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.

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.).

Separace racemických směsí

Separace racemických směsíPro 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.

  • Gaálová J., Yalcinkaya F., Cuřínová P., Kohout M., Yalcinkaya B., Koštejn M., Jirsák 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, 117728, 2020. DOI

Zařízení na úpravu bioplynu umístěné na bioplynové farmě Choťovice (vlevo) a její interiér (vpravo).

Zařízení na úpravu bioplynuByl 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 %.
  • Žák M., Bendová H., Friess K., Bara J.E., Izák 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, 36-40, 2018. DOI
Tento web používá cookies. Více o cookies najdete zde.