73207 - PROCESSI DI SEPARAZIONE A MEMBRANA M

Conoscenze e abilità da conseguire

Il corso intende fornire i fondamenti delle tecnologie a membrana e gli elementi di progettazione di impianti a membrana per i processi più consolidati dal punto di vista industriale; illustra i principali processi di separazione a membrana con elementi di reattoristica e di bioreattoristica a membrana e descrive varie applicazioni nei settori dell’industria di processo e dell’industria alimentare finalizzate al recupero di prodotti, alla purificazione di acque industriali e per uso alimentare ed alla valorizzazione di risorse rinnovabili.

Contenuti

Il corso è indirizzato agli allievi delle lauree magistrali in ingegneria ambientale ed in ingegneria chimica, con obiettivi e metodi differenziati al fine di mantenere e potenziare le diverse specificità proprie delle discipline. Offre una sintesi della vasta panoramica internazionale dei settori della scienza e della ingegneria dei processi a membrana, ponendo particolare enfasi sullo sviluppo di processo, sulle applicazioni e sugli elementi fondamentali per la progettazione degli impianti.

Tutte le lezioni saranno tenute in Italiano. È quindi necessaria la comprensione della lingua italiana per seguire con profitto il corso e per poter utilizzare il materiale didattico fornito. Alcune lezioni verranno erogate in maniera differenziata e separatamente per allievi ingegneri chimici ed ambientali, compatibilmente con il numero di studenti iscritti e con l’orario di lezione.

Propedeuticità consigliate

Per allievi del corso in ingegneria chimica e di processo

L’allievo che accede a questo insegnamento conosce i fondamenti dell'ingegneria di processo, del moto dei fluidi in condotti e dei fenomeni di trasporto con particolare riferimento al trasporto di materia ed ha una generale ed approfondita conoscenza degli impianti, dei problemi e delle applicazioni dei principali processi di separazione convenzionali per sistemi in fase liquida e/o gassosa.

Per allievi del corso in ingegneria per l’ambiente e il territorio

L’allievo che accede a questo insegnamento conosce i fondamenti di bilancio di materia e del moto dei fluidi in condotti e del trasporto di calore acquisibili nei corsi di base della laurea di I livello ed ha una generale conoscenza dei problemi e delle tecnologie convenzionali per l’abbattimento di inquinanti in correnti liquide e/o gassose e possiede una conoscenza di base dei principali processi di separazione.

Programma e contenuti

UNITA’ 1. Introduzione ai processi con tecnologia a membrana.

Aspetti generali dei processi di separazione e rilevanza nell'industria di processo e nel settore ambientale.

Fondamenti delle tecnologie a membrana. Definizioni e concetti di base. Classificazione delle membrane e dei processi. Descrizione preliminare ed impiego dei processi principali per la separazione di correnti liquide e gassose. Reattori e bioreattori a membrana.

UNITA’ 2. Membrane e moduli

Configurazione e classificazione di membrane polimeriche e ceramiche ed analisi delle principali tecniche di produzione (cenni). Parametri e principali tecniche di caratterizzazione delle membrane (cut-off, reiezione, permeabilità, permeanza, pressione di bolla, pressione di penetrazione, ecc.).

Aspetti tecnici fondamentali dei moduli (plate&frame, a spirale avvolta, tubolari, capillari, a fibra cava) e problematiche generali relative al loro funzionamento. Analisi fluidodinamica e metodi di calcolo delle perdite di carico e del coefficiente di trasporto di materia per le varie configurazioni: discussione. Schede tecniche.

UNITA’ 3. Analisi dei principali processi a membrana “pressure driven” per correnti liquide.

Descrizione dei processi di Osmosi Inversa (OI), Nanofiltrazione (NF), Ultrafiltrazione (UF) e Microfiltrazione (MF); elenco dei principali campi di applicazione e processi convenzionali di riferimento: potenzialità e limitazioni applicative. Discussione. Aspetti termodinamici e di trasporto: la pressione osmotica, la permeabilità idraulica, modelli fenomenologici (Spiegler-Kedem) e modelli strutturali (Mason&Lonsdale, il modello soluzione-diffusione e la visione porosa) per OI e NF. Il ruolo della polarizzazione di concentrazione e modello del “gel-layer”; modello delle resistenze; la pressione critica nella UF. Effetto delle condizioni operative sulle prestazioni del processo e sui parametri di membrana. Lo sporcamento: caratteristiche e contromisure.

UNITA’ 4. Impianti a membrana.

Parametri di caratterizzazione. Configurazioni di impianto e regime di funzionamento: disposizione moduli e configurazione ad albero; impianti continui, discontinui e semicontinui, a stadi, con totale e/o parziale ricircolo di ritenuto, ecc. Analogie fra impianto batch e impianto "single-pass". Elementi di progettazione: discussione sulla reperibilità dei dati per lo scale-up, bilanci di materia ed analisi dei gradi di libertà di uno stadio, analisi di specifiche corrette, calcolo area minima, punto di funzionamento di uno stadio “feed&bleed”, regole empiriche, numero ottimale degli stadi. Aspetti economici: analisi delle principali voci di costo di un impianto (capitale, esercizio, energia, manutenzione, sostituzione membrane, ecc..) e variabili di progetto.

UNITA’ 5. Esempi applicativi.

Esempi di analisi di dati sperimentali relativi alla caratterizzazione di membrane e di moduli per RO, NF e UF. Elaborazione dati da schede tecniche. Calcoli previsionali di prestazioni di membrane con il modello soluzione-diffusione. Esempio di sviluppo di processo e progettazione di un impianto di Osmosi Inversa per produzione di acqua potabile con l'ausilio di simulatori disponibili in letteratura. Aspetti fondamentali Discussione Esempio di progettazione di impianto da UF a stadi in configurazione “feed&bleed”. Il funzionamento in Diafiltrazione. Impianti di dissalazione ed esempi di recupero di energia (turbina idraulica, turbo-charger, scambiatore di pressione). Esempi di sistemi integrati e/o ibridi per il recupero di acque di processo e/o per il frazionamento di correnti.

UNITA’ 6. Reattori biologici a membrana (MBR) per il trattamento di acque reflue.

Richiamo sui trattamenti biologici convenzionali delle acque reflue. Schema a membrane sommerse ed esterne e confronto con il processo convenzionale ai fanghi attivi: membrane usate e problematiche di gestione degli impianti (sporcamento, back-flushing, lavaggi). Esempi.

UNITA’ 7. Tecniche di separazione “pressure-driven” di miscele gassose

Aspetti generali e descrizione dei processi di separazione di gas e di vapori: elenco dei principali campi di applicazione e processi convenzionali di riferimento. Il modello soluzione-diffusione e parametri di processo; effetto delle condizioni operative sul flusso e sul fattore di separazione. Potenzialità e limitazioni applicative delle membrane commerciali. Discussione. Esempi di processi per il recupero di idrogeno, per il frazionamento di aria (produzione di azoto e di aria arricchita), per la valorizzazione (up-grading) di biogas per la produzione di biometano, per la rimozione di VOC da correnti gassose.

UNITA’ 8. Altri processi e Contattori a membrana (contenuti variabili-cenni).

Dialisi ed Emodialisi.

Tecniche di separazione con membrane a scambio ionico: membrane omopolari e bipolari; celle elementari e composizione del modulo-stack; parametri operativi. Esempi di processi e impianti di Elettrodialisi, Dialisi di Donnan, Elettrodeionizzazione, ecc.. per la dissalazione di acque salmastre e per il recupero di acque industriali.

Tecniche di separazione “thermal-based”. Pervaporazione: la disidratazione di etanolo e la purificazione di acque da VOC; modello di trasporto, parametri di processo e ruolo delle condizioni operative sull’efficienza di separazione. La Distillazione a membrana.

Contattori a membrana: descrizione delle apparecchiature e confronto con apparecchiature convenzionali di assorbimento/stripping/estrazione; modelli di trasporto (cenni). Esempi applicativi.

Processi emergenti e/o minori: la Nanofiltrazione di Solventi Organici (OSN), il trasporto facilitato, la Pressure-retarded Osmosis e la Forward Osmosis.

Testi/Bibliografia

• Appunti del docente e diapositive delle lezioni disponibili sul sito web UNIBO “Virtual Learning Environment -VLE)”
• Mulder, M, Basic principles of membrane technology, Kluwer Academic, 1991
• Cheryan M., Ultrafiltration and microfiltration handbook, Technomic, 1998
• Rautenbach R., Albert R., Membrane processes, John Wiley&Sons 1989 (per approfondimenti)
• Winston Ho W.S., Sirkar K.K., Membrane Handbook, Van Nostrand Reinhold, 1992 (per approfondimenti).
• Baker, R.W., Membrane Technology and applications, 3a edizione, John Wiley&Sons 2012 (scaricabile on-line)
  

Metodi didattici

Lezioni ed esercitazioni in aula, prevalentemente attraverso diapositive, messe a disposizione degli studenti con congruo anticipo.

Sono programmate visite al “laboratorio di Processi a Membrana 1”-LABIC per visionare membrane, moduli e impianti a membrana.

Alla fine del corso vengono organizzati alcuni seminari di approfondimento su tematiche oggetto di ricerche scientifiche di attualità. Seminari vengono inoltre tenuti da esperti del settore provenienti dal mondo industriale e/o accademico.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame comprende una prova pratica (punteggio massimo=15/30) ed una prova scritta (punteggio massimo=18/30). Il voto finale è dato dalla somma dei punteggi ottenuti nelle due prove; a punteggi non inferiori a 32 verrà assegnata la lode.

“prova pratica”

Consiste nella presentazione di una relazione scritta dei risultati ottenuti nello svolgimento di un elaborato/progetto, il cui tema viene assegnato e concordato con il docente con ampio anticipo; gli argomenti dell’elaborato sono tipicamente inerenti alle Unità 1-5 del programma e corrispondono alle prime 30-35 ore di attività frontale. E’ generalmente richiesta una quantificazione di tipo progettuale, proponendo una o più soluzioni impiantistiche ritenute applicabili per la soluzione del problema proposto. Le specifiche e gli obiettivi dei temi assegnati sono diversificate per gli allievi «ambientali» e «chimici». La prova pratica può essere svolta a gruppi, preferibilmente composti da 2 allievi (max 3 allievi, su preventiva approvazione del docente); ciascun componente del gruppo di progetto può sostenere l’esame (prova scritta) in appelli e/o in periodi diversi da quello in cui hanno presentato la relazione.

“prova scritta” . Da svolgersi il giorno fissato per l’esame (tempo indicativo richiesto = 2 h e 30 min). E’ suddivisa in due parti:

1. 18 domande a risposta multipla e 1-un esercizio numerico da svolgere con l’ausilio di una calcolatrice scientifica tascabile, finalizzati all’accertamento della conoscenza degli elementi di base dei processi a membrana. Punteggio massimo =9/30.Le domande a risposta multipla sono da svolgere nell'applicativo EOL.
   
2. Una o più domande a risposta aperta, a seconda della complessità del tema, finalizzate all’accertamento dell’acquisizione delle conoscenze per la caratterizzazione, l’applicazione, lo sviluppo e la gestione dei processi a membrana. Alla valutazione di questa prova concorrono diversi elementi, quali la esaustività della risposta, la proprietà di linguaggio ed il corretto uso dei termini tecnici, la padronanza degli argomenti trattati, la capacità di sintesi e di analisi critica.La lista dei possibili temi viene fornita alla fine del corso. Punteggio massimo=9/30.

Durante la “prova scritta” non è consentita la consultazione di appunti né di altri testi specifici. In caso di necessità, viene fornito un formulario. All’appello verrà richiesta la consegna di tutti i dispositivi di telefonia mobile e di eventuali altri dispositivi elettronici, quali computer, tablet, ecc..

Il regolamento di esame è riportato anche in maniera dettagliata negli appunti del docente.

Si prega di fare attenzione ad eventuali modifiche del regolamento di esame che potrebbero rendersi necessarie in periodo di emergenza Covid. Consultare sempre la sezione "avvisi" del sito web docente

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Serena Bandini