NanomaterialeNanomaterialeNanomaterialeNanomateriale membranaremembranaremembranaremembranare

VIVIVIVI

Prof. Dr. Ing. Gheorghe NECHIFOR

• Membranologia domeniu prioritar in nanostiinte

– Membranele elemente pentru nanoseparari– Procesele membranare si separarea nanospeciilor– Locul membranologiei in cadrul nanostiintelor

• Nanomateriale membranare

– Importanta nanomaterialelor membranare– Clasificare si caracteristici generale

– Aplicatii

• Nanomateriale magnetice pentru separari avansate

– Nanoparticule magnetice– Nanofluide si ferofluide– Aplicatii in separatologie

• Nanostructuri polimerice

– Polimeri pentru membrane– Designul si realizarea nanostructurilor– Nanocompozite polimerice pentru membrane– Aplicatii in domeniul biomedical

• Nanosisteme chimice

– Microemulsii si sisteme ultramicrodisperse– Segregarea sistemelor de separat– Aplicatii in tehnologii de mediu

• Tehnologii ecologice si de ecologizare

Schema proceselor de separare (Porter)

Coloizi

Bacterii

Polen Drojdii

macromolecule

Compusi organici

VirusiSaruri

dizolvate

RO

NF

MF

1 µµµµm 0.1 µµµµm 0.01 µµµµm 1Å10 µµµµm100 µµµµm

Fir par

Obiect

vizibil

globule rosii

Mici

Micro-organisme

virus

Polio

UF

Microfiltrare

Ultrafiltrare

Nanofiltrare

Osmoza Inversa

0.001 µµµµm

1 nm10 nm100 nm1000 nm 0. 1 nm

Functiile membranelorFunctiile membranelor

SEPARARE CONTACTORI

IMMOBILIZARE

ELIBERARE CONTROLATA

1970 1980 1990 20000

50

100

150

200

250

300

To

tal

0

50

100

150

200

250

300

Patents

Numar de publicatii in baza CAS dupa cuvintele cheie: Membran? and React? in titlu.

Primele aplicatii ale

tehnologiilor membranare

- Separare enzime

- Sterilizare

- Recuperare

nanoparticule

de catalizatori

Laboratoire

Pilote

Unité industrielle

Laboratoire

Unité industrielle

Pilote

Laboratory

Industrial unit

Pilot plant

Pilot plant

Laboratory

Industrial unit

Classical way New approach

Laboratoire

Pilote

Unité industrielle

Laboratoire

Unité industrielle

Pilote

Laboratory

Industrial unit

Pilot plant

Pilot plant

Laboratory

Industrial unit

Classical way New approach

Reactorul membranar

membrana

produsi

educti

educti

produsi

Control termodinamic

∆RG0 aproape zero

∆RG0 = -RT lnK → K ≈ 1

A + B � C + D

Control cinetic

∆RG0 very negative

∆RG0 = -RT lnK

→ K >> 1 (103 …1050)

A + B → C + D

Crestere conversie:

De-Hidrogenare

Esterificare

Descompunerea apei

Reformare compusi

Descompunerea N2O, NO

Cresterea Selectivitatii:

Oxidarea partiala

Gaz de sinteza

oxidare p-Xilen

D

C

A,B

B

A

C,D

Esterificarea

alcool + acid ester + apa

Diametru Pori : 0.4 nmDiametru apa: 0.26 nm

[ ][ ][ ][ ]acidalcohol

wateresterK =

8

H2Ovid

i-propanol + acid propionic ester + apa

pervaporatie,

Caro and Noack, Micropor. Mesopor. Mater., 115 (2008) 215

alcan olefina + H2

500°C

Dehidrogenare

40 %

20%

Pat fix conventional

Pat fix pe membrana

Cr2O3 / Al2O3

i-butan i-butenei-butanH2

i-butenai-butan

H2 Gaz de spalare

N2

Cr2O3 / Al2O3

i-butan

⇒⇒⇒⇒ conversia i-butanului creste cu 15 % (dupa15 min)

⇒ selectivitate olefina : H2 recuperat simultan

⇒ Dar: indepartarea hidrogenului determina descompuneri

⇒⇒⇒⇒ dupa doua ore conversia este identica

Czuprat … CaroAIChE J., 56 (2010) 2390

Czuprat … CaroChem.Cat.Chem., 1 (2009) 401

Dehidrogenare cuplata

Membrana Ba(CoxFeyZrz)O3-δ

Grosime perete: 150 µm

Concept:

Descompunerea apei la 900 °C pentru productia de hidrogen

H2O ���� H2 + ½ O2

Membrana ajuta eliminarea oxigenului

Constanta de echilibru ⇒⇒⇒⇒ Kp = 2 x 10-8

Production de H2 din apa

H2O ���� H2+ ½ O2 H2O, H2

O2

CH4 CO, H2

⇒ presiunea partiala a oxigenului poate fi redusa prin cuplare cu formarea gazului de sinteza:

CH4 + ½ O2 →→→→ CO + 2 H2

Jiang … Caro

Angew. Chem., 120 (2008) 9481

Productia hidrogenului cuplata cu gazul de sinteza

1 m3m-2h-1

A + B � C + D

A,B C

D

Eliberarea speciilor blocate

N2O, NOx N2

O2

NOx, N2O → N2 + Osurf

Descompunerea N2O →→→→ N2 + ½ O2

Membrana anorganica cu dublu rol:

- Catalizator pentru descompunere

- Recuperarea oxigenului

N2O N2

O2

CH4 CO, H2

Jiang … Caro, Angew. Chem. Int. Ed. 48 (2009) 2983

2 NO →→→→ N2 + O2 NO + O2 →→→→ NO2

mem

bra

na

Control termodinamic

∆RG0 aproape zero

∆RG0 = -RT lnK → K ≈ 1

A + B � C + D

Control cinetic

∆RG0 very negative

∆RG0 = -RT lnK

→ K >> 1 (103 …1050)

A + B → C + D

Crestere conversie:

De-Hidrogenare

Esterificare

Descompunerea apei

Reformare compusi

Descompunerea N2O, NO

Cresterea Selectivitatii:

Oxidarea partiala

Gaz de sinteza

oxidare p-Xilen

D

C

A,B

B

A

C,D

Gaz de sinteza

CH4 + ½ O2 ⇒ CO + 2 H2

Recemic Enzima ProdusiFaza Organica

100%

0%

Faza apoasa

Membrana

Multumiri Profesorului Jurgen CARO,

pentru permisiunea de a utiliza exemplele de

reactii membranare