Πειραματική μελέτη διαχωρισμών με τη διεργασία της απόσταξης μέσω μεμβρανών
Creators: name: Καρανάσιου, Ανθούλα Χρήστου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2017
Subjects: Απόσταξη μέσω μεμβρανών
Αφαλάτωση
Βιοαιθανόλη
Membrane distillation
Desalination
Bioethanol

description: Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η διεργασία της απόσταξης μέσω μεμβρανών, η οποία μπορεί να βρει εφαρμογή στην αφαλάτωση θαλασσινού και υφάλμυρου νερού για την εξοικονόμηση φυσικού νερού και στην ανάκτηση βιοαιθανόλης από τα προεπεξεργασμένα παραπροϊόντα της αγροτοβιομηχανίας, σε εναρμόνιση με τις αρχές που επιβάλλει η έννοια της κυκλικής οικονομίας. Αρχικά, έγινε εκτεταμένη βιβλιογραφική επισκόπηση της διεργασίας της απόσταξης μέσω μεμβρανών και των λειτουργικών παραμέτρων και πώς αυτές επηρεάζουν την απόδοσή της, αναλύθηκαν οι μηχανισμοί μεταφοράς θερμότητας και μάζας, επισημάνθηκαν τα κυριότερα λειτουργικά προβλήματα της διεργασίας και αναφέρθηκαν οι εφαρμογές της σε ερευνητικό, πιλοτικό και βιομηχανικό επίπεδο. Στο πειραματικό μέρος έγινε αναλυτική περιγραφή του τρόπου κατασκευής της πρότυπης εργαστηριακής διάταξης απόσταξης μεμβρανών με κενό, η οποία χρησιμοποιήθηκε για την απόσταξη απιονισμένου νερού, την αφαλάτωση και την ανάκτηση αιθανόλης από συνθετικά διαλύματα αιθανόλης-νερού και φυσικά δείγματα που προέρχονται από τη ζύμωση παραπροϊόντων οινοποιίας. Η εν λόγω διάταξη σχεδιάστηκε, κατασκευάστηκε και βελτιστοποιήθηκε στο Εργαστήριο Φυσικών Πόρων και Εναλλακτικών Μορφών Ενέργειας του Ε.Κ.Ε.Τ.Α. (Ε.Φ.Ε.Μ./Ι.Δ.Ε.Π./Ε.Κ.Ε.Τ.Α.). Επιλέχθηκαν εμπορικές υδρόφοβες μεμβράνες πολυπροπυλενίου, κοίλων ινών (capillary), και κατασκευάστηκαν δύο είδη στοιχείων τύπου εναλλάκτη-αυλών. Σε πειραματικές δοκιμές απόσταξης απιονισμένου νερού που πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασίες από 37 °C μέχρι 55 °C παρατηρήθηκε αύξηση της παραγωγής αποστάγματος με την αύξηση της θερμοκρασίας, με μέγιστη τιμή τα 7,2 kg/m2h. Η αύξηση της ανηγμένης ροής διηθήματος με την αύξηση της θερμοκρασίας παρατηρήθηκε και στις πειραματικές δοκιμές αφαλάτωσης συνθετικών διαλυμάτων αλατότητας 3.000 mg/L NaCl. Σε θερμοκρασίες 42 °C έως 65 °C, το flux αυξήθηκε από 2 kg/m2h σε 8 kg/m2h, ενώ η απόδοση ήταν ακόμη καλύτερη, όταν απομονώθηκαν 10 ίνες από το στοιχείο, και έφτασε στα 10,6 kg/m2h στους 65,7 °C. Επίσης, ο βαθμός συγκράτησης σε άλατα της μεμβράνης μετρήθηκε σε πολύ υψηλά επίπεδα καθώς πραγματοποιήθηκε σχεδόν ολική απομάκρυνση του NaCl. Έπειτα, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές ανάκτησης βιοαιθανόλης σε συνεχή, ημισυνεχή και ασυνεχή λειτουργία σε ήπιες θερμοκρασιακές συνθήκες (27-47 °C), στις οποίες παρατηρήθηκε συμπύκνωση της αιθανόλης κατά 4-6,5 φορές για συνεχή λειτουργία και κατά 2-3 φορές για ημισυνεχή λειτουργία. Και σε αυτή την περίπτωση η παραγωγικότητα του αποστάγματος είχε ισχυρή εξάρτηση από τη θερμοκρασία φθάνοντας τα 4,2 kg/m2h σε θερμοκρασία 47 °C, για αρχική συγκέντρωση 5 % v/v σε αιθανόλη και συνεχή λειτουργία. Τέλος, κατά την ανάκτηση βιοαιθανόλης από φυσικά δείγματα σε ημισυνεχή και ασυνεχή λειτουργία σε ήπιες θερμοκρασιακές συνθήκες (30-37 °C), παρόμοιες με αυτές που επικρατούν κατά τη διάρκεια της ζύμωσης, η παραγωγικότητα διαλύματος εμπλουτισμένου σε αιθανόλη ήταν περίπου 2 kg/m2h
description: In the present master thesis the process of membrane distillation has been studied. Membrane distillation can be applied to seawater and brackish water desalination in order to save natural water resources and to bioethanol recovery from pretreated agro-industrial by-products in order to implement the circular economy concept. First of all an extensive bibliographic review has been made. The membrane distillation process, its operative parameters and how these affect its performance, the heat and mass transfer mechanisms, the main operational problems and its applications in research, pilot and industrial level were analyzed. In the experimental part a novel vacuum membrane distillation laboratory set-up was used for the distillation of deionized water, brackish water desalination and ethanol recovery from synthetic ethanol-water solutions and from the fermentation broth of winemaking by-products. The experimental set-up was designed, constructed and optimized in the Natural Resources and Renewable Energies Laboratory of the Centre for Research &amp; Technology Hellas (N.R.R.E./C.P.E.R.I./C.E.R.T.H.). Commercial hydrophobic polypropylene capillary membranes were selected, and two types of membrane contactors were constructed. The water distillation tests were carried out at feed water temperatures from 37 °C to 55 °C and an increase of the clean water flux was observed, reaching the maximum value of 7.2 kg/m2h. The increase of the water flux with the increase of the temperature was also observed in the desalination tests of synthetic brackish water solutions with NaCl concentration of 3,000 mg/L. At temperatures of 42 °C to 65 °C, the flux increased from 2 kg/m2h to 8 kg/m2h, while the membrane productivity was even better when 10 fibers were isolated from the membrane module and reached the value of 10.6 kg/m2h at 65.7 °C. Furthermore, the rejection of NaCl was measured at very high levels and an almost total removal of NaCl occurred. Afterwards bioethanol recovery tests were carried out in continuous, semi-continuous and batch operation at mild temperature conditions (27-47 °C), where a 4-6.5 times concentration of ethanol for continuous operation and a 2-3 times concentration of ethanol for semi-continuous operation was observed. The productivity of the distillate had also a strong temperature dependence reaching the value of 4.2 kg/m2h at 47 °C for an initial ethanol concentration of 5% v/v and continuous operation. Finally, when recovering bioethanol from natural samples in semi-continuous and batch operation under mild temperature conditions (30-37 °C), similar to those prevailing during fermentation, the productivity of the ethanol-enriched solution was about 2 kg/m2h