29164 - 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 fornisce 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 bioreattoristica 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.

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.

Propedeuticità consigliate

Per allievi 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 dei sistemi, dei problemi e delle applicazioni dei principali processi di separazione convenzionali.

Per allievi 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 e del trasporto di calore acquisibili nei corsi di base della laurea di I livello, ha una generale conoscenza dei problemi e delle tecnologie convenzionali per l’abbattimento di inquinanti ed una conoscenza di base dei principali processi di separazione.

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.

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 vari processi per la separazione di correnti liquide e gassose. Reattori e bioreattori a membrana. Trasporto facilitato.

UNITA’ 2. Membrane e moduli

Analisi delle principali tecniche di produzione delle membrane polimeriche e ceramiche e loro configurazioni. Parametri e tecniche di caratterizzazione delle membrane (cut-off, reiezione, permeabilità, permeanza, pressione di bolla, pressione di penetrazione, ecc.).

Aspetti tecnici fondamentali dei moduli (plate&frame, tubolari, a spirale avvolta, a fibra cava) e problematiche generali relative al loro funzionamento. Analisi fluidodinamica e metodi di calcolo 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). Aspetti termodinamici e di trasporto: la pressione osmotica, modello di Mason&Lonsdale, modello soluzione-diffusione e altri modelli (cenni) per OI e NF; il ruolo della polarizzazione di concentrazione e modello del gel layer; modello delle resistenze e visione porosa.

UNITA’ 4. Impianti a membrana.

Parametri di caratterizzazione. Configurazioni di impianto e regime di funzionamento: disposizione moduli, configurazione ad albero, impianti continui e discontinui, a stadi, con parziale ricircolo di ritenuto, “feed& bleed”, ecc. Elementi di progettazione: dati di base, 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 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 a caratterizzazione di base di membrane e a caratterizzazione di moduli per UF, RO e NF. Elaborazione dati da schede tecniche. Esempio di progettazione di un impianto di Osmosi Inversa per produzione di acqua potabile con l'ausilio di programmi di calcolo disponibili in letteratura. Esempio di progettazione di impianti da UF a stadi in configurazione “feed&bleed”. Funzionamento in Diafiltrazione. Impianti di dissalazione e recupero di energia (scambiatore di pressione). Esempi di processi integrati e processi 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 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

Generalità ed applicazioni tipiche. Esempi di processi per il recupero di idrogeno, la separazione di miscele CO₂-CH₄, il frazionamento di aria (produzione di azoto ed aria arricchita). Modelli di trasporto e parametri di processo.

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

Dialisi ed Emodialisi.

Tecniche di separazione “thermal-based”. Pervaporazione: la disidratazione di etanolo e la purificazione di acque da VOC; modello di trasporto e parametri di processo. Vapor Permeation. La Distillazione a membrana.

Contattori a membrana: descrizione, confronto con apparecchiature convenzionali di assorbimento/stripping/estrazione, trasporto di materia. Applicazioni ed esempi.

Processi emergenti: la Nanofiltrazione di Solventi Organici (OSN)

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..

Testi/Bibliografia

• Cheryan M., Ultrafiltration and microfiltration handbook, Technomic, 1998

• Winston Ho W.S., Sirkar K.K., Membrane Handbook, Van Nostrand Reinhold, 1992 e successivi

• Rautenbach R., Albert R., Membrane processes, John Wiley&Sons 1989

• Mulder, M, Basic principles of membrane technology, Kluwer Academic, 1991

• Appunti del docente disponibili sul sito UNIBO dedicato

Metodi didattici

Lezioni ed esercitazioni in aula.

Sono programmate visite al laboratorio di Processi a Membrana 1 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.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame è da considerarsi unico e comprende una prova pratica ed una prova orale.

“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/i docente/i con congruo anticipo; la relazione va presentata almeno 5-cinque giorni lavorativi in anticipo rispetto alla data della prova orale.

“prova orale”: comprende una "breve prova scritta" (durata massima 1 ora) finalizzata all'accertamento degli elementi di base della materia seguita da una discussione dei risultati ottenuti nello svolgimento della prova pratica e da una prova orale di tipo tradizionale sugli argomenti sviluppati durante il corso.

Ciascuna prova concorre alla determinazione del voto finale nella misura del 50% e si considera superata se lo studente dimostra padronanza degli argomenti trattati, sufficiente capacità operativa e critica in relazione alle possibilità applicative dei processi studiati.

La "breve prova scritta" può contenere domande a risposta multipla e/o a risposta aperta. Punteggio massimo=8/30; punteggio minimo per il superamento=4.5/30. Il superamento della "breve prova scritta" è condizione necessaria per completare la prova orale.

Il progetto/elaborato può essere svolto a gruppi (max di 3 persone, preferibilmente di 2). La prova di esame, ivi inclusa la discussione del progetto, ha carattere strettamente individuale; ciascun componente del gruppo di progetto può sostenere l’esame in appelli e/o in periodi diversi.

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

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Serena Bandini