Rozdzielanie składników roztworów techniką destylacji membranowej

• Autorzy: Gryta, M.
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Destylacja membranowa (MD) wykazuje duże potencjalne możliwości aplikacyjne, jednakże występuje w niej szereg ograniczeń procesowych, na przykład zwilżanie membran. Ponadto, o wdrożeniu procesu zadecyduje wielkość oraz stabilność uzyskiwanego strumienia permeatu. Rozwiązanie powyższych zagadnień było przedmiotem badań autora. Opracowano nowy model MD opisujący transport pary wodnej i innych składników lotnych nadawy przez pory niezwilżonej membrany. Został on zastosowany do wyznaczenia korzystnych warunków prowadzenia procesu oraz konstrukcji nowych typów modułów membranowych. W rezultacie uzyskano wzrost wydajności procesu w granicach 100 - 200%. Przedstawiony model, oprócz zastosowań w pracach projektowych, stanowi podstawę do opracowania technologii otrzymywania wody wysokiej czystości oraz zagospodarowania roztworów odpadowych. Wykazano, że w bezpośredniej kontaktowej MD na wydajność modułu główny wpływ mają warunki przepływu roztworu zasilającego (nadawy). Opracowane nowe technologie zagospodarowania ścieków po procesie trawienia metali z wykorzystaniem MD stwarzają możliwość zamknięcia obiegów wody i kwasu. Zaprezentowana nowa technologia rozdzielania ścieków zasolonych po regeneracji jonitów pozwala nie tylko zawrócić do procesu czystą wodę, ale jednocześnie uzyskany koncentrat z powodzeniem wykorzystać do zwalczania śliskości zimowej. Zbadano pracę bioreaktora membranowego zastosowanego do produkcji etanolu. Wydzielenie w procesie MD produktów fermentacji pozwoliło przesunąć równowagę reakcji, w wyniku czego zdecydowanie zwiększono wydajność i produktywność bioreaktora. Opracowano model usuwania komórek drożdży, odkładających się na powierzchni membran w bioreaktorze membranowym, który z powodzeniem został potwierdzony przez badania numeryczne oraz doświadczalne. Wykazano, że bioreaktor membranowy może pracować z wysoką wydajnością w sposób ciągły. Podczas kilkunastu miesięcy eksploatacji modułu nie stwierdzono biofoulingu oraz zwilżania membran polipropylenowych. Przedstawiono, że wykorzystując zjawisko powierzchniowego zagęszczenia alkoholu podczas MD rozcieńczonych roztworów etanolu można uzyskać wysokie współczynniki wzbogacenia etanolu w permeacie. Stwierdzono, że warunki prowadzenia destylacji membranowej utrudniają rozwój mikroorganizmów. Pozwala to zastosować proces MD do zatężania mieszanin aktywnych biologicznie, bez niebezpieczeństwa znacznego rozwoju biofoulingu. Doświadczalnie wykazano, że podczas zatężania roztworów zawierających białka ilość powstających na powierzchni membran osadów zależy w znacznym stopniu od temperatury prowadzenia procesu i wartości współczynnika odzysku wody. Udowodniono, że zmniejszenie wydajności procesu spowodowane powstaniem na powierzchni membran warstwy organicznych osadów wynika głównie z oporów termicznych tej warstwy, a nie blokowania powierzchni odparowania. Wykazano, że podczas procesu MD zanieczyszczenia olejowe obecne w rozdzielanych roztworach nie adsorbują się na powierzchni membran polipropylenowych. Badania różnych układów geometrycznych modułów wykazały, że dla bezpośredniej kontaktowej MD moduły powinny być montowane w pozycji pionowej, ze współprądowym przepływem strumieni od dołu ku górze. Wykorzystując obliczenia modelowe i wyniki badań długoterminowych opracowano podstawy technologii ciągłego zatężania roztworów soli połączonego z ich krystalizacją. Przedstawiono przy tym mechanizm zwilżania membran w trakcie zatężania stężonych roztworów soli. Wykazano znaczenie w tym procesie zjawisk polaryzacyjnych. Powiązano morfologię powierzchni membran z szybkością przebiegu zwilżania membran w trakcie ich długotrwałej eksploatacji.

EN

Membrane distillation (MD) comprises a relatively novel membrane process, which can be applied for the separation of various aqueous solutions. The hydrophobic membranes, with the pores filled by the gas phase, are used in this process. Therefore, only the volatile components of the feed are transported through the membrane. MD may be carried out according to various modes which differ in the way of the permeate collection, the mass transfer mechanism and a method of driving force generation. A literature survey concerning the different modes of MD was presented. A critical evaluation of the process fundamentals and its parameters is incorporated throughout this literature review. Terminology for MD process, membrane properties, transport phenomena and module design are discussed in detail. This work deals with a direct-contact MD (DCMD), particularly with the possibilities of application of such mode of MD. A low temperature of MD process enables for used the concentration of solutions being thermal non-resistance. Therefore, the MD can be applied for the removal of volatile components from the fermenting broths. In the MD process of HCl solution the permeate is a solution of hydrochloric acid with a concentration dependent on the temperature and the feed composition. This allows to recover HC1 from spent solutions, followed by its concentration. For the solutions of non-volatile substances (NaCl, H2S04) only water vapour is transferred across the membrane. In this case, the concentration process can be carried out to the saturate state of salt or until the partial pressure difference exists. The concentration of saturated solutions was successfully carried out in a continuous mode by application of the crystalliser integrated with the DCMD installation. During the concentration of solution solubility of solute is often exceeded and as a consequence, the deposit of salts is formed onto the membrane surface. The concentration by MD of NaCI solutions containing protein resulted in a severe fouling of the MD membranes. The morphology and composition of the fouling layer was studied using a scanning electron microscopy (SEM) coupled with energy dispersion spectrometry (EDS) and Fourier transform infrared (FTIR-DRS). A growth of microorganism in the MD system (biofouling) has been evaluated. The running conditions of the MD process (such as elevated temperature, significant salt concentrations and low pH values) inhibited the growth of microorganism in the membrane distillation system. The used membranes did not reject Streptococcus faecalis bacteria. The contamination of the membrane surface by yeast cells was not observed in the case of the membrane bioreactor, operated over one year. The pre-treatment processes that allow reducing the fouling phenomena in MD modules were presented in this work. The influence of a module design and its operating parameters on the efficiency of the MD process has been studied. To evaluate the polarization phenomena, a simple model was used. This model demonstrated a good agreement with the experimental results. The capillary polypropylene membranes Accurel S6/2 PP (Membrana GmbH, Germany) were assembled in the modules investigated. The most favourable operating conditions of module were achieved with the membranes arranged in a form of braided capillaries. The membrane wettability during long-term testing was also investigated. A slow decline of the module efficiency was observed since the membranes were partially wetted during the process, but after 300 - 500 h of process duration this phenomenon was stabilized.

Słowa kluczowe

PL

destylacja membranowa; separacja membranowa; procesy membranowe; oczyszczanie ścieków

• Czasopismo: Prace Naukowe Politechniki Szczecińskiej. Instytut Technologii Chemicznej Nieorganicznej i Inżynierii Środowiska
• Rocznik: 2003
• Tom: Nr 577 (7)
• Strony: 3-160
• Opis fizyczny: Bibliogr. 343 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Gryta, M.