Separace kapalin přes neporézní membrány

Pracovník Ústavu chemických procesů AV ČR Ing. Pavel Izák, Ph.D., DSc., obhájil před komisí Chemických věd disertaci „Separation of fluids by Non-porous Membranes“ a získal vědecký titul „doktor chemických věd“. Disertace se detailně zabývá separací kapalin, plynů a organických par přes neporézní polymerní membrány; zdůrazněn je případný aplikační potenciál iontových kapalin a vodní kondenzující membrány v praxi.

Foto: Archiv autora

V současnosti dochází k nárůstu průmyslových aplikací pro separaci kapalin, plynů a organických par, které lze oddělit na bázi membránových procesů. Disertace shrnuje výsledky výzkumu separace tekutin neporézními membránami za přibližně 12 let a soustřeďuje se na dvě separační membránové techniky: pervaporaci – dělení kapalin – a permeaci plynů a par. Zvláště jsem se zaměřil na nový druh rozpouštědel, iontové kapaliny, které mají rostoucí potenciál v obou již zmíněných oblastech. Iontové kapaliny mohou působit jako „zelené rozpouštědlo“ reagujících složek, separační médium ve formě zakotvených iontových kapalných membrán nebo selektivní složka ve smíšené membránové matrici.

Při použití zakotvených iontových membrán pro dělení vodných kapalných roztoků je nutné k zajištění dlouhodobé stability a selektivity zapouzdřit iontovou kapalinu v pórech membrány hydrofobní tenkou vrstvou polymeru. Metoda nazvaná „multifázní membránou“ byla úspěšně patentována a její licence prodána společnosti MERCK. Multifázní membrána se úspěšně použila pro zvýšení produkce biobutanolu, kdy byla pervaporace on-line připojena k fermentačnímu procesu. Práce se dále soustředila na prokázání pozitivního vlivu obsahu iontové kapaliny v polymerních neporézních membránách na propustnost separovaných látek, a tím ke zvýšení separační schopnosti jak u pervaporace, tak i u separace plynů a par. Iontové kapaliny lze také s úspěchem použít jako novou třídu rozpouštědel pro chemické reakce. Jejich hlavní výhodou v separačních procesech je zanedbatelná tenze par při normálních podmínkách a teplotní stabilita, což je důvod, proč se často označují jako „zelená rozpouštědla“.

Separace různých plynných látek a organických par ze vzduchu jsou stále více předmětem zájmu mnoha firem a výzkumných týmů. I zde zakotvené iontové kapalné membrány mohou přispět ke zlepšení separačních vlastností a v některých případech (separace CO₂/H₂ nebo CO₂/CH₄) překonat i horní mez Robesonova diagramu. Další důležitou vlastností membrán je jejich mechanická stabilita. Vhodnou modifikací membrán se ukázalo použití smíšené matice polymerních membrán a uhlíkových nanotrubic nebo uhlíkových vláken, protože se výrazně zlepšily mechanické vlastnosti separačních membrán oproti čistě polymernímu materiálu.

Nicméně iontové kapaliny jsou stále dražší než klasická rozpouštědla, což brání jejich praktické ­aplikaci v plném rozsahu u separačních procesů. Proto se práce rovněž zabývala použitím vody, která za jistých podmínek může fungovat jako velmi levné separační médium v komerčně dostupné hydrofilní reverzně-osmotické membráně. I když selektivita „vodní kondenzující membrány“ byla nižší než v případě zakotvených iontových kapalných membrán, separace byla mnohem levnější.

Na základě laboratorních výsledků realizovaných v Ústavu chemických procesů AV ČR byla postavena pilotní jednotka, která měla ověřit přenos této nové a patentované technologie z plochých membrán na komerčně dostupné spirálně vinuté moduly. Poté byla postavena menší, již plně automatická kontejnerová jednotka ve výzkumném centru VTP Vysočina, kde se nyní tato technologie testuje z hlediska dlouhodobé stability a rentability procesu ve srovnání s ostatními technologiemi. Nová technologie na čištění surového bioplynu až na kvalitu zemního plynu získala v roce 2014 následující ocenění: 1. místo E.ON Global Energy Award v kategorii firma, cena ERSTE Corporate banking, cena Ministerstva životního prostředí a Česká hlava v oboru Technické vědy.

PAVEL IZÁK,
Ústav chemických procesů AV ČR, v. v. i.