Ewelina Janiuś 199869

Tomasz Pawul 199877

Sprawozdanie

Temat: Separacje membranowe – wydzielanie produktu reakcji z mieszaniny reagentów

Wstęp

Procesy membranowe w swoim najbardziej rozpowszechnionym zastosowaniu należą do dużej grupy technik rozdzielania składników mieszanin ciekłych i gazowych.Jednym ze sposobów rozdziału mieszanin są procesy membranowe. Ich cechą charakterystyczną jest brak konieczności dostarczania ciepła do układu zawierającego rozdzielane substancje. Procesy membranowe dzielą się ze względu na rodzaj siły sprawczej na: ciśnieniowe, gdzie siłą sprawczą jest różnica ciśnień (mikrofiltracja, ultrafiltracja, nanofiltracja, odwrócona osmoza); stężeniowe, gdzie siłą sprawczą jest różnica stężeń (destylacja membranowa, separacja gazów, perwaporacja, dializa, procesy z membranami ciekłymi) i takie, w których siłą sprawczą jest różnica potencjałów (elektrodializa, elektroliza membranowa). Uogólniając, każdą membranę można traktować jako filtr przez który, przechodzi bez przeszkód co najmniej jeden ze składników rozdzielanej mieszaniny, podczas gdy inne są przez nią zatrzymywane. Roztwór kierowany do procesu separacji membranowej nazywany jest nadawą, roztwór przechodzący przez membranę – permeatem (filtrat), natomiast roztwór wzbogacony to retentat (koncentrat). Wykonywane ćwiczenie miało na celu zbadanie dwóch rodzajów procesów membranowych: ultrafiltracji i dializy dyfuzyjnej. Ultrafiltracja przebiega przy ciśnieniu nie większym niż 1 MPa, zatrzymując cząsteczki o rozmiarach powyżej 5 nm. Jest stosowana między innymi do uzdatniania wody i oczyszczania ścieków, oddzielania laktozy od serwatki, odzyskiwania enzymów, zatężania soków owocowych. W ultrafiltracji stosowane są membrany polimerowe o budowie porowatej i asymetrycznej. Dializa dyfuzyjna wykorzystuje różnicę szybkości dyfuzji rozdzielanych składników mieszaniny w membranie. Dializę dyfuzyjną używa się głównie do oczyszczania kwasów nieorganicznych oraz w hydrometalurgii do oczyszczania roztworów potrawiennych. W tym procesie stosowane są interpolimerowe membrany anionowymienne.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie przepuszczalności hydraulicznej oraz stopnia zatrzymania barwnika przez membranę do ultrafiltracji natomiast selektywności dla membrany do dializy dyfuzyjnej .

Budowa meru membrany stosowanej do ultrafiltracji (polisulfon Udel 1700):

Interpolimerowa membrana anionowymienna stosowana w dializie dyfuzyjnej:

polietylen // poli(styern-co-diwinylobenzen)

z podstawionym chemicznie pierścieniem benzenowym w polistyrenie grupą aminową:

Ultrafiltracja

• Obliczenie przepuszczalności hydraulicznej:

$$J = \frac{V}{S*t}\ \left\lbrack \frac{\text{cm}^{3}}{\text{cm}^{2}*s} \right\rbrack$$

V- objętość filtratu [cm³] (10 cm³)

S-powierzchnia czynna membrany [cm²] (27,81 cm²)

t - czas filtracji [s]

np. dla filtracji wody pod ciśnieniem 0,1 MPa t=515s

$$J = \frac{10}{27,81*515} = \mathbf{0,000698\ }\left\lbrack \frac{\mathbf{\text{cm}}^{\mathbf{3}}}{\mathbf{\text{cm}}^{\mathbf{2}}\mathbf{*s}} \right\rbrack$$

Zestawienie wszystkich wartości przepuszczalności hydraulicznej z czasem filtracji dla P= 0,1 MPa

	Czas filtracji [s]	Przepuszczalność hydrauliczna$\left\lbrack \frac{\text{cm}^{3}}{\text{cm}^{2}*s} \right\rbrack$
Woda destylowana	515	0,000698
Czerń bezpośrednia 1	452	0,000796
Czerń bezpośrednia 2	450	0,000799
Oranż metylowy 1	439	0,000819
Oranż metylowy 2	445	0,000808
Czerwień kongo 1	422	0,000852
Czerwień kongo 2	423	0,000850

Zestawienie wszystkich wartości przepuszczalności hydraulicznej z czasem filtracji dla P= 0,5 MPa

	Czas filtracji [s]	Przepuszczalność hydrauliczna$\left\lbrack \frac{\text{cm}^{3}}{\text{cm}^{2}*s} \right\rbrack$
Woda destylowana	432	0,000833
Czerń bezpośrednia 1	430	0,000836
Czerń bezpośrednia 2	431	0,000834
Oranż metylowy 1	465	0,000773
Oranż metylowy 2	462	0,000778
Czerwień kongo 1	430	0,000836
Czerwień kongo 2	440	0,000817

• Obliczenie stopnia zatrzymania barwnika

$$R = \left( 1 - \frac{\text{Cp}}{\text{Co}} \right)*100\%\backslash n$$

Co- stężenie barwnika w filtracie [g/cm³]

Zestawienie wartości stężeń barwnika po ultrafiltracji ze stopniem zatrzymania barwnika przez membranę ultrafiltracyjną

	P=0,1MPa	P=0,5MPa
Barwnik	stężenie barwnika po UF [g/dm^3]	stopień zatrzymania [%]
Czerń bezpośrednia	0,000202	99,8
oranż metylowy	0,002713	35,9
Czerwień kongo	0,001299	98,7

IV.Dializa dyfuzyjna

a)CuSO₄ + H₂SO₄

t [min.]	Konduktancja [mS]
0	0,0026
10	0,998
20	2,78
30	4,62
40	5,70
50	6,41
60	7,31
70	8,21
80	9,09
90	9,99
ASA
CCu^2+ [mg/dm^3]	0,34
(CCu^2+)x50	17
Miareczkowanie
VNaOH [cm^3]	8,8
CNaOH [mol/dm^3]	0,05

A = 4, 91 cm²

$${C_{H^{+}} = 4,4*10^{- 2}\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}\backslash n}{C_{\text{Cu}^{2 +}} = \frac{17\frac{\text{mg}}{\text{dm}^{3}}}{1000*63,546\frac{g}{\text{mol}}} = \mathbf{2,675*}\mathbf{10}^{\mathbf{- 4}}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}}$$

• Selektywności membrany

$$S = \frac{J_{k}}{J_{s}}$$

S – selektywność membrany
J_k – strumień kwasu
J_s – strumień soli

$$J_{k} = \frac{C_{H^{+}}}{A*t} = \frac{4,4*10^{- 2}\text{\ mol}}{4,91\text{cm}^{2}\ *90\ min.*60} = \mathbf{\ 1,660*}\mathbf{10}^{\mathbf{- 6}}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{cm}}^{\mathbf{2}}\mathbf{*s}}$$

$$J_{s} = \frac{C_{\text{Cu}^{2 +}}}{A*t} = \frac{2,675*10^{- 4}\text{\ mol}}{4,91\text{cm}^{2}*90\ min.*60} = \mathbf{1,009*}\mathbf{10}^{\mathbf{- 8}}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{cm}}^{\mathbf{2}}\mathbf{*s}}$$

$$S = \frac{1,660*10^{- 6}\frac{\text{mol}}{\text{cm}^{2}*s}}{1,009*10^{- 8}\frac{\text{mol}}{\text{cm}^{2}*s}} = \mathbf{164,5}$$

b)CuCl₂ + HCl

t [min.]	konduktancja wartość jednostka
0	0,203
10	1,270
20	1,904
30	2,503
40	3,110
50	3,670
60	4,390
70	4,880
80	5,510
90	6,090
ASA
CCu^2+ [mg/dm^3]	0,54
(CCu^2+)x50	27
Miareczkowanie
VNaOH [cm^3]	3,62
CNaOH [mol/dm^3]	0,05

$${\mathbf{C}_{\mathbf{H}^{\mathbf{+}}}\mathbf{= 0,0181\ mol/}\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}\backslash n}{\mathbf{C}_{\mathbf{\text{Cu}}^{\mathbf{2 +}}}\mathbf{=}\frac{27\frac{\text{mg}}{\text{dm}^{3}}}{1000*63,546\frac{g}{\text{mol}}} = \mathbf{4,249*}\mathbf{10}^{\mathbf{- 4}}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}}$$

V.Obliczenie selektywności membrany

$$S = \frac{J_{k}}{J_{s}}$$

S – selektywność membrany
J_k – strumień kwasu
J_s – strumień soli

$$J_{k} = \frac{C_{H^{+}}}{A*t} = \frac{1,81*10^{- 2}\text{\ mol}}{4,91\text{cm}^{2}*90\ min.*60} = \ 6,827*10^{- 7}\frac{\text{mol}}{\text{cm}^{2}*s}$$

$$J_{s} = \frac{C_{\text{Cu}^{2 +}}}{A*t} = \frac{4,249*10^{- 4}\text{\ mol}}{4,91\text{cm}^{2}*90\ min.*60} = 1,603*10^{- 8}\frac{\text{mol}}{\text{cm}^{2}*s}$$

$$S = \frac{6,827*10^{- 7}\frac{\text{mol}}{\text{cm}^{2}*s}}{1,603*10^{- 8}\frac{\text{mol}}{\text{cm}^{2}*s}} = \mathbf{42,6}$$

VI.Wnioski

W przypadku widać, że stopień zatrzymania barwnika na membranie jest największy dla czerni bezpośredniej a najmniejszy dla oranżu metylowego można było wywnioskować na podstawie barwy roztworu po filtracji - filtrat czerni bezpośredniej był całkowicie bezbarwny a oranż metylowy miał pomarańczowe zabarwienie. Spowodowane jest to rozmiarem cząsteczek.. Jeżeli chodzi o dializę dyfuzyjną zauważamy, że selektywność dla układu CuSO₄/H₂SO₄ jest około 4 razy wyższa niż w przypadku układu CuCl₂/HCl co spowodowane jest rozmiarem jonów. Jony siarczanowe są większe niż jony chlorkowe .