Membran Filtreler
description
Transcript of Membran Filtreler
Membran Filtreler
MikrofiltrasyonHazırlayan:Dan Libotean - Alessandro PattiPhD studentsUniversitat Rovira i Virgili, Tarragona, Catalunya
Türkçeye Çeviren: Ertan Arslankaya
MF - UF - NF 2
MembranınTanımı
Membran; İki fazı birbirinden ayıran seçici olarak kütle transferine olanak sağlayan bir engel olarak tanımlanabilir. (katı olmasına gerek yoktur)
IDEA
L MEM
BR
AN
E
Permeat Besleme
İtici Güç M
embran
1. Faz2. Faz
MF - UF - NF 3
MF kullanımındaki gelişmeler
1. İçme ve kullanma suyu ile alakalı çevre sorunlarına olan aşırı ilgi
2. Artan Su ihtiyacı (daha etkili bir şekilde mevcut kaynakları kullanılması)
3. Pazar gücü
MF - UF - NF 4
Batı Avrupa’da Membran Pazarı
05
1015202530354045
MF Dialysis UF RO Other
% of total 1997 consumption in Western Europe
MF - UF - NF 5
Membran kullanımı (U.S.A., 2001)
MF arıtılmamış sudakipartikül ve mikroorganizmaları,dezenfektanın daha düşük sarfiyatına neden olmasıve daha azdezenfeksiyon yan ürünleri oluşturması sebebiylebunların ortadan kaldırması için daha fazla kullanılmaktadır.
MF - UF - NF 6
MF Kümülatif Kapasitesi
'86-'88 '89-'90 '91-'92 '93-'94 '95-'960
10
20
30
40
50
Number of plants
Number of plants
MF - UF - NF 7
İtici Kuvvetler
İtici kuvvet kütle transferini membran boyunca mümkün kılar possible; çoğunlukla, itici kuvvet ya bir bacınç farkı(∆P), bir konsantrasyon farkı( ∆C), Sıcaklık farkı (∆T) yada elektriksel potansiyel farkı olabilir (∆E).Membranlar itici kuvvetlerine bağlı olarak aşağıdaki şekilde sınıflandırılabilir :
∆P ∆c ∆T ∆EMicrofiltration Pervaporation Thermo-osmosis Electrodialysis
Ultrafiltration Gas separation Membrane distillation Electro-osmosis
Nanofiltration Vapour permeation Membrane electrolysis
Reverse osmosis Dialysis
Piezodialysis Diffusion dialysis
MF - UF - NF 8
Basıç Sürücü(İtici) KuvvetlesrMF
10-300 kPa RO
0.5-1.5 MPa NF
0.5-1.5 MPaUF
50-500 kPa∆P=
Bacteria, parasites, particlesHigh molecular substances, viruses
Mid-size organic substances, multiple charged ionsLow molecular substances, single charged ions
MF - UF - NF 9
Membranların Gözenek Boyutları
MF - UF - NF 10
Gözenek Geometrileri
Gözenekli MF membranlar polimerik matriksden, gözeneklerden oluşur Farklı gözenek geometrileri varlığından dolayı, taşınma olaylarını açıklamak içinFarklı matematiksel modeller geliştirilmiştir
MF - UF - NF 11
Taşınım DenklemleriThe Hagen-Poiseuille ve the Kozeny-Carman denklemleri membran boyunca suyun akışını ifade ederler. Bu denklemlerin kullanımı gözeneklerin şekil veboyutlarına bağlıdır..
1. Hagen-Poiseuille
xPrJ
8
2
Silindirik gözenekler
J – sıvı akısıP – basınç farkıx – membran kalınlığı - tortuosity - viscosityr – gözenek çapıε – yüzey porozitesi
MF - UF - NF 12
Taşınım Denklemleri
2. Kozeny-Carman
xP
SKJ
2
3
S – birim hacimdeki yüzey alanıK – Kozeny-Carman sabiti (gözenek geometrisine bağlıdır)
closely packed spheres
MF - UF - NF 13
MF membranları nasıl hazırlanır
1. Stretching
Stretched PTFE membrane
MF - UF - NF 14
MF membranları nasıl hazırlanır
2. Track-etching
Track-etched 0.4 μm PC membraneradiation source
polymer film
etching bath
membrane
MF - UF - NF 15
MF membranları nasıl hazırlanır
3. Phase inversion (PI)
Chemical phase inversion 0.45 μm PVDF membrane
MF - UF - NF 16
MF membranları nasıl hazırlanır
4. Sintering
HEAT
pore
MF - UF - NF 17
Kullanılan Materyaller
Sentetik Polimerik Membranlar:
a) Hydrophobic (Suyu sevmeyen)b) Hydrophilic (Suyu seven)
Ceramic membranes
PTFE, teflonPVDFPPPECellulose estersPCPSf/PESPI/PEIPAPEEK
Alumina, Al2O3
Zirconia, ZrO2
Titania, TiO2
Silicium Carbide, SiC
MF - UF - NF 18
Kullanılan Materyaller
1. Polymeric MF membranes
Phase inversion
Stretching
Track-etching
MF - UF - NF 19
Kullanılan Materyaller
2. Ceramic MF membranes
Anodec, anodic oxidation (surface) US Filter, sintering (cross section, upper part)
MF - UF - NF 20
Modüller
Modül pratikte kullanılabilecek en basit membran yapısıdır.Modül tasarımı aşağıdaki verilenlerle bağlıdır.
2. Hasar ve sızıntıya karşı membranın bütünlüğü
3. Polarizasyon kontrol altında tutmak için yeterli kütle transferi
4. Minimum atık enerji
5. Permeatın kolayca çıkışı
6. Membran temizlenmesi için izin
1. Üretim Ekonomisi
MF - UF - NF 21
Modül: tubular (Boru şeklinde)
Boru biçimindeki membranın montajı
• Membran çapı: >0.5 mm
• Aktif tabaka: tüp içinde
• Akış hızı: yüksek (5 m/s’ye kadar)
• Tüp:güçlendirilmiş fiberglas veya paslanmaz çelik
• Tüp sayısı: 4-18
• Akı: Tek veya çok kanallı
• Temizleme: Kolay
• Yüzey Alanı/Hacim: düşük
MF - UF - NF 22
Modül: hollow fiber (içi boş elyaf)
Hollow fiber module (inside-out)
• Fiberler: 300 – 5000 birim modül
• Fiber çapı: <0.5 mm
• Akı hızı: düşük (2.5 m/s’ye kadar)
• Besleme: içeri veya dışa doğru
• Yüzey Alanı/Hacim: yüksek
• Basınç düşüşü: düşük (1 bar’a kadar)
• Bakım: zor
• temizleme: kötü
MF - UF - NF 23
Simetrik Membranlar
Symmetric seramik membran (Al2O3)
yüzeyEnine kesit
Enine kesit üniform ve düzenli bir yapı gösterir
MF - UF - NF 24
Asimetrik membranlar
Asimetrik birPSf membranın enine kesiti
Gözenekli düzensiz tabaka
Aktif tabaka gözenekli yüzeyin üzerinde desteklenmektedir.
50/150 μmGözenekli üst tabaka
Benzer malzeme! 0.1/0.5 μm
MF - UF - NF 25
Fouling (kirlenme) ve dirençKirlenme: konsantrasyon, sıcaklık, pH, moleküler etkileşimlere bağlıdır.
cm RRPJ
Akı düşüşünü tanımlamak için Resistances-in-series (direnç serisi) modeli :
J: flowΔP: pressure dropη: viscosityRm: membrane resistanceRc: cake resistance
time, t
flux,
J
MF - UF - NF 26
Fouling (kirlenme) ve direnç
m
a
p
RR
R
gcp RR
porousmembrane
gel layerGözeklerin Tıkanması
onpolarizatiionconcentratR
formationlayergelRmembraneRadsorptionR
blockingporeR
cp
g
m
a
p
:
:::
: -
Rm= Rm(t=0)+Ra+Rp; Rc=Rg+Rcp
Rtot=Rm+Rc
MF - UF - NF 27
Kirlenmeyi Azaltma Yöntemleri
1. Besleme solüsyonunun ön arıtımı
2. Membran özellikleri
3. Modül ve Proses Şartları
4. Temizleme
a. Konsantrasyon polarizasyonunun azaltılmasıa1. Akış hızının artırılmasıa2. düşük akış membranlerının kullanımı
b. Turbulence promoters
a. Narrow pore size distributionb. Hydrophilic membranes
a. Isıl arıtmaa. pH ayarlamasıb. Kompleksleştici ilavesic. Klorlamad. Aktif Karbon adsorbsiyonue. Kimyasal çöktürme
a. Mekanikb. Kimyasalc. Elektirikd. Hidrolik
Back-flushing (Geri Yıkama)
MF - UF - NF 28
Back-flushing (Geri Yıkama)
suspension
permeate
permeate
suspension
permeate
permeate
J
t
Geri yıkama ile yenilenen basınç
Geridönüşümsüz kirlenmeΔP
t
Geri yıkama ile yenilenen basınç
Geridönüşümsüz kirlenme
Başlama noktaları
MF - UF - NF 29
Dead end( Çıkmaz) and cross-flow (çapraz akış)
To reduce fouling two process modes exist:
Feed
PermeatePermeate
Feed Retentate
1. Dead-end 2. Cross-flow
Cake layer
MF - UF - NF 30
Mevcut MF Membranları
Gözenek boyutu, μm
Modül Materyal Birim modül başına membran alanı, m2
Üretici
2, 3, 5 T C 0.02 – 7.1 US Filters1.4 T C 0.005 – 7.4 US Filters1 T C 0.09 – 10.0 CTI TechSep
0.45 T C 0.13 – 11.5 Ceramen0.45 FH PSf 0.01 – 3.7 AG Technology0.2 T C 0.02 – 7.1 US Filters0.2 FH PP 2.0 Akzo0.2 FH PP/PF 10.8 – 15 Memtec0.1 T C 0.02 – 7.1 US Filters0.1 FH PSf 0.01 – 3.7 AG Technology
MF - UF - NF 31
MF prosesi uygulamaları
1. Atıksu arıtımı prosesinde dört temel işlemin yerini almakta
COAG/FLOC SEDMIX FILT
Disinfectants &Coagulants
Atıksu
su
Kalıntı dezenfektan
MFÖn filtre
MF - UF - NF 32
MF prosesi uygulamaları
2. MF kullanımıyla koagülant ile ön arıtma sonrası sonrasıOrganik maddenin giderilmesi
Su
Atıksu
Koagülant
MFÖnFiltre
MF - UF - NF 33
MF prosesi uygulamaları
Atıksu
3. MF, RO veya NF için ön arıtma
Su
MFÖnFiltre
RO
NF Su
MF - UF - NF 34
Retentant: Ne olacak?
1. Bir arıtma tesisine gönder2. Bir su ortamına deşarj3. Bir depo tesisine gönder4. Toprak uygulamaları için kullanım5. Geri döşünüm ile su kaynağına
MF - UF - NF 35
Bazı Endüstriyel Uygulamaları
1. Waste-water treatment Atıksu arıtımı2. Meyve suyu, şarap ve bira arıtımı3. Ultrasaf su temini yarı iletken endüstrisi4. Kolloidal oksitler ya da hidroksitler gibi metal geri
kazanımı5. İçecek ve ilaçların Soğuk sterilizasyonu6. Tıbbi uygulamalar: transfüzyon filtre seti, cerrahi su arıtma7. Sürekli fermantasyon8. Nükleer tesislerinde yoğunlaştırılmış su arıtma9. Yağ-su emülsiyonları ayrılması
Membran Filtreler
Ultrafiltrasyon & Nanofiltrasyon
MF - UF - NF 37
Membran Filtreler
SPECIES RANGE OF DIMENSIONS (NM)Yeasts and fungi 1000-10000Bacteria 300-10000Oil emulsions 100-10000Colloidal solids 100-1000Viruses 30-300Proteins, polysaccharides 2-10Enzymes 2-5Common antibiotics 0.6-1.2Organic molecules 0.3-0.8Inorganic ions 0.2-0.4Water 0.2
MF - UF - NF 38
Membran Filtreler
MF - UF - NF 39
Membran Filtreler
MF - UF - NF 40
Membran Karakterizasyonu
pore size (boyutu)pore size distribution
(boyut dağılımı)free volume
(boşluk hacmi)Crystalinity (kristalitesi)
Membran özellikleri Membrane ayırma özellikleri
rejectionseparation factor(Ayırma faktörü)
enrichment factor(Zenginleştirme
faktörü)
MF - UF - NF 41
Membran Karakterizasyonu
Membranlar Porous(boşluk)
nonporous
Process Driving force Membrane Pore Separation principleMicrofiltration pressure difference
(0.1 - 1 bar)macropore filtration
Ultrafiltration pressure difference(0.5 – 10 bar)
mesopore filtration
Nanofiltration pressure difference(5 – 20 bar)
micropore filtration/electrostatic interaction/solution-diffusion
macropore f>50nmmesopore 2nm<f<50nmmicropore f<2nm
f = pore diameter
MF - UF - NF 42
Poröz Membranların Karakterizasyonları
1. Gözenek Şekli (pore geometry)
MF - UF - NF 43
1. Por geometrisi
ΔxΔP
τη8rεJ
2
Hagen-Poiseuille denklemi
J – the solvent fluxP – pressure differencex – thickness of membrane - tortuosity - viscosityr – the pore radius – the surface porosity
MF - UF - NF 44
1. Por geometrisi
ΔxΔP
ε1SηKεJ 22
3
-
Kozeny-Carman denklemi
S – the internal surface areaK – Kozeny-Carman constant
MF - UF - NF 45
1. Por geometrisi
Üst tabaka kalınlığı0.1-1mm
Alt tabaka kalınlığı50-150mm
Akı kalınlıkla ters orantılıdır. commercial interest
MF - UF - NF 46
Poröz Membranların Karakterizasyonları
2. Por boyut dağılımı
MF - UF - NF 47
Poröz Membranların Karakterizasyonları
3. Yüzey porozitesi
m
2
p Arπnε
r – gözenek çapı
np – gözenek sayısı
Am – membran alanı
Mikrofiltrasyon membranı: 5-70%
Ultrafiltrasyon membranı: 0.1-1%
MF - UF - NF 48
Poröz Membranların Karakterizasyonları
Karakterizasyon Yöntemi: Yapısal parametreler
(por boyutu, por boyut dağılımı, üst tabaka kalınlığı, yüzey porozitesi)
geçirgenlik ile ilgili parametreler
* ‘cut-off’ is defined as the molecular weight which is 90% rejected by the membrane
MF - UF - NF 49
Poröz Membranların Karakterizasyonları
Characterization methodsMicrofiltration Ultrafiltrationscanning electron microscopy gas adsorption-desorptionbubble-point method thermoporometrymercury intrusion porometry permporometrypermeation measurements liquid displacement
rejection measurementtransmission electron microscopy
MF - UF - NF 50
Ultrafiltrasyon
…..0.05 mm 1 nm arasında değişen membran gözenek boyutları bulunan bir yarı-geçirgen bir zar üzerinde basınç ve akış vasıtasıyla bir bileşenin başka bir çözeltisinin bir bileşeni ayrılması
30 yıldır kullanılmaktaİşletme basıncı 0.1-5 barGenelde makromolekül ve kolloidlerin ayrılmasında kullanılmaktaEn düşük sınır, moleküler ağırlık olan bir kaç bin Dalton (1Dalton1.66.10-24g) olan çözeltilerdir.50 psig (~ 3,5bar) işletme basıncında Ortalama akı aralığı 50-200 GFD (~ 80-340 l/m2.h),
MF - UF - NF 51
UltrafiltrasyonKulanılan Membranlar:
polymerik- polysulfone/poly(ether sulfone)/sulfonated polysulfone- poly(vinylidene fluoride)- polyacrilonitrile- cellulosics- polyimide/poly(ether imide)- aliphatic polyamides- polyetheretherketone
Seramik
- alumina (Al2O3)- zirconia (ZrO2)
MF - UF - NF 52
Ultrafiltrasyon
Proses performansı sadece içsel membran özelliklerine bağlı değil, aynı zamanda farklı olayların oluşumuna da bağlıdır:
Concentrationpolarization (konsantrasyon kutuplaşması)Fouling (kirlenme)adsorption
MF - UF - NF 53
Konsantrasyon polarizasyonu
. Tutulan türlerin konsantrasyonu, akışın olduğu yerden
membran yüzeyine yakında daha yüksektir.
Sonuç:önemli ölçüde yüksek konsantrasyonlu bir sınır tabakası düşük kaliteli nüfuz
Çözünürlük:
Yüksek akışkan hızları zar yüzeyi boyunca korunur
MF - UF - NF 54
Kirlenme
MF - UF - NF 55
Ultrafiltrasyon
Çapraz akış Modu
MF - UF - NF 56
Ultrafiltrasyon
Dead End (Çıkmaz_Ölü nokta) Modu
MF - UF - NF 57
Temizleme
Geri yıkama Modu
MF - UF - NF 58
Temizleme
Forward Flush mode (ileri sürükleme)
MF - UF - NF 59
Adsorpsiyon
Hydrophobic Hydrophilic
MF - UF - NF 60
Adsorpsiyon
Yüzeyde adsorbe edilen molekül sayısı, hidrofobik membran yüzeyinin hidrofilik membran yüzeyine dönüştürülmesi ile azaltılabilir.
MF - UF - NF 61
UltrafiltrasyonUygulamalar:
gıda ve süt endüstrisiilaç endüstrisi (enzimler, antibiyotikler, pirojenler)tekstil sektöründekimya sanayimetalurji (yağ-su emülsiyonları, Electropaint kurtarma)kağıt endüstrisideri sanayiNanofiltrasyon için kompozit membranı alt katmanları, osmoz, gaz ayırma veya prevaporation
MF - UF - NF 62
Ultrafiltrasyon
Verimi Etkileyen Faktörler:membran yüzeyi boyunca akış
yüksek akış hızı high permeate rateİşletme basıncı
artan kirlenme ve sıkıştırma nedeniyle, basınçlar nadiren 100 psi (1 psi = 0,068948 bar) aşarİşletme sıcaklığı
yüksek sıcaklık high permeate rate
MF - UF - NF 63
Nanofiltrasyon... inorganik tuzlar veya küçük organik moleküller (glukoz, sakaroz) gibi
düşük molekül ağırlıklı solütler ayrılmak zorunda olduğunda ... kullanılabilir.
gözenek boyutu <2 nmçalışma basıncı 10-20 barMalzeme doğrudan ayırmayı etkilemektedirnanofiltrasyon membran gözenekli ve gözeneksiz membran aralığında kabul edilirAyırma mekanizması için iki model
1. mikro-gözenekli bir nüfuz2.membran matrisi içine çözelti, difüzyon
MF - UF - NF 64
1. Ayırma mekanizması
...yük ve/veya boyut etkisi olarak açıklanır
Yüksüz çözeltiler sievingYüklü bileşenler Donnan exclusion mechanism
mB
B
BmA
A
A
mDon a
alnFz
RTaaln
FzRTΨΨΨ -
Y - the electrical potential z - the valenceR - the gas constant F - the Faraday constantT - the temperature a - the activity of the solutes“m” refers to the membrane phase, while “A” and “B” are the components in the solution
The Donnan potential
MF - UF - NF 65
2. Çözelti-Difüzyon mekanizması
membran gözeneksiz bir difüzyon bariyeri olarak davranır
her bileşen bir denge dağılımı yasalara uygun olarak membranda çözünür
her bir bileşen konsantrasyonu ve basınç farklılıklarına bağlı olarak bir difüzyon mekanizması yoluyla membran boyunca yayılır
MF - UF - NF 66
Nanofiltrasyon
Negatif yüklü membran Pozitif yüklü membran
MF - UF - NF 67
Nanofiltrasyon
Difüzyon membranlarda önemli bir rol oynar
nonporous membrane
MF - UF - NF 68
Nanofiltrasyon
Membranlar kullanımı:asimetrik yapısı: üst tabaka <1mm, alt tabaka ~ 50-150mmasimetrik membran (faz ayrımı teknikleri ile hazırlanır)- Selüloz esterleri
pH aralığı, 5-7, sıcaklık <30 ° C (polimerin hidrolizinden kaçınmak için)- poliamidler-Polibenzimidazollar,polybenzimidazolones, polyamidehydrazide, kompozit membranlar poliimidler- İlk aşamada gözenekli alt katmanı hazırlanıyor- Alt tabakanın üstüne ince yoğun bir tabaka yerleştirmek: daldırma kaplama, in-
situ polimerizasyonu, ara yüzey polimerizasyonu, plazma polimerizasyonu
MF - UF - NF 69
NanofiltrasyonUygulamalar:
içme suyu üretmek için tuzlu ve deniz suyu tuzdan arındırma
yarı iletken endüstrisi için ultra saf su üretimi
Ca2 + +, CO32-gibi iki değerli iyonların tutma
herbisit, böcek, böcek ilaçları, boyalar, şeker gibi: mikrokirleticilerin ve microsolutes tutulması