MEMBRAN REAKTÖRLER

... konulu sunumlar: "MEMBRAN REAKTÖRLER"— Sunum transkripti:

1 GAZ İ ÜN İ VERS İ TES İ K İ MYA BÖLÜMÜ 2017-2018 GÜZ DÖNEM İ ARALIK- 2017 178304145 SEL İ NAY ÖZEL PROF.DR. GÜLSEN AKMAN

2 MEMBRAN REAKTÖRLER MEMBRAN REAKTÖRLERİN SINIFLANDIRILMASI KULLANIM ALANI AVANTAJLARI VE DEZAVANTAJLARI

3 Ürünlerin ayrılması, derişikleştirilmesi ve saflaştırılması, reaksiyonu katalizlemek veya engellemek ya da dengeyi istenen yöne çevirmek için bünyesinde membran bulunduran sistemlerdir[1].

4 Membran reaktör, Kikuchi (1997) tarafından yapılan ve genellikle kabul gören bir tanımlamaya göre, bir reaksiyon ortamındaki reaktant ya da ürünün seçici olarak derişimini etkilemek üzere bir membranın ayırma fonksiyonundan yararlanan sistemdir[2].

5 Membran reaktörlerin klasik reaktörler ile karşılaştırıldığ ında en dikkat çekici özelliği reaksiyon ve ayırmanın aynı anda gerçekleştiril mesidir[2].

6

7 KATALİTİK KATALİTİK OLMAYAN MEMBRAN ORGANİK İNORGANİK MEMBRAN

8 04.08.2018

9 Membran reaktörlerin; biyokimya, kimya, çevre ve petrokimya alanlarını kapsayan geniş bir uygulama alanı mevcuttur.

10 Reaksiyon ortamından ürünlerin seçilerek ayrılması Giriş akımındaki bir bileşenin reaksiyona girmeden uzaklaştırılması Reaktantların kontrollü teması Katalizör olarak görev yapma Reaksiyon kabı gibi görev yapma Isı aktarımına katkı Sıvı reaksiyon ortamını sabitleme[2]

11 Katalitik Olarak Aktif Membran Reaktörler İ nert Membran Reaktörler Katalitik Membran Reaktörler Katalitik ve Seçici Geçirgen Olmayan Membran Reaktör Dolgulu ya da Akışkan Yataklı Membran Reaktör

12 Bu tip reaktörlerde membran maddesi reaksiyon için kendisini katalizler ya da membran malzemesinin içinde hareketsiz hale getirilmiş katalizör bulunur. Membran hem ayırmada hem de reaksiyonun gerçekleşmesinde rol alır.

13 Katalitik membran reaktör: Membran bileşenlerden en az birisine karşı seçici geçirgendir ve katalitik olarak aktiftir. Katalitik ve seçici geçirgen olmayan membran reaktör: Membran katalizör olarak görev görür ancak herhangi bir bileşene karşı seçici değildir. Dolgu yataklı ya da akışkan yataklı katalitik membran reaktör: Seçici geçirgen ve katalitik olarak aktif olan membran dolgulu yatak ya da akışkan yatak katalizör partikülleri ile çevrilidir[2].

14 04.08.2018

15 Ayırıcı engel olarak Membran Reaaktör Uygulaması Hem temas aracı, hem de ayırıcı işleci gören MR uygulaması

16 İnert membran reaktörde katalizör ve membran ayrılmıştır. Membran reaksiyona katılmaz, sadece ayırma görevini görür. Bu durumda membran sadece ayırma işleminde rol oynarken, aynı zamanda reaktant ve ürünler arasında bir bariyer görevi görür[2].

17 Yapılarına Göre Reaktörler Organik Polimer Membran Reaktör İnorganik Polimer Membran Reaktör

18 BİYOHİDROJEN ÜRETİMİ ATIKSU ARITIMI VE ELEKTR İ K ÜRET İ M İ KULLANIM ALANLARI BİYOSENSÖR UYGULAMAL ARI

19 Organik bileşenlerdeki biyokimyasal enerjiyi, mikrobiyal hücreler kullanılarak elektrik enerjisi üretimini sağlayan bir membran prosesidir[3].

20 MYH’ler bakterileri kullanarak organik maddelerden doğrudan elektrik üretiminin gerçekleştirildiği biyoelektro-kimyasal reaktörlerdir [3].

21 04.08.2018

22 Yakıt hücrelerinde organik, inorganik ve kompozit membranlar kullanılır. Günümüzde katyon değiştirici membranlar (KDM) mikrobiyal yakıt hücreleri için yaygın olarak kullanılan ayırma malzemelerdir. Yaygın katyon değişitiricileren biri nafiondur[3].

23 Nafion membran, hidrofilik florokarbon yapıdan (–CF2–CF2–) oluşur ve Perflorosülfanat (PFS) membrandır [3].

24 04.08.2018

25 Ultrex CMI 7000 membran, yakıt hücrelerinde kullanılan diğer bir membrandır. CMI 7000 jel polisitren ve divinilbenzen’in karşılıklı olarak bağlı olduğu ve aynı zamanda fazla miktarda sülfonik asit grupları içeren güçlü asit polimerik bir membrandır[3].

26

27 Polierleneter membranlar Polietersülfan membranlar Polyiamid membranlar Polipathalaziyoneter keton (PPEK) membranlar Polisülfan membranlar Polivinildin florid membranlar Polibenzimidazol membranlar Politetrafloro etilen (PTFE) membranlar Polietereter keton (PEEK) membranlar Polivinil alkol (PVA) membranlar Polistiren membranlar[3]

28 Mikrobiyal yakıt hücresi sistemi içindeki mikroorganizmalar bir katalizör görevi görerek, organik ve inorganik bileşenleri yükseltgeyerek, enerji akımı üretirler. Sistemde elektrokimyasal reaksiyonların gerçekleştiği bir anot alanı, bir katot alanı arasında da bir proton değiştirici membran (PEM) bulunur. PEM’in kullanıldığı bir yakıt hücresidir[3].

29 04.08.2018

30 Anot bölmesinde bakteri gelişimi, organik maddelerin oksitlenmesi, elektronların ortama serbest bırakılması ve protonların çözeltiye bırakılması söz konusudur[3].

31 MYH İle Elektrik Üretimi

32 Katot bölmesinde ise protonlar ile çözünmüş oksijen elektronların reaksiyonu söz konusudur. Anotta hidrojen iyonize olur. İyonize olan elektrotlar dış çevrim boyunca hareket ederler ve hidrojen iyonları oksijenle bir araya geldikleri katoda geçerler. Bu reaksiyon platin katalizörle hızlandırılır. İyonize olan hidrojen iyonları katoda doğru polimerik membran boyunca hareket eder ve burada oksijenle birleşerek su oluşturur[3].

33 Anot bölmesinde bulunan mikroorganizmalar, organik maddeleri oksitleyerek elektron ve proton (hidrojen) üretirler. Burada nihai elektron alıcı (örneğin O2, Fe+3 gibi) ile birleşerek suya dönüşür. Her ikisi sayesinde anot bölmesindeki elektronlar katot bölmesine aktarılır. Bu durumda bir elektrik akımı oluşur. Anot bölmesinde üretilen elektronlar, bir devre vasıtasıyla katot bölmesine gönderilir. Hidrojen iyonu ise proton değiştirici membrandan geçer ve katot bölmesine ulaşır.

34

35 Bir enerji kaynağı olarak, şekerlerce zengin organik substartların farklı tiplerini içeren atıksular büyük bir enerji kaynağı olarak değerlendirilebilir. Bu özelliğinden dolayı cazip hale gelmektedir. Uygulamada çoğunlukla laboratuvar ve pilot çalışmalar yaygındır[3].

36 Bir MYH elektrik enerjine sahip substratlardaki organik maddelerin kimyasal enerjiye dönüşümünü sağlarlar[3].

37 Bu dönüşüm bir anot bölmedeki substratların bakteriler tarafından okside edildiği ve elektronlar ve protonlar üretildiği zaman elde edilir. Elektronlar anot tarafından absorbe edilir ve bir resistant vaya katotta bir enerji içerisinde akarlar. Bu katotlar elektoron alıcıları azaltabilir[3].

38 Katyonlar, tercihen proton tuz köprüsü gibi iyon seçici bir membrandan anot bölümünden katot bölümüne akar. Katot bölmesinde protonlar oksijen ile birleşir ve su şeklini alır. Anot bölmesi anaerobiktir ve bir oksidasyon ürünü olarak karbondioksit üretilir. Bu sistemlerde farklı substratlar kullanılmaktadır[3].

39 Bunların en önemlileri şekerlerce zengin nişasta, glikoz, evsel atıksular, sızıntı atıksuları, şarap ve maya sanayi atıksuları, boya atıksularıdır. Kısaca bu sistemlerle organik madde açısından zengin atık ve atıksular arıtılabilir ve enerji üretilebilir[3].

40 Bir MYH prosesinin yüksek verime sahip olmasında anot bölmesindeki mikroorganizmalar önemlidir. Bu önem onların metabolizmaları ve anotta elektron transfer etmeleridir[3].

41 KATOT VE ANODUN MALZEMES İ pHSICAKLIK MADDEN İ N İ YON İ K GÜCÜ membran ve yapıları gibi faktörler elektrik üretiminde önemli ölçüde bir etkiye sahip olabilirler[3].

42 Mikrobiyal yakıt hücreleri elektrik üretimine ilave olarak, biyohidrojen üretimi için de verimli kullanılabilir. Elektrik üretimine müteakip aşamada biyohidrojen biriktirilebilir. MYH’ler bir hidrojen ekonomisinde genel hidrojen talebine karşılık verebilecek yenilenebilir bir hidrojen kaynağı sağlayabilir[2].

43 Kirlilik analizi ve proses izlenmesinde sensör olarak MYH kullanımı biyoyakıt hücrelerinin bir uygulamasıdır. Bataryalar yaşam süresini sınırlamakta ve değiştirilebilir veya şarj edilebilir olmaları bir zorunludur. Bu yüzden, MYH elektrokimyasal sensörler enerji vermesi için uygundur[2].

44 Bu tip sistemlerin tasarımı için uygun kotodik ve anotik reaksiyonlara sahip olma ilk aşamadır. MYH kullanımı BOİ sensörü olarak kullanımı mümkün ve BOİ sensörün bu tipi sürdürülebilir ve yeniden kullanılabilir mükemmel işletmeye sahiptir[2].

45 Membran biyoreaktörler atık suların arıtılmasında organik ve askıda katı madde giderimini sağlamak için, biyolojik süreçler ile membran teknolojisinin birleştirilmesinden elde edilen reaktörlerdir[3].

46 Biyolojik arıtım sistemlerinde biyolojik süreç gerçekleşirken membranların gözenek çapı ve özelliklerine bağlı olarak katı maddeler ve gözenek çaplarından büyük çapa sahip bileşenler membrandan tutulurken, küçük çaplı bileşenler ve akışkanlar membranlardan geçer. Katı-sıvı ayırma yeteneğine sahip ultrafiltrasyon veya mikrofiltrasyon bir membran ünite ile bir askıda büyüme reaktörünün kombine edilmesi ile membran biyoreaktör sistemleri daha yüksek verimler sağlar[3].

47 04.08.2018

48 Biyolojik arıtım için bir membran biyoreaktör sistemi aerobik ya da anaerobik işletilebilir. Özellikle yüksek organik içerikli atıksuların arıtılmasında anaerobik MBR cazip hale gelmektedir[3].

49 KULLANIM ALANLARI yağlı atıkların arıtılması atıksu arıtma tesislerinden gelen klorlu çözücülerin giderilmesi çöp sızıntı suyunun arıtılması yeraltı suların filtrasyon, ve benzeri birçok durum için fosfor kontrolü ve orta dereceli ilaçların giderilmesi

50 TERS OSMOSNANOFİLTRASYONULTRAFİLTRASYONMİCROFİLTRASYON

51 Anaerobik membran biyoreaktörlerde (AnMBR) yaygın olarak 0,1 μm Microfiltrasyon ve Ultrafiltrasyon kullanılır. Gözenek boyutları 0,01 ile 0,05 μm aralığında değişmektedir. 0,005 ile 0,1μm çaplarındaki çözünmüş tuzlar, düşük molekül ağırlıklı maddeler gibi bileşenleri tutarlar[3].

52 04.08.2018

53 Membranların biyoreaktör nasıl entegre edileceğine göre, iki MBR proses konfigürasyon tanımlanmıştır. Bunlar ;  reaktöre dışarıdan (Sıvı/biyokütle ayrımının çapraz akışlı membran filtrasyonu ile ayrı bir ünitede gerçekleştiği)  sıvı/biyokütle ayrımının biyoreaktör içinde batık membranlar ile gerçekleştiği batık şekilde entegre edilmektedir[3].

54

55

56

57 Membran biyoreaktörlerde birçok farklı materyal ve gözenek çapında membran kullanılabilmektedir. Membranların seçiciliği gözenek çağına bağlıdır[3].

58 04.08.2018

59

60 Literatürde evsel atıksuların MBR ile arıtımı üzerine çok sayıda çalışma bulunmaktadır. Özellikle aerobik MBR üzerine oldukça fazla çalışma mevcut olup, çalışmaların büyük bir kısmı membran tıkanmasını önlemek için alternatiflerin geliştirilmesi üzerinedir. Çalışmaların çoğu laboratuvar ölçekli olmakla birlikte, son zamanlarda pilot ve gerçek ölçekli reaktörlerle de çalışmalar yapılmaktadır[3].

61 Kırk yıldan fazla süreden beri, anaerobik arıtma konsantre endüstriyel ve evsel çamur yönetimi için tesis edilmiş iyi bir proses olmuştur. Son yıllarda bu süreç mikrobiyolojisinin daha iyi anlaşılması ve gelişen reaktör tasarımı, düşük yoğunluklu atıksuların arıtımı için uygulanmasını mümkün kılmıştır[4].

62 04.08.2018

63 Grethlein (1978) bir septik tank membran sisteminin evsel atıksuların arıtımında nasıl fizibil olduğunu araştırmıştır. Sistemde harici membran kullanılmıştır.İşletme basıncı 345–1030 kPa (50–150 psi)dir. İki tip membran modülü (düz levhalı bir membran modülü ve bir ters osmoz ünitesi) kullanılmıştır[3].

64 Farklı endüstriyel atıksuların arıtımı için harici bir membran biyoreaktör olarak, ADUF(Anaerobik Çürütücü–Ultrafiltrasyon) süreçlerinin kullanımı incelenmiştir. Bu süreçte 500 kPa’lık bir basınçta 9 mm’lik tübüler polietersülfan bir membran kullanılmıştır. İki temel işletme ünitesinden oluşan ADUF süreci; harici basınç uygulanan ultrafiltrasyonlu bir anaerobi çöktürücüden oluşmaktadır[4].

65 04.08.2018

66 Kimyasal reaksiyonla ayırma işlemini tek bir ünitede toplayan membran reaktörlerin avantajları şu şekilde sıralanabilir[4]:

67 İstenmeyen reaksiyonlar engellenebilir. Reaktörden bir ürünün eş zamanlı olarak uzaklaştırılması dönüşümü arttırır. Yüksek dönüşüm hemen hemen stokiyometrik besleme akış hızlarında mümkündür. Reaksiyon ısısı ayırma için kullanılabilir..

68 Daha yüksek nitrifikasyon performansı gözlenir. Daha az çamur oluşumu Son çöktürme havuzuna ihtiyaç duyulmaması Daha düşük hidrolik bekleme süresi (HRT) de ğ erlerinde çalışabilir.

69 04.08.2018 Toksik organik bileşiklerin giderim performansı artar. Çıkış BOİ ve KOİ konsantrasyonu daha düşüktür. Çok yüksek performansta fiziksel dezenfeksiyon sağlanır.

70 MBR’lerin en önemli dezavantajı tıkanma problemidir. Filtre üzerinde gelişen kek tabakası membrandan geçen akının önemli derece düşmesine neden olur[5]. MEMBRAN TIKANMA PROSESERİ a) gözenek tıkanamsı b) kek tabakası olışumu

71 04.08.2018

72 MBR’ler ayrıca klasik sistemlere kıyasla daha karmaşık ve zor otomasyona ihtiyaç duyarlar. Özellikle membran geri yıkaması, tıkanmayı engellemek için çeşitli stratejilerin getirdiği işletme koşullarının otomasyon gerektirmesi sistemi kompleks yapmaktadır[5].

73 1. Fogler, H. Scott. Elements of Chemical Reaction Engineering, 4rd Ed. Prentice-Hall: Upper Saddle River, NJ, 2005. 2.Hasanoğlu,A. M., Etil Asetat Üretimine Yönelik Esterleşme Reaksiyonunun Değişik Katalizörle Varlığında Pervaporasyon Membran Reaktörde İncelenmesi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Doktora Tezi, İstanbul,2008 3.Aslan,M., Membtan Teknolojileri, T.C. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, Ankara,2016 4.Salt, Y., Dinçer.S., AN OPTION FOR SPECIAL SEPARATION OPERATIONS: MEMBRANE PROCESSES, Journal of Engineering and Natural Sciences, İstanbul, 2006 5.Şahinkaya,E. Membran Biyoreaktörler: Uygulama Alanları, Son Gelişmeler Ve Araştırma Gereken Alanlar, İstanbul Medeniyet Üniversitesi, İstanbul, 2016

74 BENİ DİNLEDİĞİNİZ İÇİN