PODSTAWOWE PROCESY JEDNOSTKOWE W TECHNOLOGII CHEMICZNEJ- LABORATORIUM

Ćwiczenie 5

Data: 19.11.2014

Barbara Kazubek

Krystyna Białkowska

Karolina Dżus

Damian Honisz

Ćwiczenie A

Temat: Średni wymiar porów w membranach ultra filtracyjnych.

Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyki membrany (Polisulfon UDEL 1700) na podstawie przeprowadzonej ultrafiltracji i stosownych pomiarów.

Wyniki:

	nr	Czas przepływu cieczy
Woda destylowana 0,1g/l	1	5 min 04 s
	2	4 min 47 s
	3	4 min 50 s
Oranż metylowy 0,1g/l	1	4 min 54 s
	2	4 min 53 s
Czerwień Konko 0,1g/l	1	5 min 24 s
	2	5 min 23 s
Czerń bezpośre-dnia 0,1g/l	1	5 min 30 s
	2	5 min 27 s

Obliczenia:

Wnioski:

Ćwiczenie B

Temat: Separacja membranowa, wydzielenie produktu reakcji z mieszaniny reagentów.

Cel ćwiczenia: celem ćwiczenia jest przeprowadzenie procesu dializy dyfuzyjnej, wyznaczanie strumienia kwasu oraz soli przepływającego przez membranę anionowymienną, oraz wyznaczenie jej selektywności.

Przebieg ćwiczenia:

1. W dializerze została zamontowana membrana, będąca układem: polietylen// poli(styren-co-diwinylobenzen) z podstawionym chemicznie pierścieniem benzenowym w polistyrenie grupą aminową

2. W zlewce o pojemności 50 cm³, sporządzono 40 cm³ mieszaniny składającej się z:

3. M HCl + 1 M CuCl₂ (1:1 obj.) (grupa I) oraz 40 cm³ mieszaniny składającej się z:

1. M H₂SO₄ + 1 M Cu SO₄ (1:1 obj.) (grupa II),

1. Prawą komorę dializera napełniono 35 cm³ wody destylowanej,

2. Lewą komorę dializera napełniono 35 cm³ mieszaniny kwasu i soli,

3. Rozpoczęliśmy prowadzenie pomiaru. Odczyty dokonywaliśmy co 10 minut. Cały proces trwał 110 minut.

4. Po zakończeniu pomiaru do zlewki pobraliśmy strzykawką cały roztwór prawej komory

• 1 cm³ roztworu, przenieśliśmy do kolbki miarowej i dopełniliśmy do kreski do objętości 50 cm³. Metodą ASA zostało zmierzone stężenie miedzi.

W układzie Cl^-, Cu²⁺=0,75mg/dm³

W układzie SO₄^2-, Cu²⁺=0,65mg/dm³

• 10 cm³ roztworu przenieśliśmy do kolbki erlenmajerki i przeprowadziliśmy miareczkowanie 0,05M roztworem NaOH wobec błękitu bromotymolowego. Po osiągnięciu punktu równoważnikowego doszło do zmiany barwy z żółtej na zieloną.

V_NaOH= 5,75cm³ (grupa I, początkowa mieszanina HCl + CuCl₂)

V_NaOH= 7,16cm³ (grupa II, początkowa mieszanina H₂SO₄ + CuSO₄)

1. Po rozmontowaniu dializera i jego przemyciu zmierzyliśmy powierzchnię czynną membrany.

d=2,5cm (w obu przypadkach)

Wyniki:

Tabela 1. Wyniki pomiarów przewodności elektrycznej w czasie dla roztworu HCl/CuCl₂.

Lp.	t [min]	Przewodność elektryczna [mS]
1	0	0,3*10^-3
2	10	0,585
3	20	0,603
4	30	0,674
5	40	0,870
6	50	1,307
7	60	1,396
8	70	1,484
9	80	1,584
10	90	1,730
11	100	1,852
12	110	2,010

Rys. 1 Wykres zależności przewodności elektrycznej od czasu prowadzenia dializy dyfuzyjnej dla układu HCl, CuCl₂.

Obliczenia:

A – powierzchnia czynna membrany, cm²

A= πd²/4= 3,14*2,5²[cm²]/4= 4,91[cm²]

• Strumień soli (Js):

C_Cu2+= 0,75[mg/dm³] = 0,75*10^-3[g/dm³]/63,55[g/mol]= 11,80*10^-6[mol/dm³]

J_s= $\frac{C_{t}\lbrack mol\rbrack}{A \bullet t\lbrack\text{cm}^{2} \bullet s\rbrack}$= $\frac{11,80*10^{- 6}\lbrack mol\rbrack}{4,91*110*60\lbrack\text{cm}^{2}s\rbrack}$ = 3,64*10^-10 $\frac{\lbrack mol\rbrack}{\lbrack\text{cm}^{2} \bullet s\rbrack}$

• Strumień kwasu (Jk):

n_NaOH= c_NaOH*V_NaOH = 0,05[mol/dm³]*5,75*10^-3[dm³]= 2,875*10^-4mol

n_HCl = n_NaOH = 2,88*10^-4mol

c_HCl= n_HCl/ V_HCl = 2,88*10^-4mol/ 10*10^-3[dm³]= 2,88*10^-2[mol/dm³]

c_H+ = 2,88*10^-2[mol/dm³]

J_k= $\frac{C_{t}\lbrack mol\rbrack}{A \bullet t\lbrack\text{cm}^{2} \bullet s\rbrack}$= $\frac{2,88*10^{- 2}\lbrack mol\rbrack}{4,91*110*60\lbrack\text{cm}^{2}s\rbrack}$ = 8,87*10^-7 $\frac{\lbrack mol\rbrack}{\lbrack\text{cm}^{2} \bullet s\rbrack}$

• Selektywność membrany (S)

S= $\frac{J_{k}}{J_{s}} = \frac{8,87*10^{- 7}\ \frac{\lbrack mol\rbrack}{\lbrack\text{cm}^{2} \bullet s\rbrack}}{3,64*10^{- 10}\ \frac{\lbrack mol\rbrack}{\lbrack\text{cm}^{2} \bullet s\rbrack}}$= 2,44*10³

Tabela 2. Wyniki pomiarów przewodności elektrycznej w czasie dla roztworu H₂SO₄/CuSO₄

Lp.	t [min]	Przewodność elektryczna [mS]
1	0	0,02315
2	10	1,438
3	20	2,48
4	30	3,29
5	40	3,97
6	50	4,51
7	60	5,04
8	70	5,48
9	80	5,85
10	90	6,22
11	100	6,58
12	110	6,85

Rys. 2 Wykres zależności przewodności elektrycznej od czasu prowadzenia dializy dyfuzyjnej dla układu H2SO₄, CuSO₄.

Obliczenia:

A – powierzchnia czynna membrany, cm²

A= πd²/4= 3,14*2,5²[cm²]/4= 4,91[cm²]

• Strumień soli (Js):

C_Cu2+= 0,65[mg/dm³] = 0,65*10^-3[g/dm³]/63,55[g/mol]= 10,23*10^-6[mol/dm³]

J_s= $\frac{C_{t}\lbrack mol\rbrack}{A \bullet t\lbrack\text{cm}^{2} \bullet s\rbrack}$= $\frac{10,23*10^{- 6}\lbrack mol\rbrack}{4,91*110*60\lbrack\text{cm}^{2}s\rbrack}$ = 3,15*10^-10 $\frac{\lbrack mol\rbrack}{\lbrack\text{cm}^{2} \bullet s\rbrack}$

• Strumień kwasu (Jk):

n_NaOH= c_NaOH*V_NaOH = 0,05[mol/dm³]*7,16*10^-3[dm³]= 3,58*10^-4mol

n_HCl = n_NaOH = 3,58*10^-4mol

c_HCl= n_HCl/ V_HCl = 3,58*10^-4mol/ 10*10^-3[dm³]= 3,58*10^-2[mol/dm³]

c_H+ = 3,58*10^-2[mol/dm³]

J_k= $\frac{C_{t}\lbrack mol\rbrack}{A \bullet t\lbrack\text{cm}^{2} \bullet s\rbrack}$= $\frac{3,58*10^{- 2}\lbrack mol\rbrack}{4,91*110*60\lbrack\text{cm}^{2}s\rbrack}$ = 1,10*10^-6 $\frac{\lbrack mol\rbrack}{\lbrack\text{cm}^{2} \bullet s\rbrack}$

• Selektywność membrany (S)

S= $\frac{J_{k}}{J_{s}} = \frac{1,10*10^{- 6}\ \frac{\lbrack mol\rbrack}{\lbrack\text{cm}^{2} \bullet s\rbrack}}{3,15*10^{- 10}\ \frac{\lbrack mol\rbrack}{\lbrack\text{cm}^{2} \bullet s\rbrack}}$= 3,49*10³

Wnioski:

Po wykonaniu doświadczenia, polegającego na przeprowadzeniu procesu membranowego z użyciem membrany annionowymiennej, dla dwóch różnych roztworów HCl/CuCl₂ oraz H₂SO₄/CuSO₄ (ćwiczenie B), można zauważyć, że dla obu układów przewodność elektryczna roztworu w prawej części dializera, zwiększa się wraz z upływem czasu. Wzrost ten jest bardziej regularny dla roztworu drugiego. Co więcej, dla układu H₂SO₄/CuSO₄ wartości przewodności elektrycznej (w tym samym czasie pomiaru) są około cztery razy większe w porównaniu z układem HCl/CuCl₂.Oznacza to, że w układzie H₂SO₄/CuSO₄ większa ilość jonów została przetransportowana przez membranę.

Po przeprowadzeniu procesu i pomiarze stężenia miedzi metodą ASA, okazuje się, że jest ono większe w układzie Cl^-. Oznacza to, że w układzie tym więcej niepożądanych kationów miedzi, uległo transportowi przez membranę annionowymienną. Strumień soli przechodzący przez membranę w układzie Cl^- jest większy od strumienia soli przepływającego przez membranę w układzie SO₄^2-, co wpływa na ilość kationów miedzi w prawej komorze dializera.

W przypadku jonów H⁺, okazuje się, że większa ich ilość uległa transportowi przez membranę w układzie SO₄². Dlatego porównując strumienie kwasu przechodzące przez membranę w obu przypadkach, strumień ten jest większy w układzie SO₄^2-.

Można wywnioskować, że membrana w układzie SO₄^2- charakteryzuje się większa selektywnością, natomiast membrana w układzie Cl^- jest mniej selektywna.