Podstawowe Procesy Jednostkowe – laboratorium

Ćw. 5 Separacje membranowe – wydzielanie produktu reakcji z mieszaniny reagentów

Wstęp teoretyczny: Procesy membranowe w swoim najbardziej rozpowszechnionym zastosowaniu należą do dużej grupy technik rozdzielania składników mieszanin ciekłych i gazowych. W zależności od właściwości membrany mogą służyć do rozdzielania cząstek o rozmiarach od dziesiątek μm do dziesiątych części nm. Procesy separacji membranowych posiadają wiele zalet, takich jak możliwość prowadzenia procesu w sposób ciągły, mogą być łączone z innymi procesami rozdzielania wstępnego, mogą być prowadzone w temperaturach otoczenia, nie ma potrzeby stosowania substancji dodatkowych. Ponadto procesy te są ekonomiczne, duża różnorodność dostępnych membran i proste sposoby ich modyfikacji pozwalają na łatwy dobór układu membranowego do konkretnych potrzeb. Na niekorzyść przemawia słaba selektywność oraz występowanie miejscowych zatężeń substancji. Procesy membranowe są głównie wykorzystywane do oczyszczania, np. emulsji i roztworów koloidalnych, do sterylizacji płynów czy do zmniejszania zasolenia wody.

Ćwiczenie A:

Średni wymiar porów w membranach ultra filtracyjnych.

Cel ćwiczenia: poznanie procesu separacji membranowej, obliczenie przepuszczalności hydraulicznej membrany oraz stopnia zatrzymania barwnika.

Wyniki dla doświadczalnego wyznaczania przepuszczalności hydraulicznej:

Lp.pomiaru	Objętość filtrowanej wody [cm^3]	Czas pomiaru [s]
1.	5	243
2.	5	252
Średnia z pomiarów	5	247,5

Wyniki dla stopnia zatrzymania barwnika:

	Oranż metylowy	Czerń całkowita
Steżeżenie początkowe [g/ dm^3]	0,1	0,1
Czas filtracji: [s]
1. pomiar	480	510
2. pomiar	480	516
Średni czas filtracji: [s]	480	513
Absorbancja permeatu	1,0654	0,2147
Stęzenie końcowe (odczytane z krzywej): [g/ dm^3]	0, 075	0,011

Przepuszczalność hydrauliczną J możemy obliczyć wg. wzoru:

$$J = \frac{V}{S \bullet t}\ \lbrack\frac{cm^{3}}{cm^{2} \bullet s}\rbrack$$

gdzie:

V = objętość filtrowanej wody [cm³]

S= powierzchnia czynna membrany [cm²]

t = czas pomiaru [s]

Powierzchnię czynną membrany możemy wyliczyć, ponieważ znamy jej średnicę: d = 5,88 cm, a więc r = 2,94 cm3

A = πr²

A =  π • 2, 94² = 27, 15 cm²

$$J = \frac{5}{27,15 \bullet 247,5} = 7,44 \bullet 10^{- 4}$$

Stopień zatrzymania barwnika R wyliczamy ze wzoru:

$$R = \left( 1 - \frac{C_{p}}{C_{o}} \right) \bullet 100\%$$

Dla oranżu metylowego:

$$R = \left( 1 - \frac{0,075}{0,1} \right) \bullet 100\% = 25\%$$

Dla czerni:

$$R = \left( 1 - \frac{0,011}{0,1} \right) \bullet 100\% = 89\%$$

Wnioski: Stopień zatrzymania barwnika jest duży wyższy dla czerni niż dla oranżu metylowego (ponad trzykrotnie). Potwierdzają to również obserwacje: permeat w przypadku oranżu metylowego jest mocniej zabarwiony niż w przypadku czerni. Permeat po separacji roztworu czerni jest niemal przezroczysty, a w przypadku oranżu wciąż jest pomarańczowy. Molekuły czerni muszą być w takim razie większe od molekuł oranżu. Ponieważ większość cząsteczek czerni nie została przepuszczona przez membranę, molekuły czerni są prawdopodobnie wielkości porów tej membrany albo większe. Stopień zatrzymania barwnika oraz przepuszczalność hydrauliczna to jedne z cech pozwalające opisać membranę o strukturze asymetrycznej porowatej.

Ćw. B

Separacja membranowa, wydzielenie produktu reakcji z mieszaniny reagentów. Dializa

Wyniki:

Zużyta ilość NaOH [cm^3]	3, 02
Czas trwania pomiaru [s]	3000
Średnica membrany w dializerze: [cm]	2,5
Stężenie jonu miedzi zmierzone metodą ASA
[mg/ dm^3]	0,30
[mol/ dm^3]	2, 36 • 10^−3

Strumień kwasu i soli można obliczyć ze wzoru:

$$J = \frac{C_{t}}{A \bullet t}\ \lbrack\frac{\text{mol}}{cm^{2} \bullet t}\rbrack$$

gdzie: C_t= stężenie jonu wodoru i miedzy, odpowiednio po czasie t w komorze prawej (liczba moli w 1 dm³)

t = czas trwania pomiaru [s]

A = powierzchnia czynna membrany [cm²]

Powierzchnię czynną membrany możemy wyliczyć, gdyż znamy jej średnicę: 2,5 cm. r=1,25 cm, a więc A:

A = πr²

A =  π • 1, 25 = 4, 91cm²

Dla mieszaniny: 1 M HCl + 1 M CuCl₂

Strumień dla kwasu:

Zmiareczkowano 3,02 cm² roztworu kwasu HCl wg. równania:

HCl + NaOH →  NaCl + H₂O

ponieważ roztwór NaOH był 0,05 M, to zużyliśmy $\frac{0,05\ \ \bullet 3,02}{1000} = 1,51 \bullet 10^{- 4}\ $mola NaOH, to jest równe liczności miareczkowanego kwasu. Aby uzyskać stężenie w 1 dm³, mnożymy liczność razy 50.

$$J_{k} = \frac{C_{t}}{A \bullet t} = \frac{1,51 \bullet 10^{- 4} \bullet 50}{4,91 \bullet 3000} = 5,13 \bullet 10^{- 7}$$

Strumień dla soli:

Stężenie miedzi wyniosło 15 mg/dm³. Przeliczamy wartość na stężenie molowe:

$$C_{t} = \frac{15 \bullet 10^{- 3}}{63,55} = 2,36 \bullet 10^{- 4}$$

$$J_{s} = \frac{C_{t}}{A \bullet t} = \frac{2,36 \bullet 10^{- 4}}{4,91 \bullet 3000} = 1,60 \bullet 10^{- 8}$$

Selektywność membrany liczymy ze wzoru:

$$S = \frac{J_{k}}{J_{s}} = \frac{5,13 \bullet 10^{- 7}}{1,60 \bullet 10^{- 8}} = 32,06$$

Dla mieszaniny: 1 M H₂SO₄ + 1 M CuSO₄

Strumień dla kwasu:

Zmiareczkowano 2,08 cm² roztworu kwasu HCl wg. równania:

H₂SO₄ + 2NaOH →  Na₂SO₄ + 2H₂O

ponieważ roztwór NaOH był 0,05 M, to zużyliśmy $\frac{0,05\ \ \bullet 2,08}{1000} = 1,04 \bullet 10^{- 4}\ $mola NaOH, a co jest dwa razy większą wartością od liczności kwasu, a więc liczność kwasu wynosi: 5, 2 • 10⁻⁵  . Aby uzyskać stężenie w 1 dm³, mnożymy liczność razy 50.

$$J_{k} = \frac{C_{t}}{A \bullet t} = \frac{7,55 \bullet 10^{- 5} \bullet 50}{4,91 \bullet 3000} = 1,77 \bullet 10^{- 7}$$

Strumień dla soli tym razem wyniósł 19,5 mg/dm³, a więc:

$$C_{t} = \frac{19,5 \bullet 10^{- 3}}{63,55} = 3,07 \bullet 10^{- 4}$$

$$J_{s} = \frac{C_{t}}{A \bullet t} = \frac{3,07 \bullet 10^{- 4}}{4,91 \bullet 3000} = 2,08 \bullet 10^{- 8}$$

Selektywność membrany liczymy ze wzoru:

$$S = \frac{J_{k}}{J_{s}} = \frac{5,13 \bullet 10^{- 7}}{2,08 \bullet 10^{- 8}} = 24,66$$

Wnioski:

Selektywność mieszaniny jest większa przy zastosowaniu mieszaniny 1 M HCl + 1 M CuCl₂. Być może wynika to z faktu, że wytwarza się więcej kationitów przy mieszaninie M H₂SO₄ + 1 M CuSO₄, co utrudnia wymianę jonów.