Ústav fyzikální chemie, vŠcht praha...důvody rozvoje membránových separací • rozvoj...
TRANSCRIPT
![Page 1: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/1.jpg)
Separace plynů a par
Karel Friess
Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha
Seminář 10. 5. 2012 Praha
![Page 2: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/2.jpg)
SEPARAČNÍ MEMBRÁNA
pasivní nebo aktivní bariéra průchodu částic mezi dvěma fázemi
Pro membrány je typický výběrový (selektivní) transport jako důsledek rozdílné rychlosti transportu jednotlivých složek dělené směsi membránou
Pro membránový proces je charakteristický princip transportu nebo zadržení
Membránové separace
![Page 3: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/3.jpg)
Důvody rozvoje membránových separací• Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO)
• Rozvoj potravinářského průmyslu
• Rozvoj biotechnologií + enzymového inženýrství
• Ekologické problémy – čištění odpadních vod, získání pitné vody
• Znovuzískání a použití chemických látek (ethanol, CO2)
• Znovuzískání kovových iontů ze zředěných roztoků
• Racionální využití surovin energeticky náročnými metodami
• Biomedicinální aplikace – umělé ledviny, mimotělní oxidace krve
• Umělé fotosyntentické membrány – studium fotosyntézy
• Kontrolované dávkování léků nebo hnojiv
• Vývoj palivových článků (kosmický výzkum)
• Konzervace potravin
• Dělení plynů a jejich čištění
![Page 4: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/4.jpg)
Historie
1748 OSMÓZA J.A. Nollet
1855 DIFÚZE, DIALÝZA A. Fick
1861 PERMEACE PLYNŮ T. Graham
1887 OSMOTICKÝ TLAK J.H. van´t Hoff
1911 DISTRIBUČNÍ ZÁKON F.G. Donnan
1926 REVERZNÍ OSMÓZA L. Michaelis
1944 HEMODIALÝZA W.J. Kolff
![Page 5: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/5.jpg)
Mechanismus transportu
Vstupní směs Retentát
Permeát
HNACÍ SÍLA Membrána
![Page 6: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/6.jpg)
Rychlost transportu závisí na:
• velikosti hnacích sil
• pohyblivosti a koncentraci jednotlivých složek v membráně
Hnací síly: chemického potenciálu
(aktivita – koncentrace)
gradient teploty, tlaku
elektrického potenciálu
Mechanismus transportu
![Page 7: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/7.jpg)
Membránové materiály
![Page 8: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/8.jpg)
Membránové materiály
- sklovité
- kaučukovité
- amorfní
- krystalické
stavfáze
![Page 9: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/9.jpg)
Podle tvaru: ploché listy (tabulární moduly)dutá vlákna, trubicespirálově vinutékapalné membrány
Membránové moduly
![Page 10: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/10.jpg)
Podle tvaru: ploché listy (tabulární moduly)dutá vlákna, trubicespirálově vinutékapalné membrány
Membránové moduly
![Page 11: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/11.jpg)
W. Koros et al., Journal of Membrane Science 175 (2000) 181–196
Druhy komerčních separačních membrán
![Page 12: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/12.jpg)
1. Separace H2 (oddělení H2 od N2, Ar, CO, CO2, alifatických a aromatických CxHy, regulace poměru CO : H2 v syntézním plynu)
2. Získání He ze zemního plynu
3. Dělení vzduchu (obohacení vzduchu kyslíkem, získání dusíku ze vzduchu - inert k ochraně hořlavin a skladování potravin)
4. Odstranění CO2 (a H2S ze zemního plynu a bioplynu, CO2 capturing & storage)
5. Odstranění aromatických uhlovodíků ze vzduchu
6. Odstranění vodních par ze směsí plynů
Membránové separace
![Page 13: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/13.jpg)
Membránové separace
Dělení plynných směsí
Propustnost (výkon) x separační schopnost
l
sílahnacíPJ ⋅=
P je koeficient propustnosti
l je tloušťka membrány
j
i
P
P=*α
(i ≠ j)
![Page 14: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/14.jpg)
Membránové separace
![Page 15: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/15.jpg)
Membránové separace
![Page 16: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/16.jpg)
Volný objem a fáze polymeru
Volný objem
Neporézní polymerní membrányP = D S
rigidní flexibilní
![Page 17: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/17.jpg)
Volný objem a fáze polymeru
Volný objem
rigidní flexibilní
![Page 18: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/18.jpg)
Volný objem a fáze polymeru
Volný objem
rigidní flexibilní
Volný objem
![Page 19: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/19.jpg)
Robesonův diagram
Komerčně atraktivní
L. M. Robeson, Journal of Membrane Science 62 (1991) 165–185
![Page 20: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/20.jpg)
Výhody
• Separace bez chemikálií
• Účinnost separace 90 – 99%
• Úspora energie
• Úspora místa a prostoru (mobilní)
Nevýhody• Technická náročnost
• Vysoké pořizovací náklady
Membránové separace
Dělení plynných směsí
![Page 21: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/21.jpg)
Klasické metody separace plynů1. Kryogenní destilace (O2 / N2 , H2 / CXHY , N2 / CH4 )
![Page 22: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/22.jpg)
Klasické metody separace plynů1. Kryogenní destilace (O2 / N2 , H2 / CXHY , N2 / CH4 )
• Separace směsí na bázi různých teplot varu
N2 -195,8°C (77,35K),
Ar -185,87°C (87,13K)
O2 -182,95°C (90,20K)
• Získávání kapalných i plynných produktů (zkapalněné plyny se dobře transportují, ale náklady na jejich skladování jsou vysoké)
• H2O – problém, snižuje účinnost, nutné předsušení plynů
![Page 23: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/23.jpg)
Klasické metody separace plynů1. Kryogenní destilace (O2 / N2 , H2 / CXHY , N2 / CH4 )
PSF, PI, ethyl CA
UBE Air Liquide
PTMSP, PMP,
silikon. kaučuk
Air ProductsPMP, PEBAX
![Page 24: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/24.jpg)
Klasické metody separace plynů1. Kryogenní destilace (O2 / N2 , H2 / CXHY , N2 / CH4 )
2. Cyklická PSA (pressure swing adsorption - H2 / N2 H2 / CO , H2 / CXHY )
![Page 25: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/25.jpg)
Klasické metody separace plynů1. Kryogenní destilace (O2 / N2 , H2 / CXHY , N2 / CH4 )
2. Cyklická PSA (pressure swing adsorption - H2 / N2 H2 / CO , H2 / CXHY )
• Mnohočetné absorbéry (zeolity, molekulární síta)
• Pracovní podmínky 15 – 30 bar
![Page 26: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/26.jpg)
Klasické metody separace plynů1. Kryogenní destilace (O2 / N2 , H2 / CXHY , N2 / CH4 )
2. Cyklická PSA (pressure swing adsorption - H2 / N2 H2 / CO , H2 / CXHY )
PSF
Prism/PERMEA
PI
Separex
PI, silikon. kaučuk
DuPONT
![Page 27: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/27.jpg)
Prism/PERMEA - separace N2
![Page 28: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/28.jpg)
Klasické metody separace plynů1. Kryogenní destilace (O2 / N2 , H2 / CXHY , N2 / CH4 )
2. Cyklická PSA (pressure swing adsorption - H2 / N2 H2 / CO2 , H2 / CXHY )
3. Aminové vypírky (CO2/ CH4, CO2/ N2) a
glykolové vypírky (H2O / CH4 , CO2 / CXHY)
1. Turboexpandéry (páry/plyn )
![Page 29: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/29.jpg)
Klasické metody separace plynů1. Kryogenní destilace (O2 / N2 , H2 / CXHY , N2 / CH4 )
2. Cyklická PSA (pressure swing adsorption - H2 / N2 H2 / CO2 , H2 / CXHY )
3. Aminové vypírky (CO2/ CH4, CO2/ N2) a
glykolové vypírky (H2O / CH4 , CO2 / CXHY)
• Absorbce – MEA (monoethylamin; 2-aminoethanol)
![Page 30: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/30.jpg)
Klasické metody separace plynů1. Kryogenní destilace (O2 / N2 , H2 / CXHY , N2 / CH4 )
2. Cyklická PSA (pressure swing adsorption - H2 / N2 H2 / CO2 , H2 / CXHY )
3. Aminové vypírky (CO2/ CH4, CO2/ N2) a
glykolové vypírky (H2O / CH4 , CO2 / CXHY)
CA PI PfP
NATCO MEDAL MTR
PI
CA
![Page 31: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/31.jpg)
Perspektivy a trendy
![Page 32: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/32.jpg)
polymer + nanoplnivo
polymer
Syntéza nových polymerů nebo kopolymerů vykazujících vysokou propustnost i dobré separační vlastnosti
Perspektivy a trendy
![Page 33: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/33.jpg)
2-5 hm.% polymeru v roztoku
+ 5, 10 až 60 hm.% nano částic
...…
…..
Mixed Matrix Membrane
(MMM)
Příprava hybridních membrán - polymer + nano plnivo
(tzv. Mixed Matrix Membranes)
Perspektivy a trendy
![Page 34: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/34.jpg)
K. Friess et at., Permeation and sorption properties of PEBAX membranes filled by two types of zeolites.Separation and Purification Technology, 80 (2011) 418-427
Perspektivy a trendy
![Page 35: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/35.jpg)
Děkuji Vám za pozornost
Seminář 10. 5. 2012 Praha
![Page 36: Ústav fyzikální chemie, VŠCHT Praha...Důvody rozvoje membránových separací • Rozvoj elektrotechnického průmyslu (MF, UF, RO) • Rozvoj potravinářského průmyslu •](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051914/60050e9285ae9f45136009ba/html5/thumbnails/36.jpg)