Zaawansowane techniki membranowe - teoria i praktyka

• Autorzy: Konieczny K. , Bodzek M.

Warianty tytułu

EN

Advanced membrane techniques - theory and practice

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przedstawiono kompendium wiedzy na temat zasadniczych problemów dotyczących membran syntetycznych i technik membranowych, ze szczególnym uwzględnieniem technik membranowych, których siłą napędową jest różnica ciśnień po obu stronach membrany. Omówiono przede wszystkim: klasyfikacje procesów membranowych i membran, ciśnieniowe techniki membranowe, zjawiska polaryzacji stężeniowej i "foulingu" membran, metody zapobiegania zmniejszaniu wydajności membrany, moduły membranowe, projektowanie systemów membranowych oraz zastosowanie technik membranowych w ochronie środowiska. Ze względu na zmieniające się podejście co do koncepcji uzdatniania wód do celów konsumpcyjnych, przede wszystkim wzrastające wymagania odnośnie do jakości wody do picia, technologie membranowe są obecnie brane pod uwagę jako procesy alternatywne w uzdatnianiu wody. W tej dziedzinie stosuje się je najczęściej do odsalania i zmiękczania wody oraz uzdatniania wody do picia i na potrzeby gospodarcze. W regionach silnie uprzemysłowionych powstają ścieki zawierające znaczne ilości substancji pochodzenia przemysłowego, które charakteryzują się nierównomiernością stężenia oraz różnorodnością zawartych zanieczyszczeń. Ich oczyszczanie wymaga szeregu wzajemnie uzupełniających się technologii, które pozwalają na ponowne wykorzystanie oczyszczonej wody (ścieków) do celów komunalnych lub przemysłowych, a równocześnie na odzysk substancji wartościowych zawartych w ściekach. Przykładami są tutaj ścieki emulsyjne, pochodzące z przemysłu tekstylnego, celulozowo-papierniczego i rolno--spożywczego oraz odcieki z wysypisk odpadów starych.

EN

Membrane separations have been in use for a variety of commercial applications: in environmental protection, water and wastewater treatment, gas separation, food and pharmaceutical industries, medical applications, etc. Every day thousands tons of food, blood serum, millions tons of wastewater and water, are treated with membranes. Some membrane processes are reasonable well understood and have been commercialized for some period of time. Other membrane processes have only recently been employed in commercial applications, and still other processes are only in formative research stages. The article gives a comprehensive compendium of the basic problems in the field of synthetic membranes and membrane techniques, especially pressure driven membrane processes. The following topics are covered: classification of membrane processes and membranes, membrane modules and designing membrane systems, reasons and results of flux decrease and methods to preventing this phenomenon as well as the main applications of membrane processes. Three basic types of membranes can be distinguished based on structure and separation principles: porous membranes, nonporous membranes and liquid membranes. Pressure driven membrane processes (microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration and reverse osmosis) are most important because they have the greatest industrial applications. Because of driving force, i.e. the applied pressure, the solvent and some molecules permeate through membrane, whereas other molecules or particles are rejected. As we go from microfilfiltration through ultrafiltration to hyperflltration, the size (molecular weight) of the particles or molecules separated diminishes and consequently the pore size in the membrane must become smaller. An important factor, which determines the application of membranes, is to recognize the reasons for the drop of permeate flux in the function of time, and to describe them with relatively simple mathematical relations. The phenomena, that limited the mass transfer during the realization of membrane processes, are concentration polarization and fouling. They take place simultaneously and their effects impose on each other. Concentration polarization is the steady-state process, which leads to stabilization of flux. The result of fouling is, in the contrary, continuously drop of permeate flux. Membrane processes are applied in environmental protection. Due to changes in the approach to water treatment for consumption purposes and the growing requirements imposed on the quality of potable water, membrane technologies are currently viewed as alternative processes in water treatment operations. The treatment of industrial wastewaters necessitates application of a number of complementary technologies which would ensure the removal of impurities to such a degree that the treated water (wastewater) could be used again for municipal or industrial purposes, with simultaneous recovery of valuable substances present in these wastewaters. Desalination of sea, brackish and mine water, softening of natural water and treatment for drinking water purpose as well as the removal of nitrates and volatile organics by membrane techniques, are the examples of application of membranes in water treatment. As examples for wastewater treatment, emulsion wastewater, wastewater coming from textile, pulp and paper and agro-food industries have been noted. Also treatment of landfill leachate, removal of metals and utilization of membrane bioreactors to organics wastewater treatment were mentioned.

Słowa kluczowe

PL

membrana; techniki membranowe ciśnieniowe; polaryzacja stężeniowa, "fouling"; moduł membranowy; ochrona środowiska

EN

membrane; pressure driven membrane processes; concentration polarization; fouling; membrane modules; membrane techniques; environmental protection

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2001
• Tom: T. 4, nr 3-4
• Strony: 413--457
• Opis fizyczny: Bibliogr. 46 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Konieczny K.

• Politechnika Śląska, Instytut Inżynierii Wody i Ścieków, ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice

autor

Bodzek M.

• Politechnika Śląska, Instytut Inżynierii Wody i Ścieków, ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice

Bibliografia

• [1] Kołtuniewicz A., Wydajność ciśnieniowych procesów membranowych w świetle teorii odnawiania powierzchni, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1996.
• [2] Loeb S., Sourirajan S., High-flow semipermeable membranes for separation of water from saline solutions, Adv. Chem. Ser. 1961, 38, 117-132.
• [3] Bodzek M., Bohdziewicz J., Konieczny К., Techniki membranowe w ochronie środowiska, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1997.
• [4] Mulder M., Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht 1991.
• [5] Konieczny K., Ultrafiltracja i mikrofiltracja w uzdatnianiu wód do celów komunalnych, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Seria Inżynieria środowiska z. 42, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2000.
• [6] Bodzek M., Membrane techniques in water treatment and renovation, (w:) Water Management Purification and Conservation in Arid Climates, eds. IM.F.A. Goosen, W.H. Shayya, Vol. 2. Water purification, Technomic Publishing Co., Lancaster-Basel 1999,45-100.
• [7] Bodzek M., Membrane techniques in wastewater treatment, Water Management Purificationand Conservation in Arid Climates, eds. IM.F.A. Goosen, W.H. Shayya, Vol. 2. Water purification, Technomic Publishing Co., Lancaster-Basel 1999, 121-184.
• [8] Mulder M., The use of membrane processes in environmental problems. An introduction, Membrane Processes in Separation and Purification, eds. J.G. Crepso, K.W. Böddeker, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht 1994, 229-262.
• [9] Narębska A., Membrany i membranowe techniki rozdziału, Wydawnictwo Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, Toruń 1997.
• [10] Rautenbach R., Procesy membranowe, WNT, Warszawa 1996.
• [11] Zsirai I., Książek K., Mikrofiltracja (MF) próżniowa jako technika umożliwiająca wykorzystanie wód odpadowych do celów przemysłowych, Materiały III Ogólnopolskiej Konferencji Naukowej nt. Membrany i procesy membranowe w ochronie środowiska, Szczyrk 1999, T. III, 301-314.
• [12] Strathmann H., Economical assessment of membrane processes, Effective Industrial Membrane Processes: Benefits and Opportunities, eds. M.K. Tuner, Elsevier Applied Science, London, New York 1991, 1-19.
• [13] Solid growth seen for European membrane markets, International Newsletter Membrane Technology 2000, 125, 1.
• [14] Konieczny К., Modelling of ultrafiltration and microfiltration of natural water for potable purpose, Desalination 2001 (in press).
• [15] Konieczny К., Bodzek M., Modelling of UF/MF process of natural water, Conference Proceedings Engineering with Membranes, Granada 2001,1, 320-327.
• [16] Konieczny K., Rafa J., Modelling of the membrane filtration process of natural waters, Polish J. Environ. Stud. 2000, 9, 57-64.
• [17] Hermia J., Constant pressure blocking filtration laws - application to power-law non-newtonian fluids, Trans IChemE. 1982, 60,183-187.
• [18] Proceedings of the Conference Euromembrane 2000, Jerusalem, September 2000.
• [19] Proceedings of an International Congress on Membranes and Membrane Processes ICOM’99, Toronto, June 1999.
• [20] Conference Proceedings Engineering with Membranes, Granada, June 2001.
• [21] Field R.W., D. Wu, Howell J.A., Gupta B.B, Critical flux concept for microfiltration fouling, J. Membr. Sei. 1995,100, 259-272.
• [22] Howell J.A., Sub-critical flux operation of microfiltration, J. Membr. Sei. 1995, 107, 165-171.
• [23] Metsämuuronen S., Howell J., Nyström M., Critical flux in ultrafiltration of myoglobin and baker’s yeast, J. Membr. Sei. 2002, 196,13-25.
• [24] Bachin P., Aimar P., Sanchez V., Model for colloidal fouling of membranes, AIChE Journal 1995,41,2, 368-376.
• [25] Harmant P., Aimar P., Coagulation of colloids in a boundary layer during cross-flow filtration, Colloids Surf. A 1998, 138, 217-230.
• [26] Li H., Fane A.G., Coster H.G.L., Vigneswaran S., An assessment of depolarisation models of cross-flow microfiltration by direct observation through the membrane, J. Membr. Sei. 2000, 172, 135-141.
• [27] Chen V., Fane A.G., Madeani S.S., Particle deposition during membrane filtration of colloids: transition between concentration polarisation and cake formation, J. Membr. Sei. 1997, 125, 109-122.
• [28] Kwon D.Y., Vigneswaran S., Influence of particle size and surface charge on critical flux of cross-flow microfiltration, Water Sei. Technol. 1998, 38, 481-488.
• [29] Fradin B., Field R.W., Cross-flow microfiltration of magnesium hydroxide suspensions: determination of critical flux, measurement and modelling of fouling, Sep. Purif. Technol. 1999, 16,25-45.
• [30] Huismann I.H., Vellenga E., Tragardh G., Tragardh C., The influence of membrane zeta potential on the critical flux for ncross-flow microfiltration of particle suspension, J. Membr. Sei. 1999, 156, 153-158.
• [31] Kwon D.Y., Vigneswaran S., Fane A.G., Ben Aim R., Experimental determination of critical flux for cross-flow microfiltration, Sep. Purif. Technol. 2000,19, 169-181.
• [32] Li H., Fane A.G., Coster H.G.L., Vigneswaran S., Direct observation of particle deposition on membrane surface during cross-flow microfiltration, J. Membr. Sei. 1998, 149, 83-97.
• [33] Beiford G., Pimbley J.M., Greiner A., Chung K.Y., Diagnosis of membrane fouling using a rotating annular filter, J. Membr. Sei. 1993, 77, 1-22.
• [34] Chen V., Performance of partially permeable microfiltration membranes under low fouling conditions, J. Membr. Sei. 1998, 147, 265-278.
• [35] Wu D., Howell J.A., Field R.W., Critical flux measurements for model colloids, J. Membr. Sei. 1999, 152, 89-98.
• [36] Ishida H., Yamada Y., Tsuboi M., Matsumura M., Kubota submerged membrane activated sludge process. Its application into activated sludge process with high concentrations of MLSS, Presentation at ICOM’93, Heidelberg 1993.
• [37] Kołtuniewicz A., Modelowanie transportu masy w procesach membranowych, Wykład przedstawiony w ramach Szkoły Membranowej Membranowe techniki separacyjne-podstawy teoretyczne oraz zastosowania w ochronie środowiska, Ciechocinek, maj 2000.
• [38] Bryjak M., Procesy separacyjne a polimery. O możliwościach nietypowego wykorzystania syntetycznych polimerów, Prace Naukowe Instytutu Technologii Organicznej i Tworzyw Sztucznych Politechniki Wrocławskiej, Seria Monografie Nr 10, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2001.
• [39] Bryjak M., Trochimczuk W., Porous ion exchange membrane as potential antifoulants, Angew. Makromol. Chem. 1993, 208, 173-181.
• [40] Pożniak G., Bryjak M., Trochimczuk W., Sulfonated polysulfone membranes with antifouling activity, Angew. Makromol. Chem. 1995, 233, 23-31.
• [41] Bryjak M., Trochimczuk W., Preparation od porous ion exchange membranes from sulfonated polyethylene//poly(stryrene-co-divinylbenzene), Angew. Makromol. Chem. 1993, 207, 111-119.
• [42] Bryjak M., Hodge H., Dach В., Modification of porous polyacrylonitrile membrane, Angew. Makromol. Chem. 1998, 260, 25-29.
• [43] Bryjak M., Garncarz I., Plasma treatment of PE ultrafiltration membranes, Angew. Makromol. Chem. 1994,219, 117-121.
• [44] Bryjak M., Garncarz I., Krajciewicz A., Pigłowski J., Air plasma treatment of PAN porous membrane, Angew. Makromol. Chem. 1996, 234, 21-29.
• [45] Bryjak M., Garncarz I., Pigłowski J., Plasma modification of PAN porous membrane, Envir. Prot. Eng. 1993, 19, 113-119.
• [46] Garncarz I., Pożniak G., Bryjak M., Frankiewicz A., Modification of polysulfone membranes. 2. Plasma grafting and plasma polymerization of acrylic acid, Acta Polym. 1999, 50, 317-326.