Laura Stańco, 201579
Dominika Wasik, 212306
Krzysztof Wąs, 212236

Podstawowe procesy jednostkowe w Technologii Chemicznej
Ćwiczenie 5 – Sprawozdanie

1. Cel ćwiczenia – Wyznaczenie przepuszczalności hydraulicznej membrany stopnia zatrzymania membrany w procesie ultrafiltracji, oraz stopnia selektywności w dializie dyfuzyjnej .

2. Wstęp teoretyczny.

	SEPARACJA MEMBRANOWA	ULTRAFILTRACJA
Typ membrany	Anionowymienna (ładunek dodatni)	Asymetryczna o strukturze porowatej
Mechanizm reakcji	Przez membranę dyfundują aniony kwasowe i kationy wodorowe (duża dyfuzyjność; proton-jump)	Przenikanie przez membranę strumienia filtratu zawierającego wodę i cząsteczki mniejsze od wymiarów porów membrany (naskórka)
Siła napędowa	Różnica stężeń po obu stronach membrany	Różnica ciśnień po obu stronach membrany
Co rozdzielamy	Kwas(HCl) +sól(CuCl2); Kwas (H2SO4)+ sól (CuSO4)	Woda + barwnik
Strumień	Kwasu: $J = \frac{C_{t}}{\text{At}}$ $\lbrack\frac{\text{mol}}{\text{cm}^{3}s}\rbrack$	Wody: $J = \frac{V}{\text{St}}\ \lbrack\frac{\text{cm}^{3}}{\text{cm}^{2}s}\rbrack$
Stopień zatrzymania barwnika	-	$$R = \left( 1 - \frac{C_{p}}{C_{o}} \right)100\%$$
Selektywność membrany	$S = \frac{J_{K}}{J_{S}}$	-
Skład membrany	Poli(styren-co-diwinylobenzen)	Polisulfon UDEL-1700

nr pom.	objętość filtrowanej wody [cm^3]	czas pomiaru [s]
1	10	403
2	10	392
3	10	382
śr. pom	10	397.5

1. Wyznaczenie doświadczalnej przepuszczalności hydraulicznej

Przepuszczalność hydrauliczna J = V/S*t [cm³/ cm² *s]

3 pomiar odrzucono , nie wzięto pod uwagę w liczeniu średniej.

V – Objętość [cm³]
S – Powierzchnia czynna membrany (S= 3,14 *3,03^2= 28,828026 [cm²])
t – Czas [s]

J= 10/(28,828026*397,5)= 0.000872666 cm³/ cm² *s

1. Wyznaczenie krzywych wzorcowych absorbancji roztworów.

	oranż metylowy	czerń bezpośrednia	czerwień kongo
dł. fali	465 nm	580 nm	497 nm
stężenie	0,01	0,02	0,03
ABS	0,756	1,510	2,798

1. Wyniki pomiarów i obliczenia dla procesu ultrafiltracji.

Ultrafiltracja
stężenie pocz. [g/cm^3]
Czas filtracji [s]
1 pomiar
2 pomiar
Średni czas filtracji [s]
Absorbancja Permeatu [nm]
Stęż. Barwnika w permeacie [ g/l]
Stopień zatrzymania barwnika [%]

1. Przykładowe obliczenie zawartości barwnika w permeacie.
   Oranż:
   y = 102.1x - 0.354

X= (1,179+0,354)/102,1 = 0,0150 [g/dm³]

1. Przykładowe obliczenie stopnia zatrzymania barwnika dla oranżu.
   Stopień zatrzymania barwnika :
   R= (1-Cp/Co) *100 %
   R= (1-0.075/0.1)*100% = 25%

Czas [min.]	Przewodnictwo [mS]
0	0,1278
10	0,1553
20	3,40
30	3,54
40	3,55
50	3,65
60	3,82
70	3,92
80	3,95
90	4,00

1. Dializa Dyfuzyjna – Pomiar przewodnictwa permeatu w zależności od czasu trwania dializy.
   Układ H₂SO₄/CuSO₄ Układ HCl/CuCl₂

Czas [min.]	Przewodnictwo [mS]
3	0,32
13	0,94
23	1,56
33	2,14
43	2,75
53	3,38
63	3,92
73	4,50
83	5,09
93	5,68
103	6,10

1. Wykresy zależności przewodnictwa od czasu trwania procesu dla dwóch układów mieszanin.

2. Obliczenie selektywności membrany w dializie.

	Układ z HCl	Układ z H2SO4
Stężenie miedzi (metoda ASA)	0,64 mg/l = 5.04 · 10^-4 M	0,65 mg/l = 5.11 · 10^-4 M
Stężenie kwasu	0,01598 M	Niewykonane miareczkowanie
Strumień soli	1,72 · 10^-5 mol/(cm^3·s)	1,75 · 10^-5 mol/(cm^3·s)
Strumień kwasu	5,47 · 10^-4 mol/(cm^3·s)	-
Selektywność membrany	31,80	-

1. Przykładowe obliczenia
   Strumień soli/kwasu:
   J= C/(A·t)
   C – Stężenie kwasu/soli w roztworze po czasie t [mol/l]
   A – powierzchnia membrany [cm²]
   t – czas prowadzenia dializy [s]
   
   T=6000s d=2,49 cm

A=

V=3,195 cm3 n=0,05·3,195·=1,598·

C=n/V=(1,598·10^-4)/(10·10^-3)=0,01598M

M =63,53

C=50·0,64=32 =5,04·

J=

J=

S =

1. Wnioski:

1. Dla przeprowadzonego procesu ultrafiltracji:

Wyznaczyliśmy przepuszczalność hydrauliczną dla wody która wyniosła 0.000872666 cm³/ cm² *s , ten wynik określa nam zdolność stosowanej przez nas membrany do przepuszczania płynów przez co możemy ustalić jakość danej membrany oraz jej przydatność do wykonywania konkretnych pomiarów w procesie filtracyjnym , otrzymana dana pokrywa się z danymi literaturowymi przepuszczalności wody w temperaturze pokojowej.

Stopień zatrzymania barwnika jest większy dla czerwieni Kongo niż dla oranżu. Permeat w przypadku oranżu był bardziej zabarwiony niż czerwieni Kongo przez co możemy wysnuć wniosek , że wielkości cząstek oranżu są mniejsze niż czerwieni Kongo przez co więcej barwnika przeszło przez membranę i otrzymaliśmy intensywniejszą barwę permeatu. Stopień zatrzymania jak i przepuszczalność hydrauliczna to jedne z cech służących do opisu membrany asymetryczno porowatej.

1. Dla przeprowadzonego procesu dializy:

Analizując wykonane doświadczenie możemy określić selektywność badanej membrany, której wartość wyniosła 31,80. Skok przewodnictwa na początku pomiaru spowodowany był opóźnionym włączeniem mieszania. Selektywność jest wartością określającą efektywność procesu filtracji, używanego w celu rozdzielenia kwasu od soli (procesy hydrometalurgiczne). Jest to membrana anionowymienna, przez którą dyfundują aniony kwasowe i kationy wodorowe. Nie możemy porównać selektywności wykazywanej przez membranę dla układu HCl+CuCl₂ z selektywnością dla układu H₂SO₄+CuSO₄ z powodu niewykonanego dla drugiego przypadku miareczkowania z użyciem NaOH (przez nieszczelność membrany dializa zaszła nieprawidłowo). Teoretycznie rozważając ten problem, przy jednakowym stężeniu molowym użytych kwasów, w procesie dysocjacji w pierwszym przypadku powstaje jeden kation H⁺, natomiast w drugim 2 kationy. Większe stężenie kationów w drugim układzie determinuje wzrost wartości strumienia kwasu, a przez to większą selektywność membrany. Niestety nie udało się eksperymentalnie sprawdzić tej teorii.