Oddělení membránových separačních procesů

Oddělení membránových separačních procesů se dlouhodobě zabývá výzkumem separace plynných směsí, především úpravou surového bioplynu z různých zdrojů pro získání alternativního paliva – CNG. Od roku 2017 se zabýváme i separací vodíku a oxidu uhličitého ve spolupráci s Ústavem fyzikální chemie VŠCHT Praha. Odseparovaný vodík lze dále využít též jako alternativní palivo nebo pro jiné hydrogenační procesy. Oxid uhličitý je separován, neboť se jedná o skleníkový plyn. Navíc CO₂ lze využít pro superkritické extrakce citlivých biologických materiálů. A od roku 2018 se zabýváme i záchytem oxidu uhličitého ze spalin. Čištění spalin má do budoucna velký aplikační potenciál, především s růstem ceny emisních povolenek a nových přísnějších emisních limitů. Separace plynů je studována s využitím jak komerčně dostupných membrán, tak i vlastních membrán. Vlastní membrány jsou připravovány v naší laboratoři nebo získávány od našich spolupracovníků z Ústavu makromolekulární chemie AV ČR, v.v.i., VŠCHT Praha, ÚJEP v Ústí nad Labem, Technické univerzity v Liberci nebo různých zahraničních pracovišť. Membránový materiál je vybírán přímo pro danou aplikaci. Jsou studovány především různé polymerní membrány, membrány s vnitřní mikroporozitou, membrány s cílenou povrchovou úpravou, se zakotvenými iontovými kapalinami nebo vodou zbotnalé kompozitní filmy. Z experimentálních dat jsou vyhodnocovány transportní a separační vlastnosti těchto membrán. Data slouží k posouzení perspektivního využití studovaného materiálu i jako vstupní informace pro různé modely.

Iontové kapaliny jsou ekologickou alternativou k obvyklým organickým rozpouštědlům. Jsou šetrné k životnímu prostředí a lze je využít i pro přípravu membrán k separaci plynných a kapalných směsí. Iontové kapaliny jsou dále studovány jako přídavná složka („azeotrope breaker“), která za vhodných podmínek vůbec umožní destilační dělení azeotropických směsí. Získaná experimentální data jsou využívána nejen pro testování teoretických modelů, ale k ověření simulací pomocí molekulární dynamiky. Data vedou také k rozšíření předpovědních metod založených na principu skupinových příspěvků.

Studium separace kapalných směsí je realizováno ve vlastních pervaporačních a pertrakčních aparaturách. Zatímco pervaporací lze separovat různé kapalné směsi včetně azeotropických směsí, tak cílem pertrakčních experimentů je získání enantiomerně čisté sloučeniny a záchyt různých léčiv z vody. Výzkum probíhá ve dvou rovinách, a to experimentálně stanovením transportních a separačních vlastností a současně také teoreticky, kde se přímo využívá molekulární modelování pro úsporu množství experimentální  práce. Vlastnosti membrán jsou dále popisovány i různými fyzikálně-chemickými modely.

Tato oblast výzkumu je zaměřena na studium transportních a separačních vlastností polymerních a kompozitních membrán pro záchyt organických par ze vzduchu. Membrány jsou studovány v delším kontaktu (minimálně týdny) s membránou, protože dlouhodobá stabilita je klíčovým faktorem při výběru vhodného materiálu. Dále jsou studovány vlastnosti membrán za různých vstupních podmínek. Experimenty jsou realizovány na vlastní unikátní a plně automatické permeační aparatuře.

Rovnovážné přístroje, které jsou k dispozici, umožňují měření rovnovah kapalina–pára v nejrůznějších tekutých soustavách. V posledních letech byly studovány zejména systémy polymer + rozpouštědlo, a to jak v dynamickém zařízení (ebuliometrie), tak staticky (stanovení tlaku nad kapalnou směsí). Velice přesná data jsou korelována pomocí teoretických modelů pro aktivitní koeficienty a stavové rovnice. Následně to umožňuje předpovědi fázového chování podobných soustav.

Pro separaci chirálních léčiv byla použita řada jedinečných kompozitních membrán vytvořených z nano a mikrovláknitého materiálu s různými množstvími chirálního selektoru. Membránová separace byla demonstrována pomocí sorpčních testů, přičemž jednotlivé membrány byly ponořeny ve vodném roztoku racemického D, L-tryptofanu (modelové chirální léčivo). Změny koncentrace obou enantiomerů v průběhu času byly monitorovány pomocí HPLC analýzy. Membrány obsahující chirální selektor neměly žádný vliv na množství D-enantiomeru, zatímco L-enantiomer byl přednostně adsorbován na každou membránu. Intenzita sorpce byla zjištěna jako přímá funkce množství selektoru obsaženého v konkrétní membráně. Separace chirální sloučeniny byla dále studována v difúzních celách metodou pertrakce. Preferenční sorpce L-tryptofanu v nástřiku zdůraznila zásadní význam selektoru v aktivní vrstvě i s ohledem na chirální rozpoznávání enantiomerů. Vzhledem k exkluzivnímu membránovému materiálu retence L-tryptofanu v membránových materiálech neblokovala průchod D-enantiomeru do permeátu. Kromě toho nanomateriál v aktivní vrstvě zajistil distribuci selektoru do té míry, že pouze 50% (S, S) -1,2-diaminocyklohexanu v jedné části aktivní vrstvy postačovalo k dosažení 99% enantioselektivity. Membrány - čerstvé i použité - byly analyzovány pomocí Fourierovy transformační infračervené (FTIR) spektroskopie a charakterizovány skenovací elektronovou mikroskopií (SEM) potvrzující stabilitu testovaných membrán.

J. Membr. Sci., 2019, 117728, DOI: 10.1016/j.memsci.2019.117728.

Byl prokázán vynikající výkon membránových modulů z tenkých asymetrických neporézních dutých vláken z polyesterových uhličitanů (PEC HF) dodávaných společností GENERON, USA pro efektivní čištění bioplynu až na kvalitu biometanu. Naše jednostupňová metoda čištění surového bioplynu bez dalšího předčištění zvýšila celkovou konkurenceschopnost procesů membránové separace na trhu ve srovnání s adsorpčním procesem s metodou střídání tlaků (PSA) nebo aminovou či vodní vypírkou. Současné odstraňování všech kontaminantů z bioplynu při nižším provozním tlaku a produkování vysoce kvalitního CNG činí tento proces ekonomicky proveditelným díky:

1. snížení odpovídajících kapitálových výdajů přibližně o 20 %,
2. použití nově vyvinutého kompresního systému spolu s membránovým systémem v malých a mobilních jednotkách (viz obrázek výše) a
3. nižším provozním výdajům až o 60 %.

Sep. Purif. Technol. 203, 36-40 (2018), DOI: 10.1016/j.seppur.2018.04.024.