UKŁADY HETEROGENICZNE |
---|
Układ makrodyspersyjny |
Układ mikrodyspersyjny |
UKŁADY HOMOGENICZNE |
Układ koloidalny |
Roztwory molekularne |
Roztwory jonowe |
TECHNIKI SEPARACJI
dodatkowe procesy jednostkowe
różnica ciśnień Δp | różnica stężeń ΔC |
---|---|
|
|
ROZDZIELANIE MECHANICZNE
cedzenie sedymentacja filtracja flotacja
grawitacyjna wirówkowa w hydrocyklonie
grawitacyjna próżniowa ciśnieniowa wirówkowa
selektywność
ZAWIESINY – układ ciało stałe - ciecz
monodyspersyjna – jeden rodzaj cząsteczek dotyczy rodzaju
polidyspersyjna – więcej niż jeden rodzaj ciała stałego
jednorodna – większość jest jednego rodzaju dotyczy jakich gabarytów
niejednorodna – mniejsze i większe cząsteczki jest to ciało stałe - postać
Zawiesina monodyspersyjna to niejednorodna. (Silna adhezja, część cząsteczek zlepiona, a część oddzielnie pływająca).
Polidyspersyjność powoduje to, że zawiesina nie jest niejednorodna.
zawiesina rozcieńczona < 10% objętości ciała stałego ilość ciała stałego
zawiesina zagęszczona > 70% objętości ciała stałego które pływa
ε – porowatość zawiesiny – udział objętościowy cieczy w zawiesinie cieczy
całej mieszaniny
φ – udział objętościowy ciała stałego
cs – udział masowy ciała stałego
wyrażane też przez X
cc – udział masowy cieczy φ + ε = 1
Cs – koncentracja ciała stałego
Ciało stałe: (wyrażone przez średnice)
> 100 µm – gruboziarniste sedymentacja (łatwo opadają)
< 30 µm – drobnoziarniste (niesedymentujące) flokulacja, flotacja
Ψ – sferyczność (średnica zastępcza)
!!!!
CECZENIE – KRATY, SITA – Oczyszczalnia Ścieków
z hydrodynamicznego punktu widzenia oznacza przepływ strumienia cieczy przez płaską przegrodę perforowaną lub porowatą;
powinna być ze stali nierdzewnej i kwasoodpornej;
usuwanie największych cząstek (1 etap);
na kratach – usuwanie substancji stałych (duże rozmiary) – obecność tych zanieczyszczeń mogłaby w dalszych etapach powodować awarię i uszkodzenia (zapychanie pomp, rurociągów, dyfuzorów do napowietrzania);
rząd metalowych prętów ustawionych pochyło lub pionowo w poprzek kanału doprowadzającego ścieki – umieszczone w komorze krat;
komora krat 0,9-1,8 m, odległość między sąsiednimi prętami = prześwity;
zależnie od szerokości prześwitu kraty rzadki 6-150 mm lub gęste <6m
zebrany na kratach odpad stały -> miażdżenie i utylizacja
Ścieki przemysłowe
krata koszowa – służy do zabezpieczenia pomp w przepompowni ścieków przemysłowych, oczyszczanie z dużych przedmiotów, które mogłyby uszkodzić wirnik pompy;
do usuwania ścieków przemysłowych – kraty rzadkie (10-30 mm);
SKRATKI – zatrzymane zanieczyszczenia.
KRATY – w zależności od konstrukcji: stałe/ruchome
projektuje się w kanałach, gdzie prędkość przepływu przed kratami jest większa od 0,4 m/s (w przeciwnym razie będzie się osadzał piasek), a w prześwicie między kratami 0,7-1 m/s;
przy mechanicznie oczyszczanych należy przewidzieć kraty rezerwowe,
stosowanie spiętrzania ścieków przed kratą powoduje ich zagęszczanie i utworzenie warstwy „dywanowej” – stanowiącej samoistną warstwę filtracyjną;
SITA – szczególne zastosowanie przy ściekach rozcieńczonych (pochodzących z kanalizacji ogólnospławnej);
o efektywności cedzenia na sitach decyduje wielkość oczek w sicie
podział sit: gęste <100 μm (mikrosita), średnie 0,1-1,5 mm, rzadkie >1,5 mm;
sita dzieli się na tarczowe, bębnowe, taśmowe – wszystkie ruchome i oczyszczane w sposób ciągły;
Czas jałowy – czas przeznaczony na przygotowanie/oczyszczanie sprzętu/wymianę.
SEDYMENTACJA (odstawanie) - opadanie zawiesiny cząsteczek stałych w cieczy lub w gazie na skutek działanie siły ciężkości, z prędkością zależną od ich rozmiaru i stężenia. Urządzenie do odstawania to odstojnik (osadnik).
Prawo Stokesa
Obowiązuje dla zawiesin rozcieńczonych i cząstek o kształcie kulistym.
!!!!
poprawka n = f( Re)
Im porowatość tym bardziej zbliżamy się do prawa Stokesa
Prawo Newtona – opór opadającej cząstki w płynie:
dla pojedynczej cząstki R = 3πμc*dcst*V0
dla zespołu cząstek R’ = 3πμc*dcs*V0 (1+β0*dcs/L)
gdzie:
β0 – współczynnik geometryczny
L- odległość pomiędzy cząstkami
Gdy:
L>> dcs dcs/L0 [...] 1 R=R’
SEDYMENTACJA OKRESOWA – krzywa sedymentacji i linia narastania osadu
Cząsteczka opada ruchem utrudnionym (opadanie gromadne)
gdzie:
- krzywa sedymentacji
- krzywa narastania osadu
- krzywa zagęszczania osadu
A – czysta klarowna ciecz
B – zawiesina
C – osad/sedyment
K – punkt krytyczny -> powierzchnia osad/ciecz
Szybkość sedymentacji zależy od wysokości naczynia.
Tak opadają cząstki o jednakowych lub zbliżonych rozmiarach – opadają w linii prostej.
V0 = f (dcs), f(pcs)
Układ dąży do osiągnięcia minimum porowatości.
SEDYMENTACJA CIĄGŁA – ODSTOJNIK DORRA, wielkość odstojnika zależy od czasu przebywania cząstek w strefie zatężania (opadania gromadnego).
B
A
C
D
A – strefa zasilania
B – strefa klarowania
C – strefa opadania gromadnego
C – strefa kompresji
CZAS PRZEBYWANIA W APARACIE (proces ciągły)
- średni czas przebywania cząsteczki w aparacie od czasu wejścia do wyjścia
w obszarze klarowania – mało ciała stałego, rozcieńczanie
w obszarze opadanie strefowe – zaczynają się cząsteczki rozwarstwiać – grupować, różna średnica, przejściowy
w obszarze kompresji – niska porowatość, dużo ciała stałego, cząsteczki pozlepiane, duże średnice, wysokie stężenie
w kółku szybkość sedymentacji jest największa (duże cząsteczki w małej ilości/ małym zagęszczeniu)
im mniej cząsteczek, mniejszy opór, duże V i na odwrót
KLASYFIKATOR HYDRAULICZNY (do ziaren), klasyfikacja ciał stałych o różnych czasach sedymentacji.
Odstojnik o poziomym przepływie cieczy (kaskadowy)
odstojniki tego typu bardzo dobrze pracują jako aparaty o podwójnym działaniu tj. sedymentacji w połączeniu z klasyfikacją ziarna;
budowa aparatu jest bardzo prosta, składa się z szeregu skrzyń o kształcie pryzmatycznym lub słoikowym, które są ustawione szeregowo;
wytrącone ziarna opadają do skrzyni zależnie od wielkości, cięższe bliżej, lżejsze dalej.
Mieszadło grabowe -> 2,5-20 obr/min.
Szybkość sedymentacji cząstek stałych z cieczy może być zwiększona kilkakrotnie przez zainstalowane w odstojnikach nachylone półki, np. lamelowych pod kątem 30-60º.
Proces sedymentacji jest wolny, więc odstojniki mają przyspieszyć ten proces.
Trójkomorowy odstojnik przepływowy – dla ścieków bytowych.
Wydajność odstojnika - określa zdolność aparatu do zagęszczania zawiesiny lub klarowania cieczy i jest proporcjonalna do pola powierzchni.
!!!!!
Z- wydajność (m2),
mz – strumień masy zawiesiny(kg/h)
x – stężenie ciała stałego(kg/m3)
V0 – szybkość sedymentacji (m/h)
ρc - - gęstość cieczy (kg/m3)
Wielkość odstojnika - zależy od czasu przebywania cząstek w strefie zatężania (opadania gromadnego). Wysokość pozostałych stref wynosi 0,6-1,0m. Średnica odstojników kołowych, metalowych jest mniejsza od 25m, betonowych dochodzi do 100m. Mieszadło garbowe wykonuje 2,5-20 obr/min.
WIROWANIE - rozdział mieszaniny odbywa się pod działaniem siły odśrodkowej, którą można łatwo zwiększyć poprzez wzrost obrotów.
ρ rω2
gdzie:
r – promień wirowania
ω- prędkość kątowa
- analogia do poprawki Stokesa
- prawo Stokesa nie działa, bo Re są bardzo wysokie
- wirowanie, duże liczby Reynoldsa
ε – porowatość
Wirówka - urządzenie do rozdzielania zawiesin i emulsji, przez wprawienie w szybki ruch obrotowy, którego stałe przyspieszenie znacznie przekracza ziemskie; mogą pracować w sposób okresowy lub ciągły.
Wirówki:
filtracyjne – rozdzielenie odbywa się na przegrodzie filtracyjnej (na zasadzie filtracji)
sedymentacyjne – w polu działania sił odśrodkowych
Bębny wirówek filtracyjnych są perforowane, tj. mają otwory na powierzchni bocznej, natomiast sedymentacyjne są pełne (lite)
Wirówki sedymentacyjne:
rurowe
bębnowe
ślimakowe
talerzowe
Wirówka sedymentacyjna stanowi pełny, nieperforowany bęben, do którego podawana jest w sposób okresowy lub ciągły zawiesina. W wyniku wirowania bębna następuje rozdział mieszaniny i ciecz klarowna odpływa z wirówki rura ssącą lub przez próg przelewowy (wirowanie ciągłe). Cząstki ciała stałego osiadają na ścianach bębna i usuwane są okresowo lub w sposób ciągły zależnie od rodzaju pracy wirówki (okresowej lub ciągłej).
Wirówka sedymentacyjna (kanałowa)
Czas osadzania
!!!!
im większa szybkość opadania cząsteczki tym czas jest krótszy
Czas uniesienia
V* - strumień objętości zawiesiny
im V mniejszy tym t większy
W pierścieniowej warstwie cieczy cząstki stałe przemieszczają się pod wpływem przyspieszenia odśrodkowego z prędkością Vwir, ciecz zaś płynie ku górze z prędkością Vc.
Czas opadania musi być krótszy niż czas uniesienia, wtedy jest pewność, że cząsteczka się osadzi.
Im cząsteczki mniejsze tym szybsze wirowanie (wzrost prędkości kątowej).
Wirówki sedymentacyjne
Zdolność wirówek do rozdzielenia określa się tzw. współczynnikiem rozdziału – uwielokrotnienie, zdefiniowanego jako stosunek siły odśrodkowej od siły ciężkości
- > ten stosunek stosuje się przy przechodzeniu z wirówki
na inną wirówkę
gdzie:
r – promień wirowania
ω – prędkość kątowa [rad/s]
D – średnica bębna
n – liczba obrotów bębna [obr/min]
Im cząsteczki większe tym szybsze obroty muszą być.
Pierwsze wirówki osiągały prędkość 20 tys. Obr/min. Współcześnie produkuje się nawet wirówki, które osiągają do 1 mln obr/min (przyspieszenie wtedy działające na próbkę jest 5 tys. razy większe od przyspieszenia ziemskiego)
spadek D, wzrost siły odśrodkowej -> komórki eukariotyczne - > zniszczone komórki eukariotyczne - > precypitaty
białkowe - > bakterie - > zniszczone komórki bakteryjne - > rybosomy
Wirówki w mleczarstwie
Oczyszczanie mleka - oddzielenie zanieczyszczeń od surowego mleka; stosuje się wirówki oczyszczające
Odtłuszczenie mleka - klasycznym zastosowaniem jest oddzielenie mleka chudego od serwatki; stosowane tu wirówki separacyjne odtłuszczające mleko nie tylko oddzielają tłuszcz od mleka chudego.
Odtłuszczone mleko jest następnie ponownie mieszane ze śmietaną aby uzyskać pojedynczą zawartość tłuszczu w mleku lub poddać je dalszemu przetwarzaniu (np. serowaceniu)
Śmietana jest z reguły przetwarzana na masło
Wyrób twarogu, serka śmietankowego zostaje napełnione zagęszczonym chudym mlekiem. W trakcie procesu odbiera się nadmiar serwatki. Następnie wylewa się skoncentrowany twaróg
Wyrób kazeiny: wytrącona kazeina jest oddawana w specjalnej wirówce sedymentacyjnej. Kazeina ma zastosowanie do różnych celów (dodatki wzbogacające dla dzieci)
Wyrób cukru mlekowego: cukier mlekowy (laktoza) zostaje wytrącony i oddzielony w specjalnej wirówce sedymentacyjnej. Cukier mlekowy znajduje zastosowanie w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym (masy tabletkowe)
Wirówki frakcjonujące
Pod wpływem sił odśrodkowych następuje rozdzielenie związków różniących się rozmiarami np. gazowe związki izotopów uranu (fluorek uranu). Uran wzbogacony 235U jako lżejszy pozostaje w komorze środkowej, uran zubożały 238U przemieszcza się ku ścianom wirówki.
Aby uzyskać wystarczającą koncentracje uranu wzbogaconego, stosuje się wiele układów wirówek połączonych szeregowo. Opisana metoda wzbogacania była stosowana do zastosowań cywilnych(z 0,7% do 3,3%)
(z 0,7% do 3,3%), a także wojskowych (bomba atomowa z 0,7% do 90%)
Hydrocyklony
Aparat, w którym wykorzystuje się działanie różnych sił odśrodkowych do wydzielenia ciał stałych z cieczy. Dzięki dużym przyspieszeniom odśrodkowym w hydrocyklonach możliwe jest oddzielenie cząstek w zakresie 3-250µm. Średnice hydrocyklonów wynoszą 20-500 mm.
Zalety: gabaryty, kształt pozwala na dobre wykorzystanie…
Klasyfikacja w hydrocyklonach przeprowadzana jest ten w sposób, że zawiesina wprowadzana jest pod ciśnieniem przez dyszę wlotową do hydrocyklonu. Zawiesina w zakrzywionej części wlotu nabiera ruchu wirowego i porusza się po tym torze wewnątrz urządzenia. Na ziarna ciała stałego oddziałuje siła odśrodkowa tym większa im większe jest ciśnienie w hydrocykl. i mniejsza jest jego średnica.
W rezultacie największe ziarna ciała stałego wynoszone są na zewnątrz spirali i przesuwają się na dół. Ostatecznie opuszczają urządzenie przez duszę wylewową wraz z niewielką ilością wody. Ziarna najdrobniejsze wraz z przeważającą ilością wody opuszczają hydrocyklon przez dyszę przelewową.
Do wydzielenia cząstek małych rozmiarów z dużego strumienia zawiesiny stosuje się układy równoległe hydrocykl., umieszczone we wspólnej komorze, zwane multihydrocykl.
Liczba pojedynczych hydrocykl, w multihydrocykl., zależy od wielkości strumienia i rodzaju zawiesiny i może dochodzić do kilkudziesięciu.
FLOTACJA
Pęcherzyki gazu po przyłączeniu do cząstek zawiesiny tworzą zespół o mniejszej gęstości cieczy.
Układ z udziałem trzech faz
służy do zawiesin nie sedymentujących
w sedymentacji opada a flotacji się wznosi.
układ 3 faz: dokładamy gaz , który przyczepia się do ciała stałego i jest wyprowadzany na zewnątrz
pęcherzyki gazu po przyłączeniu do cząstek zawiesiny tworzy zespół o mniejszej gęstości niż gęstość cieczy – przyspieszenie procesu
Skuteczność:
rozdrobnienie fazy gazowej
trwałość i gęstość zespołów (pęcherzyk gazu + cząstka zawiesiny)
Siła przyczepności > siła ciężkości
gdzie:
d - średnica zachodzących cząsteczek gazu
δ - napięcie powierzchniowe cieczy
Θ - zwilżalność ciała stałego
Kolektor – zbieracz (=’gospodarz’), posiada wolne przestrzenie, w których pojawia się „gość”(substancja poddawana flotacji) – dodaje się bo jest pośrednikiem pomiędzy ciałem stałym a gazem.
Oddziaływanie między ‘gospodarzem’ a ‘gościem’ to liczne wiązania niekowalencyjne, np. van der Waalsa, wodorowe.
Apolarne Jonowe
- Kationowe - Anionowe
Uniesienie
Cząsteczki zawiesiny unoszone są ze znacznie większą prędkością niż ich prędkość opadania w polu grawitacyjnym.
Siła wyporu pęcherzyków > siła ciężkości cząsteczki
!!!!
METODY ROZDRABNIANIA FAZY GAZOWEJ:
mechaniczne rozdrabnianie gazu w cieczy przy wykorzystaniu dysz, spieków metalowych/ceramicznych lub mieszadeł mechanicznych (elementy rozdrabniające gaz podczas jego przepływu)
rozpuszczanie gazu w cieczy pod ciśnieniem atmosferycznym i wydzielanie go w próżni (flotacja próżniowa)
rozpuszczanie gazu w cieczy pod zwiększonym ciśnieniem i rozprężenie cieczy do ciśnienia atmosferycznego (flotacja ciśnieniowa)
wydzielanie gazu na drodze elektrochemicznej (elektroflotacja)
Strumień ścieków poddawany jest działaniu powietrza pod p = 5 bar, który rozpręża się w cieczy; flotacje ciśnieniowe stosuje się w oczyszczaniu ścieków przemysłowych.
Odtłuszczanie flotacyjne – zwykle z udziałem kolektorów – redukcja tłuszczu wolnopływającego
Flotacja – metoda wzbogacania minerałów.
Wykorzystuje różnice w zwilżaniu składników mieszanin, polega na przepuszczaniu pęcherzyków powietrza przez mieszaninę drobno zmielonej rudy i wody.
Grudki rudy zawierają minerał i źle zwilżane przez wodę przyklejają się do powierzchni pęcherzyków i wypływają na powierzchnię, gdzie w postaci piany są zbierane.
Wzbogacanie węgla – oddzielanie węgla od kamienia, w procesie flotacji węgiel zwilżany jest odczynnikami flotacyjnymi i łączy się z pęcherzykami powietrza, dzięki temu staje się lekki i jest wynoszony do góry.
Kamień, który nie łączy się z pęcherzykami powietrza, płynie na dnie masy, w której odbywa się flotacja.
Oddzielony od kamienia bardzo drobny węgiel trafia do czterech wirówek sedymentacyjnych, jest w nich odwadniany, po wyjściu z nich jego wilgoć wynosi ok. 16%.
Usuwanie toksycznych kationów metali
FILTRACJA - oczyszczanie cieczy lub gazu poprzez zatrzymywanie cząstek ciała stałego na porowatej przegrodzie.
separujące: istotne ciecz/gaz + ciało stałe > 1% ciała stałego
oczyszczające: istotne ciecz/gaz < 0,1% ciała stałego
Rodzaje filtracji:
plackowa: separująca, ważne jest ciało stałe
wgłębna: oczyszczająca; nie zależy nam na ciele stałym
Filtr warstwa filtrująca przegroda filtrująca
Filtracja powierzchniowa:
- tkaninowa (bawełna, juta, tworzywo sztuczne) -> podkład
kartony filtracyjne – celuloza, jednorazowe ∅ kanalików 1,2 – 1,8 μm
koszyki metalowe (cedzenie = sitko)
włókna bawełniane i celulozowe – regenerowanie
ceramiczne warstwy filtracyjne: kwarc, glina ogniotrwała - > spieki (zgodna wielkość kanalików nawet < 1 μm, płyty i cylindry tzw. świece, czyszczenie poprzez przedmuchiwanie sprężonym powietrzem)
tworzywo sztuczne (polimery) – najlepsze!
materiały ziarniste - ziemia okrzemkowa, perlity
Filtracja wgłębna:
tkaninowe: bawełna, juta, tworzywa sztuczne – podkład
tworzywa sztuczne – głównie polimery
materiały ziarniste – ziemia okrzemkowa (szkielet okrzemek ∅1-100μm, bardzo wysoka porowatość 90-95%), perlity (szkliwo wulkaniczne, kuleczki wulkaniczne, kuleczki w środku puste, porowatość 80-90%)
Filtr opór
Przegrody -> f(porowatości, średnicy, krętości i kształtów kanalików filtru)
f (lepkości i gęstości)
f (grubości i jakości placka filtracyjnego)
Opór przegrody filtracyjnej jest dużo mniejszy od oporu warstwy osadu i może wpływać na proces filtracji tylko w początkowej fazie
osad ściśliwy (podatny na ciśnienie) zmniejszenie grubości warstwy osadu zmniejszenie porowatości, odkształcenie cząstek
osad nieściśliwy (osady krystaliczne)
Aby osad miał charakter osadu nieściśliwego dodaje się np. ziemi okrzemkowej
Masowy opór właściwy osadu [m/kg]
α = α0*∆ps
gdzie:
s – współczynnik ściśliwości: 0-1 (0 – nieściśliwe, 1 – skrajnie ściśliwe)
α0 – stała (na którą wpływ ma porowatość, kształt cząstki itp.) - > tzw. opór właściwy osadu
nieściśliwego
∆ps – różnica ciśnienia w warstwie osadu ∆ps 1, bo s 0
osad nieściśliwy s 0
∆ps 1
α=α0
osad ściśliwy s 1
∆ps ∆p
α=α0*∆p
Im osad jest bardziej ściśliwy, tym większy opór warstwy = większy spadek ciśnienia
Osad ściśliwy
Pomoce filtracyjne – substancje ziarniste mające za zadanie utworzyć osad o określonej strukturze (małej ściśliwości) np. ziemia okrzemkowa - > ilość
Filtracja – przebiega w stanie nieustalonym (opory)
Proces ciśnieniowy – pokonanie oporów przepływu (oporu stawianego przez przegrodę filtracyjną (RP) oporu osadu (R0)
VF ∆p
α = α0*∆ps
VF*Cs - > f(t)
gdzie:
r – opór właściwy przegrody filtracyjnej [kg/m2]
VF – objętość filtratu
Cs – koncentracja ciała stałego w filtrowanej zawiesinie
Filtracja pod stałym ciśnieniem
Filtracja przy stałej wydajności
∆p - > zawsze wyższe ciśnienie jest nad zawiesiną
filtracja grawitacyjna – różnica ciśnienia wywołana parciem hydrostatycznym słupa zawiesiny nad przegrodą ∆p = ρz*g*h
filtracja ciśnieniowa – nadciśnienie nad przegrodą – pompa, sprężarka, dowolne ∆p (wytrzymałość filtra)
filtracja próżniowa - podciśnienie za przegrodą - > pompa próżniowa, max 1 bar (niska temperatura wrzenia mieszanin pod próżnią)
filtracja wirówkowa – różnica ciśnienia po obu stronach wywołana jest działaniem siły odśrodkowej
Filtracja izobaryczna – wyznaczanie przepustowości filtra
objętość
przypadająca
na 1 cykl
tj tt
tj – czas jałowy tt – czas optymalny filtracji
tc = tj + tt - czas całkowity dla jednego cyklu
PRZEPUSTOWOŚĆ FILTRA
- funkcja powierzchni
Czas jałowy
Przepłukiwanie osadu (filtracja separująca)
Suszenie osadu (mała objętość materiału odparowanego lub technologie)
Zdrapywanie/struganie osadu
Przepłukiwanie wodą lub wypychanie sprężonym powietrzem
Dobór filtru (materiału filtracyjnego)
Odporność na warunki procesowe
Wielkość porów strumień filtratu []
Powierzchnie filtru
opór = przyłożenie (P)
μm mm cm
wydajność
czystość filtratu
„żywotność filtratu”
selektywność
im mniejsze pory tym większy opór
Filtracja oczyszczająca
niskie stężenie ciała stałego
istotna jako ciecz
Schemat doboru urządzeń do filtracji rozdzielającej
filtry oczyszczające
filtry koszowe
filtry workowe
filtry świecące
techniki membranowe
rozmiar zanieczyszczeń
czystość filtratu
wydajność jednostkowa
FILTRY KOSZOWE
FILTRY WORKOWE
- stosowane do filtrowania cieczy w przemyśle spożywczym, w zależności od przepuszczalności przegrody filtracyjnej filtry workowe mogą wyłapywać cząstki o wielkości minimum 5 μm.
FILTRY ŚWIECOWE
-np. polimerowe/utkane z nici
-p. kosmetyczny, spożywczy, alkoholowy, farmaceut, petrochem, wody, powietrza
-uniwersalne dobranie kształtów, wielkości, powierzchni
-mogą pracować w jednej instalacji – potrzeba tylko jednej pompy
Filtracja separacyjna – istotny udział ciała stałego, który jest jednym z produktów filtracji.
Rozdział ciała stałego, który jest jednym z produktów filtracji
Prasy filtracyjne i płytowe filtry ciśnieniowe, procesy membranowe wykorzystują nadciśnienie nad filtrem.
FILTRACJA SEPARUJĄCA
Istotny udział ciała stałego, który jest jednym z produktów filtracji.
prasy filtracyjne nadciśnienie
płytowe filtry ciśnieniowe nad filtrem
procesy membranowe
próżniowe filtry bębnowe – podciśnienie pod filtrem
Prasy filtracyjne
wysokie ciśnienie niska wilgotność placka
Cykl pracy pras filtracyjnych rozp. napełnianie prasy – pompa wtłacza filtrowaną zawiesinę do komór pracy , ciecz przepływa przez tkankę filtracyjną, na której zatrzymują się elementy fazy stałej i gromadzą tworząc coraz grubszą warstwę naz. Plackiem filtracyjnym.
Rosną opory przepływu cieczy i ciśnienie w komorach a maleje ilość odcieku aż do zupełnego zaniku, wtedy proces filtracji można przerwać i rozpocząć… ładunek (…) prasy przez mechaniczne lub ręczne zbieranie.
Prasy filtracyjne używane są do mechanicznego odwadniania osadów różnego pochodzenia. Jest to najskuteczniejsze i eksploatacyjnie najtańsze z metod zagęszczania.
Suchy osad powstaje po działaniu prasy filtracyjnej – sprasowany osad jest w postaci wykształconych placków wpada do kontenera lub na przenośnik i transportowany jest na miejsce przenoszenia co kończy cykl pracy prasy. Czas pracy, skuteczność zależy od właściwości fizykochemicznych filtrowanego medium.
Płytowy filtr ciśnieniowy
Ciśnieniowe filtry płytowe – urządzenia w których proces filtracji rozpoczyna się na płytach filtracyjnych wykonanych z kilku warstw siatki metalowej obciągniętej tkaniną. Proces odbywa się po obu stronach płytu filtracyjnej, dzięki czemu urządzenie te charakteryzują się wysoką powierzchnią filtracyjną, niewielkimi gabarytami oraz wysokimi wydajnościami.
Placek filtracyjny wytworzony jest z zawiesiny w czasie procesu jest usuwany z powierzcni zewnętrznej elementów filtracyjnych za pomocą pneumatycznego wibratora lub poprzez wsteczny przepływ sprężonego gazu.
W zależności od własności fizykochemicznych placka filtracyjnego, sposobu jego utylizacji lub innych wymagań użytkowych, placek filtracyjny może być poddawany procesowi suszenia lub przemywania inną cieczą.
Próżniowe filtry bębnowe
Filtracja ciągła!
Schemat
Siła napędowa – podciśnienie doprowadzone do wewnątrz strony tkaniny filtracyjnej
Szybkość filtracji – wartość podciśnienia
Wydajność – obroty bębna
Bębny z nałożoną tkaniną filtracyjną - schematy
kiedy bęben nachodzi na miejsce – próżnia
rozpoczyna się filtr – przepłukiwanie placka
suszenie placka (mechanizm zeskrobujący osad z materiału filtrującego)
TECHNIKI MEMBRANOWE
- na membranach mikrofiltracyjnych/ultrafiltracyjnych
moduł membranowy – część aparatu, w którym osadzona jest membrana,
nie jest aparatem, dużo cienkich kapilar
membrana nieorganiczna lub organiczna (polimerowa)
membrany nieorganiczne – ceramiczne
symetryczne lun asymetryczne – złożone z 3-ch warstw,
membrany organiczne – polimerowe
(wykres z zależnością rozmiarów od typu)
W przypadku membran porowatych materiał membrany nie ma praktycznego wpływu na przepuszczalność membrany (decyduje rozmiar porów), lecz stanowi o jej chemicznej i fizycznej odporności oraz o efektach powierzchniowych.
δpow- powierzchnia porów/powierzchnia membrany
POROWATOŚĆ POWIERZCHNIOWA
Współczynnik ‘cut-off’ – współczynnik odcięcia, wyrażany w masie cząsteczkowej. Związki powyżej tej wartości są zatrzymywane na membranie, mniejsze przechodzą.
Na membranach mikrofiltracyjnych/ultra filtracyjnych
nadawa (roztwór zasilający)
podawany w sposób prostopadły na filtr
filtrat = permeat
przepływ jednokierunkowy
dead end
nadawa
podawana w sposób
równoległy
nadawa
podawana w sposób
równoległy
przepływ krzyżowy
(cross flow)
filtrat = permeat
Współczynnik (cut off) – wyrażany w masie cząsteczkowej. Związki powyżej tej wartości są zatrzymywane na membranie
MIKROFILTRACJA
PRAWO DARCY’EGO
Gdzie:
L – przepuszczalność membrany, parametr charakteryzujący określoną membranę
Strumień permeacji zależy od ∆P przyłożonego (jest wprost proporcjonalny do niego).
Spadek strumienia w czasie na skutek zapychania się membrany – tzw. „fouling”
Tworzenie warstwy powierzchniowej
-odwracalnej (ustalony strumień permeatu)
- nieodwracalnej (strumień permeatu 0 )
Mikrofiltracja – membrana porowata symetryczna – porowatość na obu jej powierzchniach
jest identyczna (pory cylindryczne)
Główne zastosowanie – separacja zawiesin i mikroorganizmów
Charakterystyka mikrofiltracji:
membrana |
|
---|---|
grubość |
|
wielkość porów |
|
ciśnienie osmotyczne |
|
ciśnienie transbłonowe |
|
mechanizm separacji |
|
materiał membrany |
|
ULTRAFILTRACJA (dla heterogenicznych)
Membrana porowata asymetryczna – jej porowatość w warstwie powierzchniowej jest mniejsza i rośnie w kierunku prostopadłym do powierzchni.
Warstwę separacyjną jest gęsty, cienki naskórek, pozostała część membrany tworzy warstwę nośną (wzmacniającą).
Zastosowanie: separacja enzymów i innych białek
membrana |
|
---|---|
grubość |
|
wielkość porów |
|
ciśnienie osmotyczne |
|
ciśnienie transbłonowe |
|
mechanizm separacji |
|
materiał membrany |
|
MEMBRANY
Nieorganiczne - ceramiczne
symetryczne lub asymetryczne
złożone z 3 warstw
warstwa rozdzielcza o porach 2-50 nm i grubości 1 mikrometra
warstwa pośrednia korygująca, rozrzut w wielkościach porów warstwy rozdzielczej
warstwa nośna o porach 50-100 mikrometrów, grubości 10-100 mikrometrów
uzyskuje się poprzez wytłaczanie pasty ceramicznej
ważne – można sterylizować całe układy (dla mikroorganizmów bardzo ważne)
Membrany organiczne:
polimerowe – wielkocząsteczkowe zw. organiczne złożone z wielu podjednostek - monomerów
możliwość wytworzenia membrany o dowolnych parametrach (grubość , symetryczna lub asymetryczna, porowatość czy też kształt)
Filtracja separacyjna:
Rozdział ciała stałego, który jest jednym z produktów filtracji
Prasy filtracyjna i płytowe filtry ciśnieniowe wykorzystują nadciśnienie nad filtrem.
PODSTAWOWE SPOSOBY IMMOBILIZACJI BIAŁKA:
Adsorpcja na nierozpuszczalnych nośnikach
Wiązanie kowalencyjne z nośnikiem zwykle aktywowanych przez czynnik sprzęgający
Inkluzja w strukturze żelu lub w półprzepuszczalnych błonach
Immobilizacja to przestrzenne ograniczenie czegoś np. składnika E w układzie. Istnieje immobilizacja powierzchniowa (1 i 2) i objętościowa (3).
Metoda 1 i 3 dotyczy tez immobilizacji organicznej i tkanek (biofilm). Z kolei 3 pozwala też na zamknięcie mikroorganizmów żywych.
ZALETY PRACY Z ENZYMAMI IMMOBILIZOWANYMI
łatwość izolacji katalizatora od mieszaniny reakcyjnej z możliwością jego wielokrotnego wykorzystania – układ dwufazowy: ciało stałe-ciecz
możliwość prowadzenia reakcji w systemie ciągłym
systemy okresowe
układ stacjonarny
Kiedy reakcja wolna, a wrażliwa na mieszanie
układ z mieszaniem
Układ pseudojednorodny – takie same warunki panują w całej objętości, brak lokalnych gradientów stężeń. Pseudo – bo to heterogeniczny układ
Proces (pół)ciągły
charakteryzuje się tym, że w sposób ciągły dozujemy do roztwór substratu do bioreaktora (np. kolumna z wypełnieniem)
tam gdzie jest biokatalizator – tam jest reakcja czyli reaktor
żeby był tylko „odbiór produktu” bez substratu należy zmienić (zwiększyć) długość kolumny (czas przebywania w reaktorach) lub natężenie (wolniej dozować)
półciągły, gdy strumień jest dzielony: jest odbiór produktu + zawracanie mieszaniny reakcyjnej
dla E natywnego nie stosuje się procesu ciągłego, bo będzie „wychodził” z kolumny
wysoka stabilność katalizatora zmiana struktury
zmiana specyficzności substratowej białka
ADSORPCJA
wiązania wodorowe
oddziaływania van der Waalsa
oddziaływania elektrostatyczne
oddziaływania hydrofobowe
Rzadko nośnikiem jest Caktywny, raczej polimer akrylowy, tworzywa sztuczne, granit czy szkło.
Silny wpływ środowiska
wartość pH, siła jonowa roztworu białka (oddziaływanie elektrostatyczne)
stężenie enzymu w roztworze (liczba miejsc wiązania enzymu)
temperatura (dyfuzja T, aktywność enzymu T )
Powierzchnia właściwa, porowatość nośnika (średnica porów. ½ średnica białka)
Adsorpcja
duża dostępność do czyszczenia (-)uwzględnia niską trwałość,
nośników (-) enzymu (+) silny wpływ środowiska(pH),
odrywanie się nośnika (desorpcja)
Nośniki:
Nieorganiczne:
krzemionka
wodorotlenek glinu/tytanu
glinokrzemiany
szkło porowate
węgiel aktywny
materiały ceramiczne
Organiczne:
polisacharydy (agar, celuloza, skrobia –dekstran)
polimeryczne żywice jonowymienne
kolagen
Modyfikacje nośników
Odpowiednie uwodnienie
Zmiana pH
Przyłączenie grup hydrofobowych (alkilowych, fenolowych)
IMMOBILIZACJA PRZEZ WIĄZANIA CHEMICZNE
Znajomość struktury białka
Grupy obecne w białku, potencjalnie tworzące wiązania z nośnikiem:
tiolowe (Cys)
grupy wodorotlenowe (Ser, Tyr, Thr)
karboksylowe (Glu, Asp, C’-końcowe COO-)
guanidynowe (Arg) łatwo dobrać
imidazowe (His) aktywator
aminowe (Lys, N’-końcowe NH3+):
występują licznie
występuje wysoce reaktywna – ilość i jakość reakcji
II-rzędna funkcja w utrzymywaniu struktury, aktywności białka
Prościej dobrać aktywator od nośnika
IMMOBILIZACJA NA DRODZE CHEMICZNEJ
duża trwałość, mały wpływ środowiska zewnętrznego (+)
oddalenie enzymu od nośnika (-), zmniejszenie wpływu dyfuzji (substratu)
zmiana właściwości immobilizowanego katalizatora (+/-)
INKLUZJA W ŻELU/BŁONACH PÓŁPRZEPUSZCZALNYCH
monomer polimer
Efektywność immobilizacji na drodze inkluzji
zawartość enzymu charakter polimerycznej matrycy
w żelu (+kopolimer)
rozmiary porów w żelu
(skład sieciujący) rozmiary cząsteczek żelu
Polimeryzacja – połączenie się cząsteczek monomeru w proste lub rozgałęzione polimery.
Zachodzi samorzutnie lub/z dodatkiem kopolimeru, który pomaga
w polimeryzacji np. skrobia
Stężenie i jakość monomeru i kopolimeru > wpływają na polimeryzację (zwarty polimer,
ale nie za bardzo, bo substrat nie dotrze
do wnętrza polimeru)
MIKROKAPSUŁKOWANIE
Roztwór enzymu + eter dietylowy (emulgator) + monomer eterowy roztwór polimeru np. azotan celulozy
Po zetknięciu z powierzchnię zemulgowanych kropelek nierozpuszczalnych w wodzie – monomer polimeryzuje tworząc cienką warstewkę
Stężenie emulgatora wpływa na ∅ kapsułki:
małe utrudniają transport S/P
duże ulegają destrukcji
Wielkość porów polimeru decyduje o transporcie substancji i produktu – małe utrudniają.
ZAMKNIĘCIE WE WŁÓKNACH
Roztwór enzymu w organicznym roztworze monomeru, który polimeryzując tworzy włókno pochodne celulozy, polichlorek winylu, poli-L-metyloglutaminian
Dysze przytłaczające roztwór do cieczy organicznych (np. toluen), w której następuje polimeryzacja.
Rola kopolimeru:
wiązanie pośrednie z monomerami
stwarza środowisko, które ułatwia łączenie się z monomerami
SIECIOWANIE np. aldehyd glutarowy
wiąże się po grupach –NH3
reaguje z grupami aminowymi
łapie grupy NH3 i łączy je z grupami enzymu
najprostsza metoda – jeżeli enzym jest aktywny
OZNACZENIA PO IMMOBILIZACJI – BADANIE PARAMETRÓW
wydajność wiązania
ile enzymu się związało w stosunku do masy enzymu, która podaliśmy – metoda Lowry’ego – zadawalająca ≥ 70%
aktywność enzymu po immobilizacji
porównuje się z aktywnością enzymu natywnego, wyrażana w g lub molach białka (jak aktywny jest g białka) np. amylazy hydroliza skrobi aktywność > 50%
stabilność aktywności preparatu
powtarza się co pewien czas h/24h/miesiąc, test na aktywność, spadający procent aktywności w czasie
czas połowicznego zaniku
+ uniwersalność względem enzymów komórki (systemy wieloenzymatyczne)
+ wysoka odporność preparatów (chemiczna, termiczna, mechaniczna)
+ wysoka odporność na zakażenia mikrobiologiczne (decyduje porowatość)
utrudniona dyfuzja substratów- pobiera substancje wielkocząsteczkowe
Inkluzja pozwala na przeprowadzenie procesu z wieloma cząsteczkami enzymu róznych np. hydroliza skrobi wymaga 3 enzymów
EKSTRAKCJA W UKŁADZIE CIAŁO STAŁE - CIECZ
Przenikanie rozpuszczalnika w pory nośnika substancji ekstrahowanej
Rozpuszczanie określonego składnika (substancja ekstrahowana może znajdować się w postaci roztworu wypełniającego pory cząstek porowatych lub wolne przestrzenie lub występują jako rozpuszczalne ciała stałe
Ruch substancji ekstrahowanej w porach nośnika do powierzchni (etap najważniejszy!)
Ruch substancji ekstrahowanej do powierzchni rozdziału faz do rozpuszczalnika – szybki etap, bo przepływ burzliwy
bardzo często:
etap przygotowawczy rozdrobnienie, zgniatanie ciała stałego
Parametry ciała stałego wpływające na szybkość strumienia ekstraktu (powierzchnia właściwa, porowatość)
gęste płyny 8-50 MPa,
ekstrakcja płynami nadkrytycznymi
A – linia sublimacyjna S G
B – linia topnienia SC
C – linia parowania CG
„-” odporność substancji na wysoką temperaturę
„+” mała lepkość (jak gazów) = szybki transport
duża dyfuzyjność (jak w cieczy)
wysoka zdolność rozpuszczania substancji
Ekstrakt – para o wysokiej temp. i ciśnieniu dalszy rozdział składników na drodze destylacji destrakcja
Połączenie odzyskiwania składników na początku płynami nadkrytycznymi, a następnie przez destylację to DEKSTRAKCJA.
Przemysł perfumeryjny (liście pomarańczy, olejek korzenny itp.)
Dwutlenek węgla do ekstrakcji kofeiny z kawy i herbaty
Przemysł i aromaty spożywcze (pieprz, imbir, wanilia)
Składniki czynne farmaceutyków (szałwia, rumianek, nagietek)
Metoda ekstrakcji płynami:
sprężenie rozpuszczalnika do stanu nadkrytycznego
ekstrakcja ciśnieniowa
wydzielenie składnika ekstrahowanego
adsorpcja (bez zmiany p i T)
obniżenie p - > destylacja
obniżenie T lub/i p - > punkt gdy słaba rozpuszczalność składnika:
wytrącenie
regeneracja rozpuszczalnika A (gdy nie ulega wytrąceniu)
kilka składników - > ochładzanie stopniowo
KRYSTALIZACJA
Proces odwrotny do rozpuszczania fizycznego
Proces wydzielania roztworu ciała stałego w postaci krystalicznej.
Szybkość zarodkowania ilość zarodków/jednostkę czasu
I – obszar stabilny – zostają wytracone kryształy
II – obszar metastabilny – stężenie w równowadze z kryształami
III – obszar labilny – (pseudorealny) – tylko część zostaje wytrącona w postaci kryształów, („obszar nie istnieje”)
- krzywa nasycenia
- - - - - - krzywa przesycenia
- krzywa zarodkowania roztwór
jednorodny
POWSTAWANIE KRYSZTAŁÓW
Etap I – zarodkowanie
Łączenie się rozdzielonych jonów i cząsteczek w siatkę krystaliczną, występuje
przy lokalnych wzrostach stężeniach (po przekroczeniu stężenia rozpuszczalności
tzw. pierwszego elementu siatki krystalicznej)
Etap II – zarodki rosną
(lub ulegają rozpuszczeniu i nie ma krystalizacji)
Etap III – wzrost kryształów
dyfuzja następnych cząsteczek jonów do powierzchni kryształów (mieszanie!)
tworzenie oddziaływań na powierzchni kryształu (budowa siatki krystalicznej)
W obecności kryształów stężenie w roztworze jest równe stężeniu nasycenia!
JAKOŚĆ KRYSZTAŁÓW
Zarodkowanie silne i trwałe przesycenie roztworu wytracanie/precypitacja (szybkie wytrącanie roztworu)
Zarodkowanie kontrolowane ochładzanie roztworu dyfuzja wzrost kryształów
WYTWARZANIE KRYSZTAŁÓW
Chłodzenie
Odparowywanie
Odparowanie pod obniżonym ciśnieniem = odparowanie przy obniżonej temperaturze
KRYSTALIZATORY
Aparaty, w których panują warunki do wydzielenia i wzrostu kryształów
Chłodzenie – przepływ zimnego powietrza, lodowatej wody lub innego płynu chłodzącego
Mieszanie – urządzenia zapobiegające osadzaniu się kryształów na ścianach, posuwające kryształy ku wyjściu
WSPÓŁWYTRĄCANIE
Usuwanie z roztworu związków występujących w niewielkim stężeniu przez wprowadzenie innego związku
Wykorzystuje się fakt, że rozpuszczalność zależy od innych substancji rozpuszczonych
Współwytrącanie
Wg mechanizmu adsorpcyjnego
(powierzchnia kryształu)
wg mechanizmu wg mechanicznej okluzji
współkrystalizacji ( w porach kryształu)
krystalizacja krystalizacja
izomorficzna izodimorficzna
mechanizm zależny od rodzaju substancji dobór w zależności od aplikacji
krystalizacja czyszcząca ? krystalizacja produktu
Współwytrącanie:
związki nieorganiczne: Al(OH)3, Fe(OH)3, CuS, MgS, PbS – współwytrącanie jonów
związki organiczne: tioetery, szczawiany, tiomocznik, tiocyjaniany, pirydyna – znacznie bardziej selektywne niż nośniki nieorganiczne, często tworzą wiązania chemiczne z substancjami współwytrącanymi
AnBm
Związek ulega strąceniu, jeśli przekroczony zostanie iloczyn rozpuszczalności
IR=[Am+]n*[Bn-]m
Stosując nadmiar jednego jonu w roztworze można zmniejszyć stężenia drugiego jonu
PRZYKŁADOWE APLIKACJE
usuwanie metali lub substancji barwnych ze ścieków i podczyszczanie ścieków i np. przed biodegradacją
strącanie fosforu
dekarbonizacja wody i ścieków tzn. usuwanie Ca2+, Mg2+ będących przyczyna twardej wody
otrzymywanie cennych substancji z wody morskiej