Dyfuzyjne

techniki

separacji

membranowej

Dyfuzyjne techniki separacji

membranowej

Separacja

składników

rozdzielanej

mieszaniny

zachodzi pod wpływem

różnicy stężenia (C

i,N

> C

i,P

)

w

roztworach

ciekłych

po

obu

stronach

membrany

lub

różnicy ciśnienia cząstkowego

(p

i,N

>p

i,P

)

składników w przypadku rozdzielania

mieszanin gazowych:

2

Koncentrat

Retentat

Membrana

Permeat

Nadawa:

i,j

C

i,N

C

i,P

i

p

i,P

p

i,N

 Jeden

ze

składników

mieszaniny

jest

preferencyjnie

transportowany

przez

membranę.

 Dyfuzja

jest podstawowym mechanizmem

transportu substancji (masy) przez membranę.

C

i,N

> C

i,P

p

i,N

>p

i,P

Dyfuzja

Dyfuzja jest to zatem proces samorzutnego
przepływu (migracji) materii w kierunku
przeciwnym do gradientu stężenia w układzie
jednofazowym i dwu- lub wielo-składnikowym.

Zgodnie z II zasadą termodynamiki proces przebiega do
osiągnięcia stanu równowagi, tj. do wyrównania stężeń.

Ważną właściwością materii jest ruch molekularny w gazach i
cieczach, czyli transport substancji, czy też transport materii.
Proces ten nazywa się

dyfuzją

.

dC/dx - gradient stężenia

wzdłuż osi X

dC/dx

x

C

i

C

i

=0

strumień materii

- strumień materii, tj. liczba cząstek lub masa
przenoszona (m) przez metr kwadratowy (S) w jednostce
czasu (t)

Miarą szybkości dyfuzji jest jego

strumień

J

i

,

czyli

ilość

przechodząca

przez

jednostkę

powierzchni w jednostce czasu -

dt

dm

s

1

J

i

i

=

J

i

3

Przepływ

masy

składnika

i,

J

i

,

zmierzający do wyrównania stężenia
tego składnika w całym układzie, a więc
zmierzający

do

osiągnięcia

stanu

równowagi, jest wprost proporcjonalny
do

wielkości

gradientu

stężenia

składnika i:

D

i

– współczynnik dyfuzji [cm

2

/s], [m

2

/s];

oznacza masę substancji, która przedyfunduje
przez powierzchnię 1 cm

2

w ciągu 1 sek pod

wpływem gradientu stężenia: 1 g·cm

-3

/cm.

I prawo
Ficka:

dx

dC

D

J

i

i

i

-

=

4

Stosowanie pierwszego prawa Ficka w praktyce jest szczególnie
proste w tych przypadkach, gdy zachowana jest

stałość

gradientu stężenia

.

t

i

i

x

i

x

C

D

t

C





































2

2

II prawo Ficka –

opisuje szybkość zmiany stężenia w

określonym punkcie układu w wyniku dyfuzji:

Zmiana stężenia w czasie w
określonym punkcie x jest równa
iloczynowi

pochodnej

gradientu

stężenia

względem

odległości

i

współczynnika dyfuzji.

Uzyskanie natomiast danych o przestrzennym i czasowym
rozkładzie stężeń umożliwia drugie prawo Ficka.

dC/d
x

x

C

i

C

i

=0

strumień materii

Dyfuzja

Współczynnik dyfuzji (D) kulistej cząsteczki o

promieniu r

jest powiązany w prosty sposób z

lepkością

()

zależnością

Einsteina-

Smoluchowskiego :

r

T

k

D

B



6



Rośnie natomiast znacznie ze wzrostem

temperatury

,

gdyż ze wzrostem temperatury zwiększa się energia
kinetyczna cząsteczek, a tym samym ich ruchliwość:

RT

E

0

a

e

D

D





k

B

– stała Bolzmana

T - temperatura

E

a

– energia aktywacji

(rozpuszczania, przeniesienia)

T – temperatura, R – stała gazowa

5

Czyli współczynnik dyfuzji (D) maleje ze wzrostem
promienia cząstki i

lepkością

.

Współczynnik dyfuzji w
niektórych roztworach
wodnych
NaCl 1,39·10

-5

m

2

/s

maltoza

0,42·10

-5

m

2

/s

białko osocza 0,06

·

10

-5

m

2

/s

ureaza 0,035

·

10

2

/s

D

0

- maksymalny współczynnik

proporcjonalności dyfuzji (w
nieskończenie wysokiej
temperaturze)

6



Dializa,



Separacja gazów/par,



Perwaporacja,



Kontaktory membranowe:

destylacja membranowa,

membrany ciekłe – ekstrakcja
membranowa,

absorpcja membranowa.

Dyfuzyjne techniki

separacji membranowej

Dializa

jest

procesem

rozdziału,

w

którym

wykorzystuje się

różnice

w

szybkości

dyfuzji

składników

roztworu

ciekłego

zgodnie

z

prawem dyfuzji Ficka,

Dializa

 Dializa klasyczna –

substancja chemiczna dyfunduje poprzez

membranę

obojętną

dzięki różnicy stężeń roztworów po obu jej

stronach

.

 Dializa dyfuzyjna

- (diffusion dialysis)

Proces separacji wywołany różnicą stężeń, wykorzystujący

różnicę szybkości dyfuzji rozdzielanych składników mieszaniny
w

membranie jonowymiennej.

 Dializa Donnana

- (Donnan dialysis)

Proces usuwania/zatężania danego jonu z wykorzystaniem

monopolarnej

membrany

jonowymiennej

,

oparty

na

równowadze Donnana i

interdyfuzji

.

7

ale również różnice współczynników podziału w materiale
membrany. Jest to ogólna zasada

mechanizmu transportu

dyfuzyjno-rozpuszczalnościowego,

uwzględniającego

zarówno cechy dynamiczne cząsteczek rozdzielanych jak i
ich specyficzne oddziaływania z materiałem membrany.

Dializa klasyczna

Dializa klasyczna

– substancja chemiczna

dyfunduje

poprzez membranę

obojętną

dzięki

różnicy stężeń

roztworów po obu jej stronach.

Przez membranę porowatą

przenikają cząsteczki wody

oraz substancji małocząsteczkowych lub jony

,

natomiast

substancje

wielkocząsteczkowe

lub

koloidalne są zatrzymywane.

Roztwór oczyszczony

Dializat (woda)

membrana

Roztwór zasilający

Koloid + elektrolit

C

i,N

>

C

i,P

C

i,N

C

i,P

i

8

9

Od czego zależą parametry mające wpływ na szybkość i
selektywność w procesie dializy?



Od właściwości roztworów i membrany

- rozpuszczalność składników w membranie i

współczynnik dyfuzji

- fizykochemiczne właściwości przenikających

składników

- charakter materiału membrany



Od warunków prowadzenia procesu: temperatura,
ciśnienie i stężenie roztworów

- Regenerowana celuloza i octan

celulozy

- Alkohol poliwinylowy

- Kwas

poliakrylowy

i

inne

polimery

W dializie klasycznej

membrana

zbudowana jest z

hydrofilowego polimeru

obojętnego chemicznie, o

budowie symetrycznej, bez mierzalnych porów:

10

Dializa

jest

najczęściej stosowana
do

rozdziału

substancji
małocząsteczkowych
od
wielkocząsteczkowyc
h (mechanizm taki
jest oparty na różnicy
wielkości cząstek).

ZASTOSOWANIE DIALIZY:

HEMODIALIZA

–

(układ membranowy
stanowi

sztuczną

nerkę,

zdolną

do

usuwania

z

krwi

małocząsteczkowych
substancji
toksycznych

jak:

mocznik,

kreatyna,

fosforany,

kwas

moczowy. Stosuje się
membrany w formie
włókien kapilarnych z
materiałów które są
tolerancyjne

przez

składnik krwi.

 OCZYSZCZANIE ŁUGU SODOWEGO

OD HEMICELULOZ W PROCESIE
WISKOZOWYM

 USUWANIE ALKOHOLU Z PIWA
 OCZYSZCZANIE ROZTWORU CUKRU

W JEGO PRODUKCJI PRZEMYSŁOWEJ