCENTROVÁNÍESTROGENŮ PŘED … · Validace modelu –zakoncentrováníroztoků NaCl • Simulace provedena v MatLab simulink 2012 (Match Works, Inc.)](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041118/5f3004a5e7ac705bbe14c0c0/html5/thumbnails/26.jpg)
Poděkování
• Ing. Ondřej Škorvan
• TRIO (FV10323)
• MŠMT ČR (grant LO1214)
• Erasmus Mundus