Data przeprowadzonego ćwiczenia: 14.11.2012

Data oddania sprawozdania: 21.11.2012

Podstawowe procesy jednostkowe w technologii chemicznej – laboratorium.

Separacje membranowe – wydzielanie produktu reakcji z mieszaniny reagentów.

Ćwiczenie A: Średni wymiar porów w membranach ultrafiltracyjnych.

1. Cel ćwiczenia :

Zapoznanie się z budową i podziałem membran oraz wyznaczenie charakterystycznych dla nich parametrów. Zbadanie membrany z politlenku fenylowego. Określenie porowatości ogólnej membrany poprzez ustalenie masy membrany spęczniałej oraz suchej, przepuszczalności hydraulicznej membrany poprzez pomiar czasu przepływu strumienia wody. Wyznaczenie średniego wymiaru porów z równania Hagen- Poiseuille oraz stopnia zatrzymania barwnika przez badaną membranę dla oranżu metylowego, czerni bezpośredniej oraz czerwieni kongo.

1. Wstęp teoretyczny:

Ultrafiltracja jest techniką membranową wykorzystującą różnicę ciśnień jako siłę napędową procesu. Pozwala ona na separacje substancji wielkocząsteczkowych i koloidalnych. Stopień usunięcia cząstek określany jest przez wielkość porów membrany. Substancje, których cząsteczki są większe niż pory membrany są zatrzymywane na filtrze. Substancje, których cząsteczki są mniejsze niż pory membrany są częściowo usuwane, w zależności od budowy membrany. Pory membran ultrafiltracyjnych zatrzymują cząsteczki o wielkości 0.001 – 0.1 µm. W procesie ultrafiltracji stosuje się membrany asymetryczne charakteryzujące się niejednolitą strukturą w przekroju poprzecznym. Asymetryczne membrany mikroporowate zbudowane są z matrycy (o grubości 50 - 200 µm), posiadającej strukturę porowatą o jednakowej lub zróżnicowanej wielkości porów oraz warstwy naskórkowej (o grubości 0,1 –

0,5 µm), która decyduje o własnościach membrany. Mała grubość warstwy naskórkowej umożliwia uzyskanie wysokiej przepuszczalności hydraulicznej, natomiast jej porowatość świadczy o selektywności membrany. Większość membran ultrafiltracyjnych stosowanych na skalę przemysłową jest preparowana z polimerów (np. polisulfonu, poliakrylonitrylu, pochodnych celulozy, poliamidów) metodą inwersji faz często modyfikowanych chemicznie lub fizycznie.

Mechanizm filtracji membranowej

1. Wyniki pomiarów i obliczenia.

• Obliczenie porowatości ogólnej E

$$E = \ \frac{ms - mo}{\text{ms}}$$

Objaśnienie symboli :

m_s- masa membrany spęczniałej(mokrej) [g]

m_o- masa membrany suchej [g]

m_n –masa naczynka [g]

Pomiary:

	Grupa 1	Grupa 2
ms [g]	0,21495	0,20155
mo [g]	0,08160	0,08609

m_n= 30,52470 [g]

m_s= 30,73965-30,52470=0,21495 [g]

m_o= 30,60630-30,52470=0,08160 [g]

$$E_{1} = \frac{ms - mo}{\text{ms}} = \ \frac{0,21495 - 0,08160}{0,21495} = 0,62$$

• Obliczenie przepuszczalności hydraulicznej J

1. woda

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

Objaśnienie symboli:

V-objętość filtrowanej wody [cm³]

S- powierzchnia czynna membrany [cm²]

t- czas pomiaru[s]

d- średnica membrany [cm]

Pomiary:

V=10cm³

	Grupa 1	Grupa 2
t1 [s]	744	897
t2 [s]	719	874
t (tśr) [s]	731,5	886
d [cm]	5,81	5,81

$$t\left( t_{sr\ } \right) = \ \frac{t_{1} + t_{2}}{2} = \frac{744 + 719}{2} = 731,5\ \lbrack s\rbrack$$

$$S = \frac{\text{π\ }d^{2}}{4} = \frac{3,14 \times {5,81}^{2}}{4} = 26,498 \cong 26,5\ {\lbrack cm}^{2}\rbrack$$

$$J = \frac{V}{S \times t} = \frac{10}{26,5 \times 731,5} = 5,158 \times 10^{- 4} \cong 5,16 \times 10^{- 4}\lbrack\frac{\text{cm}^{3}}{\text{cm}^{2}s}\rbrack$$

1. oranż metylowy

	Grupa 1	Grupa 2
t1 [s]	698	835
t2 [s]	680	842
t (tśr) [s]	689	839
d [cm]	5,81	5,81

$$t\left( t_{sr\ } \right) = \ \frac{t_{1} + t_{2}}{2} = \frac{698 + 680}{2} = 689\ \lbrack s\rbrack$$

$$J = \frac{V}{S \times t} = \frac{10}{26,5 \times 689} = 5,477 \times 10^{- 4} \cong 5,48 \times 10^{- 4}\lbrack\frac{\text{cm}^{3}}{\text{cm}^{2}s}\rbrack$$

1. czerń bezpośrednia

t1 [s]	766
t2 [s]	796
t (tśr) [s]	781

$$t\left( t_{sr\ } \right) = \ \frac{t_{1} + t_{2}}{2} = \frac{766 + 796}{2} = 781\ \lbrack s\rbrack$$

$$J = \frac{V}{S \times t} = \frac{10}{26,5 \times 781} = 4,832 \times 10^{- 4} \cong 4,83 \times 10^{- 4}\lbrack\frac{\text{cm}^{3}}{\text{cm}^{2}s}\rbrack$$

• Obliczenie średniego wymiaru porów r z równania Hagen-Poiseuille:

$$r = \frac{8 \times J \times d \times \eta}{p \times E}\ \lbrack nm\rbrack$$

Objaśnienie symboli:

J- przepuszczalność hydrauliczna$\lbrack\frac{\text{cm}^{3}}{\text{cm}^{3}s}\rbrack$

d- grubość membrany [cm]

η- lepkość wody [Ns/m²] (pod p_atm. i w temp.=20ºC)

p- ciśnienie [N/m²] (p_atm. )

E-porowatość ogólna

	Grupa 1	Grupa 2
J	5, 16 × 10^−4	4,26×10^−4
d	6 × 10^−3
η	1, 0 × 10^−3
P	1, 013 × 10^5
E	0, 62	0,57

$$r = \frac{8 \times 5,16 \times 10^{- 4} \times 6 \times 10^{- 3} \times 1,0 \times 10^{- 3}}{1,013 \times 10^{5} \times 0,62} = 3,943 \times 10^{- 13} \cong 6,28\lbrack nm\rbrack$$

• Obliczenie stopnia zatrzymania barwnika R:

$$R = (1 - \frac{\text{Cp}}{\text{Co}}) \times 100\%$$

Objaśnienie symboli:

Co- stężenie początkowe barwnika [g/dm³]

Cp- stężenie barwnika w permeacie(filtracie) [g/dm³]

A-absorbancja

	Oranż metylowy(gr1)	Oranż metylowy (gr2)	Czerń bezpośrenia	Czerwień Kongo
Co	0,1	0,1	0,1	0,1
A	1,0602	1,1483	0,0028	0,0535
Cp	0,076	0,0925	0,00150	0,00120

Obliczenia dla oranżu metylowego:

Cp=Cp(odczytane)×5=0,0152×5=0,076

$$R = \left( 1 - \frac{0,076}{0,1} \right) \times 100\% = 24\%$$

Obliczenia dla czerni bezpośredniej:

$$R = \left( 1 - \frac{0,00150}{0,1} \right) \times 100\% = 98,5\%$$

Obliczenia dla czerwieni Kongo:

$$R = \left( 1 - \frac{0,00120}{0,1} \right) \times 100\% = 98,8\%$$

1. Zestawienie wyników dla obu grup.

	grupa1	grupa2
Porowatość ogólna E	0,620	0,573
Przepuszczalność hydrauliczna J dla wody	$$5,16 \times 10^{- 4}\lbrack\frac{\text{cm}^{3}}{\text{cm}^{2}s}\rbrack$$	$$4,26 \times 10^{- 4}\lbrack\frac{\text{cm}^{3}}{\text{cm}^{2}s}\rbrack$$
Przepuszczalność hydrauliczna J dla oranżu metylowego	$$5,48 \times 10^{- 4}\lbrack\frac{\text{cm}^{3}}{\text{cm}^{2}s}\rbrack$$	$$4,49 \times 10^{- 4}\lbrack\frac{\text{cm}^{3}}{\text{cm}^{2}s}\rbrack$$
Przepuszczalność hydrauliczna J dla czerwieni Kongo	---------------------------	$$4,28 \times 10^{- 4}\lbrack\frac{\text{cm}^{3}}{\text{cm}^{2}s}\rbrack$$
Przepuszczalność hydrauliczna J dla czerni bezpośredniej	$$4,83 \times 10^{- 4}\lbrack\frac{\text{cm}^{3}}{\text{cm}^{2}s}\rbrack$$	--------------------------------
Stopień zatrzymania barwnika R dla oranżu metylowego	24%	7,5%
Stopień zatrzymania barwnika R dla czerwieni kongo	----------------------------	98,8%
Stopień zatrzymania barwnika R dla czerni bezpośredniej	98,5%	------------------------------
Średni wymiar porów	6,28 nm	5,93 nm

1. Wnioski:

Można zauważyć znaczną różnicę przepuszczalności membran w stosunku do analizowanego barwnika. Membrana użyta w doświadczeniu nie jest odpowiednią do separacji barwnika jakim jest oranż metylowy ( R wynosi od 7,5% do 24% ). Potwierdzeniem wyników obliczeń są również obserwacje podczas wykonywania doświadczenia. Permeat po filtracji oranżu był nadal pomarańczowy, membrana nie zatrzymywała więc barwnika w wystarczającym stopniu. Świadczy to o tym iż wymiar cząsteczek oranżu metylowego był mniejszy niż wymiar porów membrany. Membrana ta nadaje się z kolei do separacji takich barwników jak czerwień Kongo oraz czerń bezpośrednia. W permeacie nie pojawia się zabarwienie, membrana zatrzymuje barwnik w bardzo dobrym stopniu ( 98,5% dla czerni bezpośredniej oraz 98,8% dla czerwieni Kongo). Barwniki te zawierają więc cząsteczki o porównywalnym i większym wymiarze cząsteczek od wymiaru porów membrany. O właściwościach separacyjnych membrany świadczy zarówno porowatość jak i wielkość porów. Dla membrany badanej przez moją grupę jak i grupę pracującą na stanowisku obok wartości te są zbliżone ( wymiar porów 6,28 nm oraz 5,93 nm, porowatość ogólna 0,62 oraz 0,573). Właściwości transportowe membrany określane są przez przepuszczalność hydrauliczną J. Wartości przepuszczalności hydraulicznej są zbliżone dla membran badanych przez obie grupy.