Na všechna Oddělení

Výzkumná skupina membránových separací

Výzkumná skupina membránových separací se dlouhodobě zabývá separací plynných směsí např. čištěním bioplynu nebo průmyslových odpadních plynů, zejména pak odstraňováním CO2 a SO2 . Náš výzkum se zaměřuje na polymerní membrány s funkčními modifikacemi (s využitím iontových kapalin, hierarchicky porézních částic, polymerů s vnitřní mikroporozitou, aj.) či intenzifikace separačních procesů u kompozitních membrán a membránových modulů. Současně zkoumáme separace těkavých organických látek (VOC) ze vzduchu a zaměřujme se na prediktivní fyzikálně-chemické modelování transportních vlastností těchto látek v membránách.

Naším výzkumným cílem je rovněž připravit membrány pro speciální separace kapalných směsí např. dělení jednotlivých enantiomerů či eliminaci léčiv a endokrinních disruptorů.  Spolupracujme s dalšími výzkumnými partnery pro vývoj funkčních selektorů (UK, VŠCHT, UJEP, VŠB, TUL aj.). Pro testování nových materiálů využíváme různé separační metody – např. perstrakci či pervaporaci. Pro hlubší pochopení separační efektivity zkoumaných látek pro různé selektory a prostředí pak uplatňujeme modelování pomocí molekulární dynamiky.

Přístrojové vybavení

Separace plynných směsí

Zaměřujeme se na membránové separace plynných směsí, především úpravu surového bioplynu z různých zdrojů pro získání alternativního paliva - CNG. S ohledem na současný trend dekarbonizace technologií se zabýváme i záchytem oxidu uhličitého (CO2) a dalších plynných polutantů ze spalin. Čištění spalin má pro průmysl 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, které jsou připravovány v naší laboratoři nebo ve spolupráci s pracovišti v ČR nebo v zahraničí.

Studujeme především polymerní membrány se zakotvenými iontovými kapalinami, polymery s vnitřní mikroporozitou anebo kompozitní membrány s cílenou povrchovou úpravou či modifikované procesními podmínkami. Z experimentálních dat jsou vyhodnocovány transportní a separační vlastnosti těchto membrán k posouzení perspektivního využití studovaného materiálu i jako vstupní informace pro modely k návrhu membránových modulů a separačního procesu.

Separace organických par ze vzduchu

Tato oblast výzkumu je zaměřena na studium transportních a separačních vlastností polymerních a kompozitních membrán pro záchyt organických par ze vzduchu. Zkoumáme vlastnosti membrán za různých vstupních podmínek, přičemž membrány jsou studovány v dlouhodobém kontaktu s organickými látkami, protože dlouhodobá stabilita je klíčovým faktorem při výběru vhodného materiálu. Experimenty jsou realizovány na vlastní unikátní a plně automatické permeační aparatuře, přičemž náš výzkum pokrývá celou škálu strukturálně odlišných organických látek, což umožnuje zkoumat různé fyzikálně-chemické modely pro popis rozpustností par, jejich transport a interakce s polymery.

Separace kapalných směsí

Studium separace kapalných směsí je realizováno ve unikátních „home-made“ pervaporačních a perstrakčních aparaturách. Zatímco pervaporací lze separovat různé kapalné směsi včetně azeotropů, cílem perstrakčních experimentů je získání enantiomerně čisté sloučeniny a záchyt různých léčiv z vody. Výzkum probíhá ve dvou rovinách, a to experimentálním stanovením transportních a separačních vlastností na membránách s vhodnými selektory,  a současně také teoreticky, kde se přímo využívá modelování pomocí molekulární dynamiky pro pochopení elementárních kroků separace na zkoumaných selektorech a vlivu dalších parametrů procesu (polarita rozpouštědel, pH, aj.).

Odstraňování CO2 a SO2 ze spalin a průmyslových odpadních plynů

V nedávné době jsme publikovali přehledový článek možnostech membránových separací při zachycování CO2 v spalovacích procesech a identifkovali jsme potenciál membránové technologie a související vědecké výzvy, jako je stárnutí polymerů vlivem prostředí a citlivost na minoritní sloučeniny (SO2, NOx, vlhkost). Experimentálně jsme zkoumáme různé složení membrán a procení konfigurace, abychom dosáhli účinné separace plynů CO2 i SO2. Věnovali jsme se experimentálně například separačním a transportním vlastnostem u membrán obsahující iontové kapaliny nebo vodou zbotnalým kompozitním membránám. Dále jsme testovali ultrapermeabilní membrány na bázi polymerů s vnitřní mikroporozitou pro odstraňování SO2 a CO2 v komplexních směsích plynů simulující průmyslové podmínky. Rovněž jsme v přehledovém článku zhodnotili membránové technologie z hlediska jejich potenciálu u chemických transformací kombinující separační a katalytické procesy.

Výkonnostní diagram pro separace CO2/N2 pro membránu PIM-TMN-Trip různého stáří a zpracování. SEM tenkovrstvé kompozitní membrány použité pro studii s vodou zbotnalou membránou. Výkonnostní diagram pro membránové moduly testované pro čištění spalin ve velkých zařízeních

  • Pasichnyk M., Stanovsky P., Polezhaev P., Zach B., Syc M., Bobák M., Jansen J.C., Pribyl M., Bara J.E., Friess K., Havlica J., Gin D.L., Noble R.D., Izák P.: Membrane technology for challenging separations: Removal of CO2, SO2 and NOx from flue and waste gases. Sep. Purif. Technol. 323(15 Oct), 124436, 2023. DOI
  • Klepic M., Jansen J.C., Fuoco A., Esposito E., Izak P., Petrusova Z., Vankelecom I.F.J., Randova A., Fila V., Lanc M., Friess K.: Gas separation performance of carbon dioxide-selective poly(vinyl alcohol)-ionic liquid blend membranes: The effect of temperature, feed pressure and humidity. Sep. Purif. Technol. 270(1 Sep), 118812 2021. DOI
  • Stanovsky P., Zitkova A., Karaszova M., Syc M., Jansen J.C., Gandara B.C., McKeown N., Izak P.: Flue gas purification with membranes based on the polymer of intrinsic microporosity PIM-TMN-Trip. Sep. Purif. Technol. 242(1 Jul), 116814, 2020. DOI
  • Karaszova M., Zach B., Petrusova Z., Cervenka V., Bobak M., Syc M., Izak P.: Post-combustion carbon capture by membrane separation, Review. Sep. Purif. Technol. 238(1 May), 116448, 2020. DOI
  • Klepic M., Fuoco A., Monteleone M., Esposito E., Friess K., Petrusova Z., Izak P., Jansen J.C.: Tailoring the Thermal and Mechanical Properties of PolyActive Poly(Ether-Ester) Multiblock Copolymers Via Blending with CO2-Phylic Ionic Liquid. Polymers 12(4), 890, 2020. DOI
  • Klepic M., Setnickova K., Lanc M., Zak M., Izak P., Dendisova M., Fuoco A., Jansen J.C., Friess K.: Permeation and sorption properties of CO2-selective blend membranes based on polyvinyl alcohol (PVA) and 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide ([EMIM] [DCA]) ionic liquid for effective CO2/H2 separation. J. Membr. Sci. 597(1 Mar), 117623, 2020. DOI
  • Žitková A., Kárászová M., Stanovský P., Vejražka J., Izák P.: Application of Water‐Swollen Thin‐Film Composite Membrane in Flue Gas Purification. Chem. Eng. Technol. 42(6), 1304-1309, 2019. DOI
  • Izak P., Bobbink F.D., Hulla M., Klepic M., Friess K., Hovorka S., Dyson P.J.: Catalytic Ionic-Liquid Membranes: The Convergence of Ionic-Liquid Catalysis and Ionic-Liquid Membrane Separation Technologies. ChemPlusChem 83(1), 7-18, 2018. DOI

Úprava surového bioplynu na kvalitu CNG

V posledních letech se zabýváme inovativními membránovými metodami úpravy bioplynu na kvalitu CNG. Především zkoumáme vliv zakotvení iontových kapalin do polymerních membrán na separaci CO2/CH4 a využíváme simulační metod molekulární dynamiky k pochopení vzájemného působení sorpce a permeace plynu ve směsích plynů. Mimo to jsme se věnovali membránám se smíšenou matricí s funkčními plnivy jako nebo s ultrapropustnými polymery s vnitřní mikroporozitou, přičemž je prokázali významné zlepšení propustnosti CO2 při zachování stabilního vysokého výkonu i ve směsích plynů. V neposlední řadě zkoumáme účinnost vodou zbotnalých kompozitních membrán pro separaci CH4 od ostatních sloučenin v surovém bioplynu, kde dosahujeme vysoké výtěžnosti metanu a účinného odsíření.

Výkonnostní diagram CO2/CH4 pro membránu PIM-TMN-Trip pro čisté plyny a směsi plynů. Molekulárně dynamický model pro 10-mer s 20 % hm. iontové kapaliny a směs CO2+CH4. Výkonnostní diagram CO2/CH4 pro poly(iontové kapaliny)

  • Wojnarova P., Rusin J., Basinas P., Kostejn M., Nemec J., Stanovský P., Kim A. S., Izak P.: Unveiling the potential of composite water-swollen spiral wound membrane for design of low-cost raw biogas purification. Sep. Purif. Technol. 326(1 Dec), 124783, 2023. DOI
  • Stanovský P., Benkocká M, Kolská Z., Šimčík M., Slepička P., Švorčík V., Friess K., Ruzicka M.C., Izak P.: Permeability enhancement of chemically modified and grafted polyamide layer of thin-film composite membranes for biogas upgrading. J. Membr. Sci. 641(1 Jan), 119890, 2022. DOI
  • Jung A., Reha D., Minofar B., Stanovsky P., Pasichnyk M., Pribyl M., Bara J. E., Friess K., Fila V., Izak P.: Molecular simulation of poly(VDF-HFP) copolymer with imidazolium-based ionic liquid as an effective medium for biogas separation. J. Mol. Liq. 366(15 Nov), 120287, 2022. DOI
  • Stanovsky P., Karaszova M., Petrusova Z., Monteleone M., Jansen J.C., Comesana-Gandara B., McKeown N.B., Izak P.: Upgrading of raw biogas using membranes based on the ultrapermeable polymer of intrinsic microporosity PIM-TMN-Trip. J. Membr. Sci. 618(15 Jan), 118694, 2021. DOI
  • Friess K., Izak P., Karaszova M., Pasichnyk M., Lanc M., Nikolaeva D., Luis P., Jansen J.C.: A Review on Ionic Liquid Gas Separation Membranes. Membranes 11(2), 97, 2021. DOI
  • Levdansky V., Solcova O., Friess K., Izak P.: Mass Transfer Through Graphene-Based Membranes. Appl. Sci. 10(2), 455, 2020. DOI
  • Zak M., Bendova H., Friess K., Bara J.E., Izak P.: Single-step purification of raw biogas to biomethane quality by hollow fiber membranes without any pretreatment-An innovation in biogas upgrading. Sep. Purif. Technol. 203(12 Sep), 36-40, 2018. DOI

Membránová separace enantiomerů

Zkoumali jsme různé přístupy ke zvýšení chirální selektivity polymerů pro enantioseparaci na bázi membrán. Mezi naše nedávné pokroky patří modifikace polymerů s různými iontovými kapalinami za účelem zlepšení chirálního rozpoznávání dosažené změnou struktury polymeru, a dále optimalizace přípravy membrán a podmínek enantioseparačního procesu pro nově syntetizované opticky aktivní lineární polyimidy a hyper-rozvětvené poly(imidy kyseliny amové). Testovali a optimalizovali jsme také membrány s iontově vázanými deriváty cyklodextrinu na Nafion®, které prokázaly velký potenciál pro elektrostatické interakci a enantioseparaci chirálních léčiv. Dále jsme publikovali přehledový článek o pokrocích v mikrofluidice a mikromembránových separacích a ukázali jejich potenciál pro kontinuální výrobu čistých enantiomerů. Teoretická analýza laterální elektrochromatografie pak ukázala na klíčové provozní parametry nezbytné pro účinnou separaci enantiomerů v přítomnosti elektrického pole. K zodpovězení otázek vzájemného vlivu molekulových struktury rozpouštědla/chirálního selektoru/cílové chirální molekuly naše skupina úspěšně použila simulace pomocí molekulární dynamiky.

Chirální selektor β-cyclodextrin obsahující spacer modifikující interakce vazebného místa na Nafionu. Proměnlivá topologie komplexů β-cyklodextrinu a (R)-ibuprofenu. Schéma pertrakční cely pro enantioseparace

  • Hovorka Š., Hrdlička Z., Jeništová A., Švecová M., Izák P., Čížek J., Michalcová A., Hadravová R., Vopička O.: Impacts of ions on the plasticization of cellulose triacetate by fluorinated ionic liquids: Thermal properties, microscopy, Raman spectra, and sorption of pure enantiomers. Polymer 290(5 Jan), 126502, 2024. DOI
  • Sysel P., Holakovský R., Hovorka Š., Žádný J., Izák P.: Preparation of Optically Active Polyimides Based on 2,2´-diamino-1,1´-binaphthalene. J. Polym. Mater. 39(3-4), 325-335, 2023. DOI
  • Petrusova Z., Slouka Z., Vobecka L., Polezhaev P., Hasal P., Pribyl M., Izak P.: Microreaction and membrane technologies for continuous single-enantiomer production: A review. Cat. Rev. 65(3), 773-821, 2023. DOI
  • Sysel P., Hovorka S., Kohout M., Holakovsky R., Zadny J., Cizek J., Izak P.: Optically active polyimides with different thermal histories of their preparation. Chirality 34(8), 1151-1161, 2022. DOI
  • Přibyl M., Izák P., Slouka Z.: A mathematical model of a lateral electrochromatography device for continuous chiral separation. Sep. Purif. Technol. 282(1 Feb), 120033, 2022. DOI
  • Hercikova J., Spalovska D., Fruhauf P., Izak P., Lindner W., Kohout M.: Design and synthesis of naphthalene-based chiral strong cation exchangers and their application for chiral separation of basic drugs. J. Sep. Sci. 44(18), 3348-3356, 2021. DOI
  • Kasal P., Michel M., Gaalova J., Curinova P., Izak P., Dian J., Jindrich J.: Chiral Nafion membranes prepared by strong electrostatic binding of multiply positively charged beta-cyclodextrin derivatives for tryptophan racemic mixtures' separation. Mater. Today Commun. 27(Jun), 102234, 2021. DOI
  • Gaalova J., Michel M., Bourassi M., Ladewig B. P., Kasal P., Jindrich J., Izak P.: Nafion membranes modified by cationic cyclodextrin derivatives for enantioselective separation. Sep. Purif. Technol. 266(1 Jul), 118538, 2021. DOI
  • Brozova L., Zazpe R., Otmar M., Prikryl J., Bulanek R., Zitka J., Krejcikova S., Izak P., Macak J. M.: Chiral Templating of Polycarbonate Membranes by Pinene Using the Modified Atomic Layer Deposition Approach. Langmuir 36(42), 12723-12734, 2020. DOI
  • Skvara J., Nezbeda I., Izak P.: Molecular dynamics study of racemic mixtures. II. Temperature dependence of the separation of ibuprofen racemic mixture with beta-cyclodextrin in methanol solvent. J. Mol. Liq. 302(15 Mar), 112575, 2020. DOI
  • Nezbeda I., Škvára J.: On industrial applications of molecular simulations. Mol. Simul. 47(10-11), 846-856, 2020. DOI
  • Gaalova J., Yalcinkaya F., Curinova P., Kohout M., Yalcinkaya B., Kostejn M., Jirsak J., Stibor I., Bara J. E., Van der Bruggen B., Izák P.: Separation of racemic compound by nanofibrous composite membranes with chiral selector. J. Membr. Sci. 596(15 Feb), 117728, 2020. DOI
  • Otmar M., Gaalova J., Zitka J., Brozova L., Curinova P., Kohout M., Hovorka S., Bara J. E., Van der Bruggen B., Jirsak J., Izák P.: Preparation of PSEBS membranes bearing (S)-(-)-methylbenzylamine as chiral selector. Eur. Polym. J. 122(5 Jan), 109381, 2020. DOI
  • Kohout M., Hovorka S., Hercikova J., Wilk M., Sysel P., Izak P., Bartunek V., von Baeckmann C., Picha J., Fruhauf P.: Evaluation of silica from different vendors as the solid support of anion-exchange chiral stationary phases by means of preferential sorption and liquid chromatography. J. Sep. Sci. 42(24), 3653-3661, 2019. DOI
  • Škvára J., Nezbeda I.: Molecular dynamics study of racemic mixtures: Solutions of ibuprofen and β-cyclodextrin in methanol. J. Mol. Liq. 265(1 Sep), 791-796, 2018. DOI
  • Curinova P., Dracinsky M., Jakubec M., Tlusty M., Janku K., Izak P., Holakovsky R.: Enantioselective complexation of 1-phenylethanol with chiral compounds bearing urea moiety. Chirality 30(6), 798-806, 2018. DOI

Odstraňování nových znečišťujících látek z vody pomocí membrán

Náš výzkum nových kontaminantů se věnoval jejich odstraňováním z vody pomocí membránových technologií. Zrevidovali jsem různé membránové materiály v literatuře a porovnávali jsme ty, které oddělují na základě velikosti částic, s hustými hydrofobními membránami určenými pro cílené odstraňování určité třídy kontaminantů. V našich studiích pak byly testovány nejmodernější materiály jako hydrofilní a hydrofobní membrány z jednostěnných uhlíkových nanotrubiček pro odstraňování antibiotik, jež měly slibné výsledky jak u filtrace, tak i sorpce. Kromě toho jsme zkoumali použití PDMS membrán pro separaci směsí antibiotik, přičemž jsme pozorovali jejich komplexní koeluci, ale modifikací povrchu jsme zlepšili selektivitu membrán pouze k určitým antibiotikům. Dále jsme vyvinuli nanokompozitní membrány polymer-ZnO pro účinné odstraňování organických barviv rozšířených v různých průmyslových odvětvích.

Polydimethylsiloxanové membrány modifovaní pomocí UV roubování pro separaci tramadolu pomocí pertrakce. SEM původních uhlíkových nanotrubiček a s nanočásticemi SiO2 naneseným na jejich povrch

  • Pasichnyk M., Gaalova J., Minarik P., Vaclavikova M., Melnyk I.: Development of polyester filters with polymer nanocomposite active layer for effective dye filtration. Sci. Rep. 12(1), 973, 2022. DOI
  • Bourassi M., Pasichnyk M., Oesch O., Sundararajan S., Travnickova T., Soukup K., Kasher R,; Gaalova J.: Glycidyl and Methyl Methacrylate UV-Grafted PDMS Membrane Modification toward Tramadol Membrane Selectivity. Membranes 11(10), 752, 2021. DOI
  • Gaalova J., Bourassi M., Soukup K., Travnickova T., Bousa D., Sundararajan S., Losada O., Kasher R., Friess K., Sofer Z.: Modified Single-Walled Carbon Nanotube Membranes for the Elimination of Antibiotics from Water. Membranes 11(9), 720, 2021. DOI
  • Karaszova M., Bourassi M., Gaalova J.: Membrane Removal of Emerging Contaminants from Water: Which Kind of Membranes Should We Use? Membranes 10(11), 305, 2020. DOI

Separace organických sloučenin ze směsí permeací par nebo pervaporací

Publikovali jsem přehled membránových materiálů pro permeace par těkavých organických látek, od komerčních po experimentální, přičemž jsme zjistili nedostatek informací o separacích u dvousložkových směsí VOC/N2 a zřídka dostupná data pro vícesložkové směsi. Náš experimentální a teoretický výzkum se zaměřil na využitelnost rozpustnostních parametrů při předpovědi účinnosti separace VOC/N2, přičemž jako nelepší pro VOC se ukázaly Hansenovy parametry rozpustnosti s limitací pro cyklické uhlovodíky. Vyřešili jsme stárnutí tenkovrstvých kompozitních membrán vystavených parám alkanů, jež bylo možné regenerovat konvenční metodou sušení pomocí sekvenční výměny rozpouštědel. Dále jsme identifikovali hlavní přispěvatele k chybám při měření propustnosti pro páry, přičemž jsme zdůraznili význam optimalizace provozních parametrů pro snížení teoretických chyb, což je výhodné zejména pro membrány s nízkou propustností.

Propustnost par strukturně odlišných těkavých organických látek v závislosti na jejich aktivitě v nástřiku včetně odpovídajícíh 3D grafu Hansenových rozpustnostních parametrů

  • Jirsakova K., Stanovsky P., Dytrych P., Moravkova L., Pribylova K., Petrusova Z., Jansen J. C., Izak P.: Organic vapour permeation in amorphous and semi-crystalline rubbery membranes: Experimental data versus prediction by solubility parameters. J. Membr. Sci. 627(1 Jun), 119211, 2021. DOI
  • Petrusová Z., Morávková L., Stanovský P., Machanová K., Koštejn M., Jandová V., Izák P.: Regeneration of thin-film composite membrane used for permeation of hexane vapors. Sep. Purif. Technol. 224(1 Oct), 62-69, 2019. DOI
  • Petrusova Z., Machanova K., Stanovsky P., Izak P.: Separation of organic compounds from gaseous mixtures by vapor permeation. Sep. Purif. Technol. 217(15 Jun), 95-107, 2019. DOI
  • Dytrych P., Vajglová Z., Morávková L., Jandová V., Izák P., Petrusová Z.: Minimization of the Theoretical Error of Input Parameters for a Vapor Permeation Apparatus Chem. Eng. Technol. 41(9), 1727-1736, 2018. DOI

 

Náš výzkum se zabýval použitím pervaporace pro separaci organických sloučenin ze směsí. Úspěšně jsme využili pervaporaci ve spojení s chirálním katalytickým komplexem Ru-BINAP, čímž jsme se vyhnuli sorpci katalyzátoru do membrány a použili jsme kapalnou fázi iontová kapalina/metanol jako ekologické rozpouštědlo pro reakci. Dále jsme úspěšně využili pervaporace azeotropní směsi s trimethylboranem, prekurzorem boronových kyselin používaných v Suzukiho spojkách, za použití komerčních membrán. Nakonec naše testování ukázalo potenciál pro dealkoholizaci piva pomocí pervaporace s komerčně dostupnými membránami Sulzer.

  • Gaalova J., Hejda S., Stavarek P., Sykora J., Fajgar R., Kluson P., Izak P.: Pervaporation of (R)/(S)-methyl 3-hydroxybutyrate (Sigma MHB) from a mixture containing an ionic liquid, methanol and Ru catalyst. Sep. Purif. Technol. 222(1 Sep), 45-52, 2019. DOI
  • Gaalova J., Vojtek L., Lasnier S., Tadic T., Sykora J., Izak P.: Separation of Trimethyl Borate from a Liquid Mixture by Pervaporation. Chem. Eng. Technol. 42(4), 769-773, 2019. DOI
  • Halama R., Broz P., Izak P., Kacirkova M., Dienstbier M., Olsovska J.: Beer dealcoholization using pervaporation. Kvasny Prumysl 65(2), 65-71, 2019. DOI
Tento web používá cookies. Více o cookies najdete zde.