Curs Membrane

11
Membrane si procese de membrana In cadrul proceselor de separare, pe langa procesele clasice de separare (distilarea, rectificarea, extractia, schimbul ionic, filtrarea, centrifugarea, sedimentarea), au aparut o serie de alte procese, cunoscute ca procese de membrana Membranele si procesele membranare constituie un domeniu interdisciplinar  a carui evolutie exploziva a fost determinata de implicarea fara restrictii a stiintei materialelor, matematicii, fizicii, chimiei fizice, biologiei si ingineriei [n fiecare etapa parcursa de la teorie la proces industrial. Ala tur i de o prima genera tie de pro cese de separare (mi cro fil tra re, ult raf ilt rar e, osmoza inversa, di aliza, electrodiali za) a aparut o a doua generatie de procese de membra na care cuprinde pri ntr e alt ele permea tia de gaze, pervapora tia , membranel e lichide, distilarea cu membrane. Aceste procese, desi prezinta unele dezavantaje generale (durata redusa de utilizare, selectivitate [n general mica, influentarea procesului de transfer membranar de catre exterior) se constituie [n domenii cu perspective certe de aplicare 1. Membrane [n procese de separare In ultimii cincizeci de ani, membranele si procesele membranare au evoluat de la instalatiile la scara de laborator la cele industriale, avand [n acelasi timp o importanta economica si comerciala crescuta. Procesele membranare nu numai ca au [nlocuit unele din procesele de separare conventionale, dar au dat rezultate remarcabile si [n domenii [n care tehni cile conventio nale esuasera sau erau foarte cost isito are. Intre probl emele care au determinat dezvoltarea exponentiala a proceselor membranare sunt si cele de protectia mediului, [nt rucat teh nologiile avand la baza membranele si tehnicile de sep arare prin membrane sunt recunoscute ca tehnologii ecologice. In prezent, dezvoltarea proceselor de membrana se afla [ntr-o etapa intermediara, prima gener atie de procese memb ranar e (micr ofilt rarea, ultra filtra rea, osmoza invers a, electrodializa, electroliza membranara) fiind [n etapa de optimizare si largire a aplicatiilor, pe cand procesele de membrana de generatia a doua (nanofiltrarea, separarea gazelor, pervaporatia, distilarea membranara, membranele lichide) sunt [n continua afirmare, dar nu au fost promovate [nca la scara industriala. Un sistem complex format dintr-un solvent [n care se gasesc dizolvate specii chimice ionice, molecule si macromolecule si dis per sat e macromolecule, agr ega te moleculare si particule, poate fi separat [n componenti prin procese clasice sau membranare. In figu ra 1 sunt diferentiate procesele de separare din prima generatie dupa factorul determinant, [nsa trebuie avut [n vedere ca exista si procese care combina doi sau mai multi parametrii ai speciilor chimice de separat. Din sch ema prezentata se evidentia za cinci importante pro cese membranare (osmoza inversa, ultrafiltrarea, dializa, microfiltrarea si electrodializa) care acopera [ntregul domeniu de marimi de particule de separat, egaland [n versatilitate sedimentarea [n camp centrifugal. Procesele membranare permit si separarea unor specii chimice dizolva te, deci fractionarea unor sisteme omogene, asemanandu-se din acest punct de vedere cu extractia, distilarea sau schimbul ionic. 1

Transcript of Curs Membrane

5/7/2018 Curs Membrane - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/curs-membrane 1/11

 

Membrane si procese de membrana

In cadrul proceselor de separare, pe langa procesele clasice de separare (distilarea,

rectificarea, extractia, schimbul ionic, filtrarea, centrifugarea, sedimentarea), au aparut oserie de alte procese, cunoscute ca procese de membranaMembranele si procesele membranare constituie un domeniu interdisciplinar   a

carui evolutie exploziva a fost determinata de implicarea fara restrictii a stiintei materialelor,matematicii, fizicii, chimiei fizice, biologiei si ingineriei [n fiecare etapa parcursa de la teoriela proces industrial.

Alaturi de o prima generatie de procese de separare (microfiltrare, ultrafiltrare,osmoza inversa, dializa, electrodializa) a aparut o a doua generatie de procese demembrana care cuprinde printre altele permeatia de gaze, pervaporatia, membranelelichide, distilarea cu membrane. Aceste procese, desi prezinta unele dezavantaje generale(durata redusa de utilizare, selectivitate [n general mica, influentarea procesului de transfermembranar de catre exterior) se constituie [n domenii cu perspective certe de aplicare

1. Membrane [n procese de separareIn ultimii cincizeci de ani, membranele si procesele membranare au evoluat de la

instalatiile la scara de laborator la cele industriale, avand [n acelasi timp o importantaeconomica si comerciala crescuta. Procesele membranare nu numai ca au [nlocuit unele dinprocesele de separare conventionale, dar au dat rezultate remarcabile si [n domenii [n caretehnicile conventionale esuasera sau erau foarte costisitoare. Intre problemele care audeterminat dezvoltarea exponentiala a proceselor membranare sunt si cele de protectiamediului, [ntrucat tehnologiile avand la baza membranele si tehnicile de separare prinmembrane sunt recunoscute ca tehnologii ecologice.

In prezent, dezvoltarea proceselor de membrana se afla [ntr-o etapa intermediara,prima generatie de procese membranare (microfiltrarea, ultrafiltrarea, osmoza inversa,electrodializa, electroliza membranara) fiind [n etapa de optimizare si largire a aplicatiilor,pe cand procesele de membrana de generatia a doua (nanofiltrarea, separarea gazelor,pervaporatia, distilarea membranara, membranele lichide) sunt [n continua afirmare, dar nuau fost promovate [nca la scara industriala.

Un sistem complex format dintr-un solvent [n care se gasesc dizolvate specii chimiceionice, molecule si macromolecule si dispersate macromolecule, agregate molecularesi particule, poate fi separat [n componenti prin procese clasice sau membranare. In figura 1sunt diferentiate procesele de separare din prima generatie dupa factorul determinant, [nsatrebuie avut [n vedere ca exista si procese care combina doi sau mai multi parametrii aispeciilor chimice de separat.

Din schema prezentata se evidentiaza cinci importante procese membranare(osmoza inversa, ultrafiltrarea, dializa, microfiltrarea si electrodializa) care acopera [ntreguldomeniu de marimi de particule de separat, egaland [n versatilitate sedimentarea [n camp

centrifugal. Procesele membranare permit si separarea unor specii chimice dizolvate, decifractionarea unor sisteme omogene, asemanandu-se din acest punct de vedere cu extractia,distilarea sau schimbul ionic.

1

5/7/2018 Curs Membrane - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/curs-membrane 2/11

 

Factorul determinant 

Domeniul procesului de separare (PORTER)

Marimea

Difuzivitatea

SarcinaionicaPresiunea de vaporiSolubilitateaActivitatea de

suprafasaMasamoleculara

Milimetri 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100

Fig. 1- Domeniul de utilizare al proceselor de separare din prima generatie si factoruldeterminant al separarii.

2

Microfiltrare Filtrare cu panza

Ultrafiltrare Site [i gratareCromatografia prin gel

Osmoza inv

 

ersaDializa

ElectrodializaSchimbul de ioni

 

Distilare/Concentrare prin tnghesare

Extracsia cu solvensi organiciFracsionarea bulelor [i spumelor

UltracentrifugareCentri

 

fugare

Sedimentare gravitasionala

5/7/2018 Curs Membrane - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/curs-membrane 3/11

 

Tabel 1 Procesele membranare si caracteristicile lor.

Procesul demembrana

 Tipulmembranei

Forsamotrice

Mecanism deseparare

Aplicasii

Microfiltrare (MF) Simetricamicroporoasa(0,1 - 10 mm)

Presiunehidrostatica(0,1 - 1 bar)

Curgere capilara[i adsorbsie

Filtrare sterila, clarificare

Ultrafiltrare (UF) Asimetricamicroporoasa(0,01 - 0,1mm)

Presiunehidrostatica(0,5 - 5 bar)

Curgere capilaraSepararea solusiilor demacromolecule

Nanofiltrare (NF) Asimetrica custrat activ

Presiune10 - 30 bar

Curgere capilara [iSolubilizare -difuzie

Separarea anionilor devalensediferite.Fracsionarea deamestecuri organice

Osmoza inversaHiperfiltrare (HF)

Asimetrica custrat activ

Presiune20 - 200bar

Solubilizare -difuzie

Separarea sarurilor [imicrosolvisilor din solusii

Dializa (D)Simetricamicroporoasa

Gradient deconcentrasi

e

Difuzie Separarea diver[ilorsolvisi din

solusiimacromoleculareSeparareagazelor

Compozite[i poroase

Presiune [igradient deconcentrasie

Solubilizare -difuzie

Separarea gazelor dinamestecuri

Electrodializa(ED)

Cationice[i anionice

Potensialelectric

Schimbul desarcini

|ndepartarea ionilor dinsolusii

Membranelichide

Lichida Potensialchimic

Solubilizare -difuzie cu carrier

Separarea ionilor[i speciilor biologice

Distilare prinmembrane

Microporoasa Presiune devapori

 Transportulvaporilor prinmembrane

Apa ultrapura,concentrarea solusiilor

PervaporasiaAsimetrica Presiune

parsiala devapori

Solubilizare -difuzie

Separarea lichidelororganice

Electrodializa cumembrana

Cationice,anionice,microporoase

Gradientuldeconcentrasie

 Transportul[i schimbul desarcina

Obsinerea NaOH detnalta puritate, aclorului, a hidrogenului

ElectroosmozaMicroporoasa Gradient de

potensial [iconcentrasie

Difuzia ionilor[i moleculelor

Uscarea unor substansesolide umede

Reactoare

membranare

Asimetrice,cationice,

anionice

Funcsie dereacsia

chimica

Difuzia, schimbulde sarcina,

curgerea capilara

Obsinerea produselor defermentasie,

tndepartarea gazelor dinreactoare

Observatiile facute impun evidentierea unor caracteristici ale membranelor si aleproceselor membranare care le deosebesc semnificativ de alte procese de separare. Astfel,[n tabelul 1 sunt prezentate principalele procese membranare, tipul membranelor necesaresepararii, forta motrice a procesului si mecanismul de separare.

Dupa cum se observa din tabelul 1, microfiltrarea, ultrafiltrarea, nanofiltrarea siosmoza inversa au ca forta motrice diferenta de presiune, acestea numindu-se procese debaromembrana. Procesele de baromembrana ocupa primul loc [n gama aplicatiilorindustriale. Aceste procese sunt de obicei [ncadrate [n categoria tehnicilor de filtrare[naintata. Astfel, osmoza inversa este similara unei deshidratari prin hiperfiltrare,ultrafiltrarea seamana cu tehnicile de concentrare, purificare si fractionare amacromoleculelor sau dispersiilor coloidale, iar microfiltrarea este consacrata [n separarea

suspensiilor. Practic fiecare proces membranar se poate constitui [ntr-o alternativa viabilapentru alte procese de separare.

In figura 2a este prezentat stadiul mondial al proceselor de membrana, iar [n figura2b prognoza acestora pentru 1999. Se remarca marirea contributiei microfiltrarii,

3

5/7/2018 Curs Membrane - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/curs-membrane 4/11

 

ultrafiltrarii, separarii gazelor si pervaporatiei si scaderea ponderii hemodializei si osmozeiinverse [n ansamblul proceselor de separare.

1%6%

8%

5%

36%

31%

MF

HD

UF

RO

GS

PV

3%

15%

6%

20%

15%

34%

MF

HD

UF

RO

GS

PV

a b

Fig. 2 Evolutia proceselor de membrana

(a - stadiu actual; b - prognoza pentru 1999)

Procesele de separare prin membrane pot fi considerate ca o alternativa pentrutehnicile clasice de separare, dar si ca tehnologii membranare integrate, putand astfel sa-sigaseasca locul [n industria chimica si petrochimica, [n industria alimentara si biotehnologii.

2 Modele de transport prin membraneMembranele permit separarea unuia sau mai multor componenti ai amestecurilor [n

urma tranferului de masa, atat prin membrana cat si [n imediata vecinatate a membranei(datorat contactului dintre bariera selectiva si fazele fluide rezultate [n urma separarii -permeatul si concentratul).

Elementele constitutive ale unui amestec sunt transportate dintr-o faza [n alta, prinintermediul membranei, sub actiunea unei forte motrice, a carei marime este determinatade gradientul unui potential chimic, electric sau electrochimic. In cazul transportului spontanprocesul se desfasoara [n sensul scaderii potentialului.

Forta motrice, responsabila de transportul prin membrana, poate fi diferenta de

presiune (∆ P) , de concentratie (∆ c), de temperatura (∆ T ), sau diferenta de potential

electric de o parte si de alta a membranei. Presiunea, concentratia si temperaturadetermina potentialul chimic , care pentru cazul izoterm, are expresia:

 µ µ i i i i

  RT a V P  = + +0

ln (15)

unde  µ i este potentialul chimic al componentului i, µi

0 potentialul chimic al unui mol de

component pur la presiunea P si temperatura T , iar ai coeficientul de activitate al speciei i.

Viteza de permeatie prin membrana este proportionala cu forta motrice, conformecuatiei fenomenologice:

 J AdX 

dx= − (16)

unde J este fluxul prin membrana,dX  

dxforta motrice, exprimata prin gradientul marimii  X 

(P, T, c) pe directia abscisei  x  perpendiculara pe bariera semipermeabila, iar  A coeficientfenomenologic. Acesta are ca semnificatie fizica rezistenta opusa de membrana procesuluide transport.

4

5/7/2018 Curs Membrane - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/curs-membrane 5/11

 

Ecuatiile fenomenologice descriu [n afara de transportul de masa si fluxul termic,volumetric, electric si de impuls. Coeficientul fenomenologic este cunoscut drept coeficientde difuzie (D), difuzivitate termica (a), permeabilitate hidrodinamica (L p), conductivitate

electrica (1

R ), viscozitate cinematica (  ν

η

ρ= ). Principalele ecuatii fenomenologice sunt

prezentate [n tabelul 2

5

5/7/2018 Curs Membrane - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/curs-membrane 6/11

 

Tabel 2 Ecuatii fenomenologice de transport

Nr.crt.

Ecuatiafenomenologica

Flux Coeficientfenomenologic

Fortamotrice

1J D

dc

dxm =−

(legea Fick)

Jm

(Flux masic)

D ∆ c

2J L

dP

dxV P=−

(legea Darcy)

JV

(Flux volumetric)

LP ∆ P

3 q adT

dx=−

(legea Fourier)

q

(Flux termic)a ∆ T

4J

dV

dxη

ν=−

(legea Newton)

(Flux de impuls)

 ν ∆ p

5 I R 

dE

dx=−

1

(legea Ohm)

I(Flux electric)

1

R  ∆ E

3 Structura membranelorMembranele omogene se obtin din materiale care nu permit formarea de structuri

asimetrice sau compozite si sunt destinate unor aplicatii care utilizeaza morfologiimembranare anizotrope sau care nu necesita valori mari ale fluxurilor de produs (tabel 3)

Structura membranara influenteaza criteriile de selectare ale materialelormembranare, constituind factorul esential [n mecanismele de separare si transport. Astfelmembranele poroase, materiale care contin goluri de dimensiuni mult mai mari decatdimensiunile moleculare, conform clasificarilor IUPAC pot fi membrane macroporoase,mezoporoase si microporoase, dupa cum marimea porilor este mai mare de 50 nm, cuprinsa[ntre 50 si 2 nm si respectiv mai mica de 2 nm. Procesul de transport al speciilor chimiceprin acest tip de membrane, avand ca forta motrice gradientul de presiune, concentratie saupotential electric, are loc prin sistemul de pori printr-un mecanism de curgere capilara.

Membranele neporoase nu poseda pori detectabili microscopic, acestea fiindasimilate, din punct de vedere structural, cu un solvent imobil pentru moleculele supusetransportului. Procesul de transport prin membranele de acest tip se efectueaza printr-unmecanism de solubilizare-difuzie, speciile chimice se dizolva si difuzeaza [n interiorulmembranei sub actiunea gradientului de concentratie si/sau de presiune. Un factorimportant [n procesul de transport prin membranele neporoase [l constituie interactia dintrefaza fluida si membrana. Ca urmare a procesului de interactie, membrana se poate gonfla [nfluid sau poate fi complet dizolvata.

Fig. 3- Structura membranelor actuale:

6

5/7/2018 Curs Membrane - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/curs-membrane 7/11

 

a) membrane simetrice; b) membrane asimetrice; c) membrane compozite.

Tabel 3 Clasificarea membranelor artificiale

Materialmembranar

Structura Morfologie Configuratie Preparare Proces demembrana

Polimeri Omogena Densa Plana

Fibre capilare

Extruziune

Peliculizare

D, ED, EDI

Poroasa Plana Tubulara

Inversie defaza

FritareEtirare

Gravare

MF,DM

Asimetrica

Poroasa Plane Tubulare

Fibre capilare

Inversie defaza

MF, UF, DM

Neporoasa cu stratactiv

PlanaFibre capilare

Inversie defaza

RO, SG, PV

Compozita

Neporoasa cu stratporos

PlanaFibre capilare

Polimerizare

interfacialaPolimerizare [n plasmaDepunere

RO, SG, PV

Lichid Continua Lichid imobilizat peun substrat poros

PlanaFibre capilare

Impregnare ELM, TC,SG

Emulsie Emulsificare

ELM

Gaz Continua Strat plan de gaz lasuprafata unui lichid

dintr-o fibramicroporoasa

PlanaFibre capilare

Separareasubstantelo

r volatiledin faza

lichidaAnorganic(ceramic,

metalsticla)

Asimetrica

Microporoasa Tubulara Fritare MF, UF, SG

Coloidal(dinamica)

Gel Strat coloidal pe unsubstrat poros

 Tubulara Prepararedinamica [n

timpulfiltrarii

UF, RO,Filtrarealichidelororganice

D - dializa; ED - electrodializa; EDI - electrodializa inversa; MF - microfiltrare; UF -ultrafiltrare; RO - osmoza inversa; DM - distilare membranara; SG - separarea gazelor; PV -pervaporatie; ELM - extractie cu membrane lichide; TC - transport facilitat.

4 Prepararea membranelorUna din principalele premize ale dezvoltarii [n ultimii 25 de ani a proceselor de

membrane o constituie succesul tehnicilor de preparare a membranelor sintetice. Tehnicile de preparare se aleg [n functie de tipul de structura dorita si de materialul

membranar selectat (tabel 1). Aceste tehnici [si au originea adesea in tehnologiile specificede obtinere a materialelor ceramice sau plastice, a sticlelor si metalelor.

 4.1. Membranele neporoase

Membranele neporoase sau filmele polimerice au fost primele structuri realizate [n

scopul separarii unor amestecuri lichide [46]. Structura acestora este asimilata, datoritaabsentei porilor microscopici, cu un ansamblu de pori de dimensiune moleculara,

caracterizat de o porozitate structurala [40].Membranele de acest tip se prepara prin urmatoarele tehnici [47]:

• extinderea unui film polimeric si evaporarea controlata a solventului [48];

7

5/7/2018 Curs Membrane - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/curs-membrane 8/11

 

• extruderea topiturilor de polimeri, tehnica [mprumutata din industriamaterialelor plastice, valabila pentru polimerii cu stabilitate chimica sitermica;

• polimerizarea si reticularea peliculei.Membranele neporoase reprezinta bariere ideale pentru diverse specii chimice

asigurand [n aplicatii o selectivitate perfecta, [nsa valorile scazute ale fluxurilor de permeatconstituie un handicap economic important [n ridicarea la scara a procesului.

 4.2. Membranele poroase

Membranele poroase sunt formate din pori interconectati, de marimi superioare

dimensiunilor moleculare detectabili prin tehnici microscopice[49]. Transportul speciilorchimice prin acest tip de membrane se efectueaza printr-un mecanism de curgere capilara,caracteristicile de transport fiind determinate de marimea relativa a moleculelor de solvitfata de cea a porilor. Acest tip de membrane, realizat din diverse materiale cum ar fi:polimeri, materialele ceramice, grafit, metalele, oxizii metalici (tabel 1), se prepara prinurmatorele tehnici experimentale:

• fritarea de pulberi (marimea particulelor determinand porozitateamembranei);

• etirarea unui film omogen dintr-un polimer partial cristalin;

• bombardarea filmului polimeric cu particule usoare si developarea fizico-chimica;

• inversia de faza.

 4.3. Membranele asimetrice

Membranele asimetrice au constituit o etapa revolutionara [n promovarea proceselorde membrana, datorita proprietatilor lor structurale, combinand caracteristicile de separaresi permeabilitate ale membranelor neporoase si poroase. Aceste membrane se disting decele poroase printr-un strat superficial extrem de compact, care se formeaza la interfata incontact cu aerul. Stratul compact este dificil de observat chiar si cu microscopul electronic.Membrana asimetrica poate deveni mai selectiva prin post - tratare. Grosimea stratului actival acestor membrane este de aproape 0,2 m. Utilizate [n general [n procese de membrana  

care au ca forta motrice gradientul de presiune, acestea au fata de membranele simetriceavantajul retinerii particulelor la suprafata membranei, evitandu-se astfel blocarea structuriiinterne.

Membranele asimetrice se pot prepara prin urmatoarele metode:

• inversia de faza (membrane asimetrice propriu-zise);

• depunerea unui film dens pe un substrat microporos (membrane multistratsau compozite);

In prezent marea majoritate a membranelor sintetice se prepara prin asa numiteletehnici de "inversie de faza". Conceptul inversiei de faza, introdus [n literatura despecialitate de Kesting, desemneaza procese de separare de faza din solutii omogene depolimeri prin adaosul de nonsolvent sau prin [ndepartarea solventilor. Solutia omogena setransforma [ntr-un sistem bifazic, [n care faza solida, bogata [n polimer, formeaza structuraporoasa membranara, iar faza lichida, saraca [n polimer, umple porii.

In procesul de inversie de faza se disting 4 tehnici:

•  precipitarea polimerului cu nonsolvent provenit din faza de vapori - [n faza devapori, saturata [n solvent, aflata deasupra filmului polimeric, se introducenonsolvent; datorita difuziei nonsolventului se formeaza o membrana poroasafara suprafata activa si cu o distributie aleatoare a porilor [n toata grosimeamembranei;

•  precipitare prin evaporare controlata - polimerul, dizolvat [ntr-un amestec desolvent si nonsolvent, precipita ca urmare a evaporarii controlate asolventului, mult mai volatil; prin aceasta tehnica se obtin membraneasimetrice cu strat superficial de porozitate controlata;

•  precipitarea prin imersie (imersie - precipitare) - filmul de solutie polimerica seimerseaza [ntr-o baie de nonsolvent. procedeul, utilizat pentru prima data de

de Loeb si Sourirajan pentru prepararea membranelor de osmoza inversa afost studiata si exploatata [n special pentru producerea membranelor cusuprafata activa;

8

5/7/2018 Curs Membrane - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/curs-membrane 9/11

 

•  precipitarea termica - polimerul se solubilizeaza la cald [ntr-un amestecsolvent / nonsolvent; prin racire are loc separarea fazelor.

 4.4. Membrane compozite

Membrana compozita este formata dintr-un suport poros obtinut prin inversie de fazasi un strat ultrafin depus ulterior. Acest tip de membrane se utilizeaza [n principal [n osmozainversa, pervaporatie si separarea gazelor. Porii stratului poros trebuie sa fie din acest motivmai mici decit grosimea stratului aplicat. Obtinerea stratului dens, de grosime foarte mica(0,05 - 0,1 m) se poate realiza prin diferite tehnici (tabel 4).

Tabel 4 Tehnici generale de preparare a membranelor compozite

Nr. crt. Tehnica experimentala

1 Formarea filmului dens si depunerea sa pe suport prinlaminare

2 Depunerea prin  precipitare a solutiei polimerice pe suport,urmata de tratarea termica

3 Polimerizarea [n plasma a filmului

4 Polimerizarea interfaciala a monomerilor reactivi pesuprafata suportului

 4.5. Membrane dinamice

Membranele dinamice prezinta cele mai bune performante dintre toate tipurile demembrane mentionate.

Acestea se obtin in timpul procesului ("in situ"), prin retinerea de catre o membranasuport a unor particule coloidale care asigura formarea unui strat activ fin, uniform si deinalta selectivitate.

Substratul tipic este constituit din carbon poros sau tuburi metalice sinterizate.Membranele dinamice clasice se formeaza din oxid de zirconiu coloidal sau polielectroliti caacidul poliacrilic.

Principalul dezavantaj al acestor membrane este slaba reproductibilitate a stratuluiactiv.

5 Caracterizarea membranelor microporoaseMecanismele de transport prin mediile poroase membranare au un caracter complex,

modelele elaborate pana [n prezent oferind numai informatii particulare asupra capacita[iide separare a membranelor. Aparenta contradictie [ntre performantele satisfacatoare alesistemelor comerciale de separare si inexistenta unor modele de transport globale siuniversal valabile este motivata de complexitatea structurii fizico-chimice a mediilormembranare.

Cunoasterea  cat mai exacta a structurii membranelor si a proprietatilor lor detransport se poate realiza numai prin corelarea unui mare numar de date obtinute prindiverse tehnici experimentale.

Membranele trebuie sa fie suficient de bine caracterizate pentru a se putea precizacare dintre ele pot fi utilizate la o anumita separare sau clase de separari. O modificareminora [ntr-unul dintre parametrii de formare a membranelor poate conduce la modificareastructurii (stratului activ), ceea ce implica efecte drastice, de multe ori nedorite, [nperformantele membranei. Caracterizarea membranei trebuie sa coreleze [n mod obligatoriuproprietati structurale cum sunt: marimea porilor, distributia marimii porilor, volumul liber sicristalinitatea cu proprietati de separare cum sunt: fluxul de apa distilata, retentia solvitului,coeficientii de difuzie, factori de separare, hidrofobicitatea, afinitate specifica etc.

Parametrii determinati [n cursul procesului de caracterizare dau o estimare globala astructurii si proprietatilor de transport a membranei, [nsa nu pot anticipa comportarea lasepararea sistemelor reale. Din acest punct de vedere, determinarea parametrilor structurali

constituie primul pas catre “caracterizarea totala” a membranei. Aceasta ar include atatcaracterizarea polimerului din care este obtinuta membrana (structura sa chimica,compatibilitatea acestuia cu mediul supus separarii) cat si caracterizarea fizico-structurala a

9

5/7/2018 Curs Membrane - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/curs-membrane 10/11

 

membranei, proces care se refera la determinarea morfologiei si performantelor [nexploatare.

5.1. Tehnici experimentale de caracterizare amembranelor 

Caracterizarea membranelor implica atat caracterizarea structurii chimice a

materialelor membranare, a compatibilitatii acestora cu mediul supus separarii, catsi caracterizarea fizico - structurala a membranei propriu-zise (rezistenta mecanicasi termica, microstructura si morfologie, marimea si distributia marimii porilor, fluxuri sipermeabilitati hidrodinamice). Tehnicile experimentale utilizate se clasifica tn tehnici decaracterizare a microstructurii, respectiv a macrostructurii membranelor (tabelul 5).

Tabel 5 Tehnici de caracterizare a membranelor

Microstructura Macrostructura

Difractia de neutroni Microscopia electronicaPermeatia gazelor Permeatia lichidelorAdsorbtia-desorbtia gazelor PorozimetriaCaracterizarea termodinamica a structuriiapei

Metoda “bubble-point”

Analiza termodinamicaDeterminarea pragului de selectivitateSpectroscopia [n infrarosuDifuzia si difractia razelor X Difuzia razelor X la unghiuri

miciAnaliza termica

Cele mai importante caracteristici ale membranelor poroase sunt grosimea stratuluiactiv (care confera rezistenta hidrodinamica) si structura lor ([n ceea ce priveste marimeasi distributia porilor). Determinarea caracteristicilor mentionate mai sus se realizeaza printr-un ansamblu de tehnici experimentale, prezentate[n tabelul 6 [mpreuna cu domeniile deutilizare ale acestora.

Caracterizarea membranelor poroase se realizeaza [n mod curent cu ajutorulurmatoarelor tehnici experimentale :

• determinarea permeabilitatii lichidelor si gazelor;

• metoda presarii aerului cunoscuta si sub numele de metoda "bubble point";

• porozimetria cu mercur;

• microscopia electronica;

• determinarea masei moleculare de siguranta (rejectia solvitului).Caracterizarea porilor din stratul activ al membranei se poate realiza printr-un numar

redus de metode. Deoarece nici una din metode nu poate da o descriere completa astructurii stratului activ, se recomanda o combinare a acestor tehnici experimentale.

METODA DE CARACTERISTICA RAZA PORILOR (µ m)CARACTERIZARE DETERMINAT~

10

-4

10

-3

10

-2

10

-1 1 10

10

2

Microscopia

electronica de

baleiaj (SEM)

Grosimea stratului

activ

Porozitatea

suprafesei

Microscopia

electronica de

transmisie (TEM)

Distribusia marimii

porilor

Analiza structurala

calitativa

Metoda presarii

aerului

Raza maxima a

porilor

Metoda deplasarii

lichid - lichid

Distribusia marimii

porilor

Porozimetria cu Distribusia marimii

10

5/7/2018 Curs Membrane - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/curs-membrane 11/11

 

mercur porilor

Permeabilitatea

lichidelor

Raza hidraulica a

porilor

Fluxul de apa pura

Adsorbsia -

desorbsia gazelor

Distribusia marimii

porilor suprafesei

BET  Termoporometria Distribusia marimii

porilor

Forma porului

Permporometria Distribusia marimii

porilor

Retensie

Permeasie selectiva

Valoarea moleculara

de siguransa

Filtrarea solilor

monodisper[i

Raza maxima a

porilor

Grosimea stratului

activ

11