Bélafiné Bakó Katalin, Székely Katalin (szerk.): GÁZELEGYEK MEMBRÁNOS ELVÁLASZTÁSA
›
1. Bevezetés, történeti áttekintés

1. Bevezetés, történeti áttekintés

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

Nemestóthy Nándor, Bélafiné Bakó Katalin
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

Pannon Egyetem, Mérnöki Kar,

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

Bio-, Környezet- és Vegyészmérnöki Kutató-fejlesztő Központ,

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

Biomérnöki, Membrántechnológiai és Energetikai Kutatócsoport,

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

8200 Veszprém, Egyetem u. 10.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

nemestothy.nandor@mk.uni-pannon.hu
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

A membránszeparációs eljárásokat az 1980-as, 1990-es évektől kezdve már hazánkban is rutinszerűen használják egyes iparágakban, s innentől a felsőoktatásban is megkerülhetetlen volt, hogy a műszaki jellegű képzések során külön ebben a tárgykörben adjunk át ismereteket. A Membrános műveletek jegyzetet (Bélafiné, 2002) ez az igény szülte. A jegyzetben már külön fejezet foglalkozik a membrános gázszeparációval. Azóta talán ez az eljárás fejlődött a legtöbbet, nemzetközileg és Magyarországon is. Ez indokolja, hogy most külön könyvet állítottunk össze erről a technikáról. A jegyzetként is forgatható szakkönyv tíz fejezetre oszlik, amelyekben az elméleti alapoktól az alkalmazási technikákig, a nehézségektől a különleges felhasználásokig igyekeztünk összegyűjteni és bemutatni a membrános gázszeparáció minél több aspektusát.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

A gázok elválasztására alkalmas módszerek nagymértékben különböznek a folyadékos műveletektől, a két fluidum eltérő alaptulajdonságai miatt. Egy gáznak nincs állandó térfogata, kitölti a rendelkezésre álló teret, míg a folyadéknak definiált a térfogata. A folyadékok nem (vagy csak igen nagy erőfeszítéssel) nyomhatók össze, míg a gázok könnyen komprimálhatók. A folyadékok sűrűsége, viszkozitása standard körülmények között jóval nagyobb, mint a gázoké. Mindezen aspektusokat figyelembe kell venni a gázszeparációs műveletek tervezésénél.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

A gázok permeációjának jelenségét elsőként T. Graham (1829) és J. K. Mitchell (1831) figyelték meg és írták le (1.1. ábra). Észrevették, hogy a látszólag tömör, természetes gumin keresztül gáztranszport valósul meg. Mitchell hidrogén–szén-dioxid gázelegyet választott eredményesen szét (Kohl, 1997). A folyamat elméleti hátterét szintén Graham adta meg jóval később, 1866-ban (Graham, 1866): ez tekinthető a későbbi oldódásos-diffúziós modell alapjának (Wijmans, 1995). Megállapította, hogy a kialakuló fluxus nemcsak a molekulák gázfázisban megfigyelhető diffúziós sebességétől függ, hanem több tényező függvénye. S. von Wroblewski kísérletei során a gáz permeációs sebessége, a nyomás és a filmvastagság közötti összefüggést vizsgálta (von Wroblewski, 1879).
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

1.1. ábra. A membrános gázszeparáció kialakulásának mérföldkövei
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

Az 1910-es években a membrános gázszeparáció nagy méretű megvalósítására irányuló kísérletek – sajnálatos módon – azzal a keserű tapasztalattal zárultak, hogy ami a laboratóriumban sikeresen végrehajtható, az nem biztos, hogy ipari méretben is gazdaságosan kivitelezhető (Koros, 1993). Az 1920-as évek végén Zsigmondy Richárd előállította az első használható vastagságú cellulóz-acetát membránt (Smith, 1949), ami a későbbi gázszeparációs membránok alapjául szolgált.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

A Graham-féle diffúziót első alkalommal 1943 és 1945 között használták fel a Manhattan-projektben, urándúsításra, ahol finom mikropórusos fémmembránt alkalmaztak. A Knoxville-ben (Tenessee állam) felállított üzemben valósult meg az első ipari méretű membrános gázszeparációt alkalmazó eljárás, s nem építettek ennél nagyobbat a világon a következő negyven évben (!). Azonban ez az eljárás annyira különleges és titkos volt, hogy gyakorlatilag nem hatott a membrános gázszeparáció fejlődésére. Ezt a speciális műveletet, hátterét, jellemzőit külön fejezetben mutatjuk be.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

Gruen a gumiban lejátszódó diffúziót tanulmányozta (Gruen, 1947). 1950-ben S. Weller és W.A. Steiner (Weller, 1950) iparilag fontos membránpermeációs folyamatok kísérleti eredményeiről számolt be, ahol levegőből oxigént, illetve földgázból héliumot nyertek ki (1.1. ábra). A szelektivitás és hatékonyság azonban – az akkor elérhető membránokkal – meglehetősen gyenge volt. A megfelelő szeparációhoz szükséges nagy membránfelület nem tette lehetővé a gazdaságos működtetést.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

Az igazi áttörést az aszimmetrikus membránok kifejlesztése jelentette, amely S. Loeb és S. Sourirajan nevéhez fűződik, akik a Zsigmondy által készített ultraszűrő membrán felületén tudtak kialakítani sokkal finomabb struktúrákat szintén cellulóz-acetátból kiindulva (Lonsdale, 1982). Az 1960-as, 1970-es években óriási kutatás-fejlesztési munka indult el a membránszeparáció területén, ami nemcsak a membránanyagok, hanem a modulok kialakítását is magában foglalta. Ekkor jelentek meg az első, nagyobb méretű, megbízható kialakítású és jól felhasználható kapilláris és spirálmodulok. Ennek eredményeként érte el a fejlődés azt a fokot, amikor nagy fluxussal rendelkező és nagy modulkitöltési sűrűségű (a térfogathoz képest nagy felületű) membránmodulokat voltak képesek előállítani, amit akkoriban – elsősorban – a fordított ozmózissal történő vízkezeléshez használtak.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

Az első ipari gázszeparációs megoldásokat korábban más területeken használt membránokkal: poliszulfon (Prism, Monsanto, USA), polivinil-trimetil-szilán (PVTMS, Szovjetunió) érték el. 1977-ben a Monsanto cég (1.1. ábra) beüzemelte az első, demonstrációs célú, ipari méretű membrános gázszeparációs rendszert Texas Cityben (Texas), amelynek célja a megfelelő hidrogén–szén-monoxid arány beállítása volt (Burmaster, 1983). 1979-ben a Monsanto megjelent a piacon az első. membrános gázszeparációra alkalmas, Prism® nevű membránnal (Henis, 1980; Bollinger, 1982), amely hidrogén elválasztására szolgált. A cég nagy előnnyel rendelkezett a versenytársakkal szemben, hiszen óriás vegyipari cégként lehetősége volt ipari méretben tesztelni termékeit a saját területén, üzemein belül. A kereslet nagy volt, különösen az ammóniaiparban. Jó néhány Prism-rendszert üzembe helyeztek ekkoriban (Maclean, 1986).

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

Ezek az ipari méretű, sikeres projektek bebizonyították a membrános gázszeparáció életképességét, alkalmasságát, és az eredmények alapján több cég is fejleszteni kezdett hasonló rendszereket. Az 1980-as évek közepére már rendelkezésre álltak membránok a földgázban levő szén-dioxid elválasztására a metántól (Koros, 1993). Ezek később a biogáztisztítás során, majd a levegőből történő nitrogénelválasztásra is felhasználhatóak voltak. Ez utóbbi annyira sikeresnek bizonyult, hogy ma is költséghatékonyabb, mint a korábbi technikák, s világszerte több, mint 30 ezer kis-, illetve közepes méretű nitrogéngyártó rendszer működik.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

A membrános gázszeparáció alapjait tehát a XIX. században rakta le J. K. Mitchell (Mitchell, 1831), T. Graham (Graham, 1829 és Graham, 1866) és S. von Wroblewski (von Wroblewski, 1879). Az 1940-es, 1950-es években főként R. M. Barrer (Barrer, 1951), G. J. van Amerongen (van Amerongen, 1946; van Amerongen, 1950), S. A. Stern (Stern, 1966) és P. Meares (Meares, 1954) nevéhez fűződnek a szisztematikus méréseken alapuló legfontosabb megállapítások, amelyek megalapozták a gázpermeáció modern elméleti leírását. A teoretikus háttér feltérképezése máig nagy lendülettel folyik, bár manapság már nagy részük a polimerek, illetve egyéb membránanyagok tulajdonságai és permeációs viselkedésének összefüggéseire irányul, illetve emellett a modellezés, a modulfejlesztés és egyéb területeken is születnek figyelemre méltó eredmények (Galizia, 2017; Mateucci, 2006).

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

Napjainkban egyre több területen terjed el növekvő mértékben a gázszeparációs technikák között a membrános eljárások alkalmazása, aminek oka sokrétű előnyeiben (Castel, 2020) rejlik:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

  • nincs vegyszerigénye, a szeparáció szigorúan fizikai folyamat eredménye, így hulladék (különösen veszélyes hulladék) sem keletkezik;
  • folyamatos az eljárás, nagy az energiahatékonysága;
  • a membrános gázszeparáció működtetésénél az indítási és a leállítási lépések gyorsak és egyszerűek, ami igen nagy rugalmasságot nyújt a rendszernek;
  • az eljárás méretnövelése egyszerű a moduláris felépítésnek köszönhetően, a folyamat intenzifikálására – ígéretes volta miatt – nagy erőfeszítéseket tesznek.
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

Évente több mint 1000 új polimer jelenik meg tudományos közleményekben, az ipari gyakorlat is százas nagyságrendben használ fel membránalapanyagokat. A jobb fluxussal, szelektivitással rendelkező membránalapanyagok mellett a modulok fejlesztése is folyik, valamint az alkalmazás technikákat is fejlesztik (Baker, 2002; Baker, 2004).

Irodalomjegyzék

chevron_left
chevron_right
Tartalomjegyzék navigate_next
Keresés a kiadványban navigate_next
A kereséshez, kérjük, lépj be!
Könyvjelzőim navigate_next
A könyvjelzők használatához
be kell jelentkezned.
Jegyzeteim navigate_next
Jegyzetek létrehozásához
be kell jelentkezned.
    Kiemeléseim navigate_next
    Mutasd a szövegben:
    Szűrés:
    Kiemelések létrehozásához
    MeRSZ+ előfizetés szükséges.
      Útmutató elindítása
      delete
      Kivonat
      fullscreenclose
      printsave