Hodúr, Cecília

Hungarian

Hodúr Cecília

University of Szeged

HODÚR: Mavibran és Millipore membránok összehasonlítása M A V I B R A N ÉS M I L L I P O R E M E M B R Á N O K ÖSSZEHASONLÍTÁSA HODÚR C e c í l i a , PAPP G é z á n é , HORVÁTH É v a é s RÉVÉSZ P á l SZTE Szegedi Élelmiszeripari Főiskolai Kar 6724. Szeged, Mars tér 7. Ö S S Z E F O G L A L Ó A membránszeparációs műveletek, főként a membránszürés az egyik legfontosabb szeparációs müveletté válik napjainkban főként az italiparoknál, de a víz tisztítási és vízkezelési eljárásoknál is. A müvelet működtetési költsége közismerten alacsony, de nagymértékben függ a membráncsere gyakoriságától és a membránok árától. A magyar élelmiszer- és gyógyszeriparban elterjedten alkalmazott Millipore membránok rendkívül drágák, ezért munkánk egyik célkitűzése a Zoltek cég (Nyergesújfalu) által gyártott Mavibrán spiráltekercs membránok alkalmazhatóságának vizsgálata. Másik célkitűzésünk a membrán ellenállás (Rm) nyomásfüggésének vizsgálata volt. 0,25 MPa nyomáskülönbség határig mértük a térfogatáram (qv) értékeket, kiszámítottuk az egyenértékűsített vízáteresztő képességet (NWP) és a membrán ellenállást. Kísérleteink alapján elmondhatjuk, hogy: a) A membránellenállás értéke nem független a nyomástól b) A két paraméter kapcsolata hatványfüggvénnyel írható le c) A Mavibrán membránok szignifikánsan magasabb ellenállásértékkel rendelkeznek d) A Mavibrán membránok áteresztőképessége megfelelő mértékű a Millipore membránok helyettesítésére Irodalmi rész Számos kutató által végzett ultraszűrési kísérletek közül, most Timothy és J.A.Finnigan, (1989) munkáit emeljük ki, amelyek a közegek ultraszűrő membránon való átáramlást írják le. A membrán szállítóképességére rendszerint két elmélet ismert: • Diffúziós modell • Kapilláris áramlásos modell 2 8 HODÚR: Mavibran és Millipore membránok összehasonlítása A diffúziós modell szerint a komponensek átdiffundálnak a membránon, a membrán két oldalán lévő nyomás - és koncentráció különbség hatására. Ezt a modellt alkalmazzák általában a reverz ozmózis leírásánál. A kapilláris áramlásos modellt a nyitottabb szerkezetű, ultraszürő membránoknál alkalmazzák. Azok a komponensek, amelyek a membránon átmehetnek, úgy tűnik, hogy pórusokon, csatornákon keresztül átáramolnak egy bizonyos áramlási sebességgel. Az áramlás intenzitását szabályozza az áramlási sebesség, porozitás, valamint a pórusméret. Maga az oldószer áramlás a Hagen - Pousielle egyenlettel írható le . 877/ dr Rr) K A gyakorlatban jelentős eltérés tapasztalható a makromolekulákat tartalmazó oldatok ultraszűrése során. Például protein tartalmú oldatok szűrésekor aszimptotikus kapcsolat van a fluxus és a nyomáskülönbség között (Horst-HC-van-der, 1997). Az esetleges eltérés általában a membrán eltömödésének, a membrán két oldalán mért ozmotikus nyomáskülönbségnek, illetve a koncentráció polarizációjának az eredménye, amely gyakran gél állomány kialakulásához vezethet. Tehát az ultraszürő membrán tömörségének a befolyásoló szerepe még nem tisztázott. A szűrés műveletének nyomon követésére a legalkalmasabb módszer a fluxus alakulásának tanulmányozása. A szűrési fluxus az egységnyi idő alatt átáramlott szűrlet mennyiségét jelöli. A szűrlet mennyiségét térfogategységgel és tömegegységgel is kifejezhetjük. Mivel a mennyiség megváltozása tömegmérés segítségével pontosabban követhető, ezért a f luxus megváltozását tömegmérés segítségével követtük nyomon, de ábráinkon a sűrűség felhasználásával nyert térfogatérték (qv) szerepel [ m3/s]. Mivel a szűrök teljesítményét, a térfogatáram értékét a szűrőfelület nagysága, a hőmérséklet és az alkalmazott nyomáskülönbség is nagymértékben befolyásolja, ezért a gyakorlati mérésekkel foglalkozó szakirodalmak a művelet jel lemzését un. egyenértéküsített vízegyenértékben (NWP, [lm"2h"1bar1]) adják meg. NWP = (2) A-hp A membránszűrési művelet technológiába történő beillesztésénél, a 2 9 HODÚR: Mavibran és Millipore membránok összehasonlítása müvelet jel lemző paramétereinek meghatározásánál az egyik legfontosabb paraméter a szüröközeg ellenállása. A szürőközeg ellenállása alatt a ténylegesen alkalmazott porózus közeg és a berendezés ellenállásának összegét értjük. A szakirodalmak túlnyomó többsége csak az anyagi és a berendezéstől függő állandóként kezeli ezt az értéket (Szaniawski 1996, Szabó, 1987). Több irodalmi érték szól viszont amellett, hogy ezt az értéket érdemes alaposabban megvizsgálni (Ousman 1997, Timothy,1989). Az (1) egyenletben szereplő R ellenállás két részből tevődik össze, egyrészt az iszaplepény ellenállásából (RÍ) és a szűrőközeg ellenállásából ( R m ) : A K = r c ~ ( 4 ) A V = a szürlettérfogat [ m3 ] A = a szűrőfelület nagysága [m2 ] r = szűrendő anyagra jellemző fajlagos lepényellenállás [m2 /kg] c = szűrendő szuszpenzió koncentrációja [ kg/m3] V' =egyenértékü szürlettérfogat [m3] Amennyiben a rendszerben iszaplepény kialakulására nincs lehetőség, úgy a ellenállás értéke a membrán, vagyis a szürőközeg ellenállását takarja. Kísérleti anyagok, eszközök és berendezések A mérések elvégzéséhez a MILLIPORE cég PUF 15 ultraszürő berendezést alkalmaztuk. A berendezésben elhelyezett, spiráltekercs konfigurációjú membránok jellemzői: Jellemzők Mill ipore-M30 Millipore-M100 Mavibran Alapanyag Políszulfon Poliszulfon PVDF Konfiguráció Spiráltekercs Spiráltekercs Spiráltekercs Vágási érték [kD] 30 100 100 pH 1-14 1-14 1-13 Hőmérséklet [°C] 4-60 4-60 5-50 Felület [rrv2] 1,38 1,38 1,0 Kísérleteinkhez a Szegedi Vízmüvek Rt. Lakossági vízfogyasztási hálózatából nyertük a vizet. A szabványnak megfelelő ivóvízből kiülepedő 30 HODÚR: Mavibran és Millipore membránok összehasonlítása részecskékre nem számíthatunk, hiszen a mérésekhez felhasznált vizet előzetesen egy 0,4 j im pórusméretű membránon átszűrtük, így a mért ellenállás érték a membránellenállásának tekinthető. A kísérleteinkből származó mérési eredményeinket az MS Word Office programcsomagjában található Excel táblázatkezelő programjával értékeltük és az egyszerű számításokat a program segítségével végeztük el. Kísérleti e redmények és értékelésük A membránok legjellemzőbb értékeinek összevetésénél először a térfogatáramok alakulását mutatjuk be. ( l á b r a ) A méréseink során megvizsgált , 0,25 MPa - i g terjedő tartományban a térfogatáram értékek szignifikáns módon, egyenesen arányosak az alkalmazott nyomásértékkel. A Millipore membránok térfogatáram értéke magasabb, mint a Mavibrán membránoké, a két Millipore membrán fluxus értéke között viszont nincs eltérés. Mivel a térfogatáram értéke igen jelentős módon függ a nyomás valamint a szürőfelület értékétől, célszerűnek látszik, az egyenértékű nyomáskülönbség hatására, egységnyi felületen átáramlott anyagmennyiséget értékeit megvizsgálnunk.(2.ábra) Ez az érték nem más, mint az egyenértékű vízáteresztő képesség (NWP) 3 1 HODÚR: Mavibran és Millipore membránok összehasonlítása Membránok térfogaiáramai 0 ,16 0 ,14 0,12 1 0,1 E ro •js 0 ,03 ra CD o 5 0 ,06 0 ,04 0 ,02 0 • qvM100 | l / s l 5 qvM30[L's] 6 qv Mav [l/s] Lineáris (qv Mav [i/s]> - - Lineáris (qv M30 |i/s]) — - Lineáris (qv M100 [l/s]) . / . V > V I , , l r A • ' ••• L M 1 0 0 y = 0 , 0 5 5 6 x + 0 , 0 1 9 4 R 2 = 0 , 9 8 8 9 A M 3 0 y = 0 ,0589x + 0 , 0 1 7 Mav y = 0 , 0 5 4 5 x + 0 , 0 0 3 8 A R 2 = 0 , 9 8 2 7 R 2 = 0 , 9 8 7 7 0 ,5 1,5 2 ,5 nyomás [bar] l .ábra: Térfogatáram értékek nyomásfüggése Membránok egyenértékűsitett fluxusa 400 350 300 S 250 200 | 150 H z 100 50 0 M 100y = 251,25x R 2 = 0,908 Mav y = 242,09x R 2 = 0,8599 M30 y = 220,94x R2 = 0,6353 0,5 1 1,5 nyomás [bar] • N W P M 1 0 0 [ l / m 2 h b a r | 8 N W P M 3 0 [ l / m 2 h b a r ] & NWP Mav [i/m2hbar] - Hatvány (NWP Mav [l/m2hbar]) — Hatvány (NWP M100 [i/m2hbar]) - Hatvány (NWP M30 [l/m2hbar]) 2,5 2. ábra: Egyenértékűsitett térfogatáram nyomásfüggése 3 2 HODÚR: Mavibran és Millipore membránok összehasonlítása A megvizsgált két paraméter, vagyis a nyomás, és az NWP összefüggése hatványfüggvény segítségével adható meg. A nyomás növekedésével a membránok egyenértékű térfogatárama csökken. Ez a változás, csökkenés a Millipore 30 kD vágási élességű membránjánál a legcsekélyebb (0,1) és a 100 kD-os membránjánál látszik a legintenzívebbnek (0,26) a vizsgált nyomástartományon belül. A Mavibrán 100 kD vágásélességű membránja a két csökkenés mértéke közötti helyezkedik el (0,18). Kísérleti körülményeinkből adódóan, vagyis, hogy a membrán felszínére lerakodó iszaplepény kialakulását kiküszöböltük, az egyenértékűsített térfogatáram nyomásfüggésének ténye a membránellenállás nyomásfüggésével magyarázható. Ezért, célszerűen, a 3. ábránkon a membránok térfogatáramából számított ellenállásértékek nyomásfüggését mutatjuk be. A függvénykapcsolat ebben az esetben is hatványfüggvény segítségével írható le a legkielégítőbb módon. Mindhárom függvény esetében a nyomás emelkedésével növekszik a membránellenállás értéke, vagyis nem tekinthető nyomástól független állandónak, még a kísérleteink viszonylag szűk nyomástartományában sem. №rrtránok oOerélásórtckEi №vy-2E+12x R 2 = 0 , 9 1 1 6 M 1 0 0 y = 2 E * 1 2 x ° 3 T 7 5 R2 = 0 , 9 6 7 4 R2 = 0,9733 B M 3 0 R m • MlOORm ; IVfev R m Hatváry (Mav Rnr) - - btatvány (M100 R n l - • Hitvány (M30 Rrrl 1 1 ,5 tyonés [bar] 2 , 5 3.ábra: Membrán ellenállások nyomásfüggése Ez a magyarázata a 2. ábrán látható tendenciának, vagyis annak, hogy az egyenértékűsített térfogatáram értékek csökkennek a nyomás függvényében, hiszen a nyomás növekedésével párhuzamosan növekszik a membrán ellenállás értéke. 3 3 HODÚR: Mavibran és Millipore membránok összehasonlítása A Mavibrán membránok szignifinánsan magasabb ellenállásértékei magyarázatot adnak a kísérleteinknél tapasztalt, alacsonyabb térfogatáram értékekre. Kedvező tendencia azonban a Mavibran membránok kisebb mértékű nyomásfüggése. Összefogla lás Kísérleti munkánk célkitűzésénél feltett kérdésre tehát, hogy változik-e a membránellenállás értéke a nyomás függvényében, a méréseink során megvizsgált membránok: Millipore (100kD, 30 kD) és Mavibrán (100 kD) esetében a 0,25 MPa nyomástartományban az alábbiakban foglalható össze a válasz: a) A vizsgált membránok ellenállásértékei nem tekinthetők állandónak b) A membránellenállás és a nyomás közötti függvénykapcsolat hatványfüggvénnyel adható meg. c) Szignif ikánsan nagyobb membrán ellenállás értékek mutathatók ki a Mavibrán membránok esetében. d) A Mavibrán membránok ellenállásának nyomásfüggése kisebb mértékű, mint a Millipore membránoknál mért nyomásfüggés. F E L H A S Z N Á L T IRODALOM 1. Szabó Zoltán, Csury István, Hidegkúti Gyula (1987): Élelmiszeripari műveletek és gépek. Bp. : Mezőgazdasági Kiadó p. 125-127. 2. Timothy J. A. Finnigan and Michael J Lewis: Observations on the water flux of an ultrafiltration membrane. Lebensm.-Wiss.u. - Technol., 22 (1989) p. 138-139. 3. Renner and M. H. Abd el-salam: Application of ultrafiltration in the dairy industry. Elsevier applied science. (1991) p. 20. 4. Fábry György (1995): Élelmiszeripari eljárások és berendezések. Bp.: Mezőgazda Kiadó p. 154-158., p. 616-626 5. Samuelsson, I. H. Huisman, G. Trágírdh, M. Paulson: Predicting limiting flux of skim milk in crossflow microfiltration. Journal of Membrane Science 129 (1997) p. 277-281. 6. Hodúr Cecilia, Szabó Gábor, Rajkó Róbert (1999): Élelmiszeripari müveletek I. Szeged, p. 50-52. 7. Ousman-M; Bennasar-M (1997): Influence of working conditions on hydraulic resistances to filtrate flux during cross f low filtration of the starch suspension. Sciences-des-Aliments; 16 (3) 247-265, 29 ref 8. Szaniawski-AR; Spencer-HG (1996): Effects of pectin concentration and crossflow velocity on permeability in the microfiltration of dilute pectin solutions by macroporous titania membranes containing immobilized pectinase. Biotechnology-Progress; 12 (3) 403-405, 17 ref. 3 4 HODÚR: Mavibran és Millipore membránok összehasonlítása 9. Horst-HC-van-der (1997): Fouling of organic membranes during processing of dairy liquids Bulletin-of-the-lnternational-Dairy-Federation; No. 311 ,40-41 C O M P A R I N G O F T H E M A V I B R A N A N D M I L L I P O R E M E M B R A N E C . HODLIR, G . PAPP, É . H O R V Á T H a n d P . RÉVÉSZ *SZTE University College of Food Engineering 6724. Szeged, Mars tér 7. A B S T R A C T The membrane separation, mainly the membrane filtration is going to be the most important technique in the beverage industry and the potable and waste water treatment as well. The running cost of the membrane filtration is due to the changing period and the price of the membrane. Millipore membranes are wildly used in the Hungarian food and pharmaceuticals industry. These have very good quality but quite high price. Since there is available an „Hungarian" membrane produced by Zoltek Ltd, (Mavibran Division) the aim of our work was to examine whether Mavibran membrane can be used instead of Millipore membrane. We had another aim, namely: Is the membrane resistance depended f rom the pressure or is it constant? W e measured the flux (qv), calculated the normalised water permeability (NWP) and the membrane resistance (Rm) of the Mavibran and Millipore membranes in the trans-membrane pressure interval up to 0,25 MPa . Cut off values of the examined spiral wound membranes were 100 kD -Mavibran (Mav) and Millipore (M100) and 30 kD - Millipore (M30). Our results show: a) The membrane resistance is not constant, it is depended from press b) This connection can describe by a power equation c) Mavibran membrane has significantly bigger resistance value d) Resistance of Mavibran membrane shows smaller press depending e) The permeability of Mavibran membrane is good enough to replace the Millipore membrane. 3 5 

Mavibran és Millipore membránok összehasonlítása

http://acta.bibl.u-szeged.hu/21195/1/szef_tudkozl_021_028-035.pdf

Mavibran és Millipore membránok összehasonlítása

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

University of Szeged