Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Membrány z dutých vláken jsou široce využívány v aplikacích týkajících se úpravy kapalin jako např. při čištění odpadních vod, v membránových kontaktorech a bioreaktorech, membránové destilaci apod. I když jsou často využívány při separacích směsí plynů, je jejich použití pro mechanickou filtraci aerosolů velmi vzácné. Tato práce se zabývá filtrací vzduchu pomocí polypropylenových membrán z dutých vláken včetně jejich filtrační účinnosti, tlakových ztrát a také zanášením při dlouhodobé filtraci. Filtrační účinnost byla proměřena za použití různých aerosolů jako TiO2 a síran amonný. Tlakové ztráty byly měřeny při různých konfiguracích, tj. různé filtrační ploše a průměru vlákna membrány. Zanášení membrán bylo testováno použitím normovaného prachu definovaného normou ANSI/ASHRAE 52.2. Predikční modely pro filtrační účinnost a permeabilitu/tlakovou ztrátu membrány byly aplikovány na parametry membrán z dutých vláken a porovnány. Tyto membrány mají velikost pórů kolem 90 nm a poměrně nízkou porositu a tím vysoký potenciál pro separaci nanočástic ze vzduchu. Dále byla provedena analýza filtračního koláče a vyhodnocení energetických nároků a porovnány s teoretickými modely. V závěru práce je nastíněn odhad ceny životního cyklu při filtraci pomocí těchto membrán.Hollow-fiber membranes (HFMs) have widely been applied to many liquid treatment applications such as wastewater treatment, membrane contactors/bioreactors, membrane distillation etc. Despite the fact that HFMs are widely used for gas separation from gas mixtures, their use for mechanical filtration of aerosols is very scarce. This work studied filtration performance of polypropylene HFMs including filtration efficiency, pressure drop and pressure drop evolution with long-term dust loading. Filtration efficiency was measured using different challenging aerosols including micronized titanium dioxide powder and aerosolized ammonium sulfate. Pressure drop was measured in various configurations, including different HFM area and fiber diameter. Pressure drop evolution with long-term particle loading was carried out using a challenge dust as defined in ANSI/ASHRAE 52.2 standard. Mathematical models developed for prediction of air filtration efficiency and membrane permeability/pressure drop were compared applying them on the structural parameters of the HFMs. These membranes are characteristic of pore diameters of about 90 nm and relatively low porosity, thus high potential for nanoparticle removal from air. Furthermore, analysis on cake pressure drop and evaluation of energy demands for fun operation were done and compared with theoretically predicted values. Finally, an attempt to estimate life-cycle cost of air filtration using HFMs was outlined.
