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 è indirizzato agli allievi delle lauree magistrali in ingegneria ambientale e 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 tecnologia e della ingegneria dei processi a membrana, ponendo particolare enfasi sulle applicazioni, sullo sviluppo di processo e sugli elementi fondamentali per la progettazione degli impianti.

Per gli allievi ingegneri ambientali, il corso intende fornire i fondamenti delle tecnologie a membrana e gli elementi di base per la progettazione e la conduzione degli impianti; illustra i principali processi industriali finalizzati prevalentemente al recupero ed alla valorizzazione delle risorse idriche ed energetiche.

Per gli allievi ingegneri chimici, il corso intende fornire i fondamenti delle tecnologie a membrana e gli elementi di base per la progettazione di dettaglio e la conduzione degli impianti; illustra i principali processi industriali e/o emergenti per l’industria di processo e alimentare, finalizzati al recupero di prodotti, al trattamento dei reflui ed alla valorizzazione delle risorse idriche ed energetiche rinnovabili.

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 (per almeno 15/20 ore di attività frontale) 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 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 (con elementi di base di trasporto di materia) acquisibili nei corsi di base della laurea triennale, ha una generale conoscenza dei problemi e delle tecnologie convenzionali per l’abbattimento di inquinanti in correnti liquide e/o gassose e del trattamento di reflui civili ed industriali.

Programma e contenuti

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

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

UNITA’ 2. Membrane e moduli (per tutti gli allievi)

Membrane polimeriche e ceramiche ed analisi delle principali tecniche di produzione (cenni). Parametri e principali tecniche di caratterizzazione (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. (diversificato per allievi chimici e ambientali)

Descrizione dei processi di Osmosi Inversa (OI), Nanofiltrazione (NF), Ultrafiltrazione (UF) e Microfiltrazione (MF); elenco dei principali campi di applicazione e confronto con 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” e modello delle resistenze per UF e MF; concetto di pressione critica, flusso limite, critico e flusso sostenibile nella UF e nella MF. Effetto delle condizioni operative sulle prestazioni del processo e sui parametri di membrana. Calcoli previsionali di prestazioni di membrane con il modello soluzione-diffusione e con un modello a 3 parametri. Lo sporcamento: caratteristiche e principali contromisure.

UNITA’ 4. Impianti a membrana. (diversificato per allievi chimici e ambientali)

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. (diversificato per allievi chimici e ambientali)

Esempi di analisi di dati sperimentali relativi alla caratterizzazione di membrane e di moduli per RO, NF e UF.  Esempio di sviluppo di processo e progettazione di un impianto di OI per produzione di acqua potabile con l'ausilio di simulatori disponibili in letteratura. Esempio di progettazione di impianto da OI/UF a stadi in configurazione “feed&bleed”. Il funzionamento in Diafiltrazione.

Impianti di dissalazione: aspetti generali ed esempio di sistemi per il recupero di energia (lo 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.

Schema a membrane sommerse e a membrane esterne e confronto con il processo convenzionale a fanghi attivi: membrane e problematiche di gestione degli impianti (sporcamento, back-flushing, lavaggi). Esempi.

UNITA’ 7. Tecniche di separazione “pressure-driven” di miscele gassose (diversificato per allievi chimici e ambientali)

Aspetti generali e descrizione dei processi a membrana per separazione di gas e di vapori: elenco dei principali campi di applicazione e confronto con processi convenzionali di riferimento. Parametri di membrana, di processo e di impianto: il ruolo 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 in ossigeno), 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).

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, il recupero di acque industriali, la conversione di Sali nell’acido e nella base corrispondenti.

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. Esempi applicativi.

Processi emergenti e/o minori: la Nanofiltrazione di Solventi Organici (OSN), 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)”. Il materiale presenta un’analisi critica di svariati argomenti tipicamente reperibili su testi monotematici e/o su riviste scientifiche specializzate
• 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. Almeno due lezioni verranno svolte esclusivamente presso il laboratorio.

Alcune lezioni (per almeno 16 ore di attività frontale) 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.

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; la lode verrà assegnata con punteggi superiori a 30, solo nel caso in cui le prove abbiano evidenziato una eccellente padronanza della materia.

Occorre iscriversi nella lista aperta in Almaesami

“prova pratica”

Consiste nella presentazione di una relazione scritta (corredata dei corrispondenti programmi di calcolo utilizzati/sviluppati) 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 mediamente alle prime 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 dovrebbe essere svolta a gruppi, preferibilmente composti da 2/3 allievi-preferibilmente 2). E' richiesto di presentare la relazione firmata con almeno 5 (cinque) giorni lavorativi di anticipo rispetto alla data di esame finale. Non è possibile rivedere la relazione dopo che essa è stata valutata.

Ciascun componente del gruppo di progetto può sostenere la prova scritta dell’esame finale 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 finale, nella modalità "in presenza"; tempo indicativo richiesto = 2 ore e 30 minuti, flessibili. E’ suddivisa in due parti:

1. 18 domande a risposta multipla (quiz) 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 "Esami On Line".
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.

La prova scritta è' di norma svolta in uno dei laboratori di informatica della facoltà, ma, in caso di necessità, potrebbe essere richiesto l'utilizzo del proprio computer portatile. E’ preferibile evitare l’uso di tablet. Durante la “prova scritta” non è consentita la consultazione di appunti né di altri testi specifici. A seconda del tipo di esercizio da svolgere, può essere fornito un formulario. All’appello verrà richiesta la consegna di tutti i dispositivi di telefonia mobile.

Il regolamento di esame è riportato anche in maniera dettagliata negli appunti del docente. Per ogni aspetto non citato fa fede il Regolamento didattico di Ateneo vigente.

Strumenti a supporto della didattica

Il materiale didattico presentato, gli appunti del docente, i files pdf delle lezioni svolte su tablet verranno messi a disposizione degli studenti esclusivamente come “materiale riservato agli studenti iscritti al corso” sulla piattaforma VLE dell’Ateneo di Bologna e verrà protetto da password. Lo studente deve considerare il materiale come riservato e personale: non è autorizzata la divulgazione né la riproduzione per fini diversi dallo studio individuale del materiale del corso, né in parti né per intero.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Serena Bandini