Ćwiczenie 5 A-2, p Podstawowe procesy jednostkowe w technologii chemicznej Studia I stopnia (inżynierskie), stacjonarne, Rok III, semestr V

Transkrypt

1 Ćwiczenie 5 A-2, p. 110 Podstawowe procesy jednostkowe w technologii chemicznej Studia I stopnia (inżynierskie), stacjonarne, Rok III, semestr V Separacje membranowe wydzielanie produktu reakcji z mieszaniny reagentów Opracowała: dr inż. G. Poźniak UWAGA! Ćwiczenie podzielone jest na dwa ćwiczenia UF i DD, proszę przygotować się z obu procesów. Ćwiczenie A Ultrafiltracja (UF) jest procesem membranowym, w którym siłą napędową jest różnica ciśnień po obu stronach membrany. Ciśnienia stosowane w UF zwykle nie przekraczają 1 MPa, ponieważ ciśnienie osmotyczne roztworów makrocząsteczkowych jest małe i może być pomijane przy obliczeniach. Istota procesu UF polega na przenikaniu przez membranę strumienia filtratu zawierającego wodą oraz substancje o wymiarze cząsteczek mniejszych od wymiarów porów membrany (permeat), a zatrzymywaniu części strumienia zawierającego substancje p porównywalnym i większym wymiarze cząsteczek (retentat). Zatem jest to metoda oczyszczania i zatężania makrocząsteczek i suspensji koloidalnych. W procesie UF stosowane są membrany polimerowe o asymetrycznej strukturze porowatej, tzn. o zmiennym wymiarze porów wzdłuż przekroju poprzecznego membrany. Membrany takie składają się z bardzo cienkiej warstwy naskórka o grubości 0,1 0,5 µm (o małym wymiarze porów) i znacznie grubszego ok µm porowatego podłoża (z dużymi porami). Membrany tego typu otrzymywane są metodą inwersji faz typu zol żel. Polega to na doborze mieszalnych ze sobą rozpuszczalnika i nierozpuszczalnika wybranego polimeru. Z roztworu polimeru (o dużej lepkości) formuje się na płytce szklanej film polimerowy, a następnie płytkę zanurza się do łaźni z nierozpuszczalnikiem. W wyniku wypierania rozpuszczalnika przez nierozpuszczalnik zachodzi wytrącanie polimeru, a miejsca w polimerze wypełnione nierozpuszczalnikiem stanowią pory. Wielkość porów zależy od szybkości wytrącania polimeru ( regulacja stężeniem roztworu polimeru, czasem wstępnego odparowania rozpuszczalnika na powietrzu lub dodatkiem czynników zmieniających szybkość wytrącania). Do charakterystyki membran UF stosuje się oznaczanie średniego wymiaru porów metodą przepływu hydraulicznego lub metodą wyznaczania ciężaru cząsteczkowego związku przy którym 90 % substancji zostanie zatrzymane (ang. molecular weight cut-off MWCO). Wykonanie ćwiczenia: Pomiar strumienia wody a. Krążek membrany umieścić w aparacie ciśnieniowym (naskórkiem do góry), b. Aparat napełnić 100 cm 3 wody destylowanej, c. Włączyć sprężarkę, regulując manostatem ciśnienie na poziomie 0,1 MPa, d. Mierzyć czas przepływu trzech kolejnych porcji 10 cm 3 porcji wody, na tej podstawie obliczyć przepuszczalność hydrauliczną, e. Wyłączyć manostat i sprężarkę, wylać wodę z celki nie wyjmując membrany. Pomiar stopnia zatrzymania barwnika

2 f. Wlać do celki filtracyjnej ok. 40 cm 3 barwnika azowego (oranż metylowy, czerwień Kongo, czerń bezpośrednia) g. Włączyć sprężarkę, regulując manostatem ciśnienie na poziomie 0,1 MPa, h. Mierzyć czas przepływu dwóch kolejnych porcji barwnika, z drugiej porcji filtratu (permeatu) barwnika pobrać próbkę do oznaczenia stężenia metodą spektroskopii UV/VIS. Z wyznaczonej ekstynkcji obliczyć stężenie (krzywa kalibracyjna). Stężenia te posłużą nam do określenia stopnia zatrzymania danego barwnika. i. Wyłączyć manostat i sprężarkę, j. Następnie postępować podobnie z każdym z barwników k. Po skończonym procesie filtracji każdego, rozmontować aparat i wyjąć membranę l. Zmierzyć powierzchnię czynną membrany (suwmiarka). Przygotowanie krzywych kalibracyjnych barwników: a. Z roztworu wyjściowego danego barwnika (oranż metylowy, czerwień Kongo, czerń bezpośrednia) o stężeniu początkowym 0,1 g/dm 3, przygotować w kolbkach miarowych o pojemności 50 cm 3 roztwory o stężeniu 0,01; 0,02 oraz 0,03 g/dm 3 dla każdego z barwników, b. Następnie dla każdego z barwników zmierzyć absorbancję metodą spektroskopii UV/Vis, przy danej długości fali oranż metylowy: λ=465 nm, czerwień Kongo: λ=497 nm, czerń bezpośrednia: λ=580 nm, c. Wyznaczyć krzywe kalibracyjne, które posłużą do określania stężenia barwników w poszczególnych filtratach. Obliczenia: 1. Przepuszczalność hydrauliczną (J) obliczyć wg wzoru: 3 V cm J [ ], (1), 2 S t cm s V objętość filtrowanej wody, cm 3, S powierzchnia czynna membrany, cm 2, t czas pomiaru, s. 2. Stopień zatrzymania barwnika (R) ze wzoru: c p R ( 1 ) 100%, (2), co co stężenie początkowe barwnika, g/dm 3, cp stężenie barwnika w permeacie (filtracie), g/dm 3. Sprawozdanie: - cel ćwiczenia, - krótki wstęp teoretyczny, (proszę nie kopiować instrukcji), - wyniki pomiarów w tabeli, - wszystkie obliczenia, - wnioski. Literatura:

3 1. J. F. Rabek, Podstawy fizykochemii polimerów, Wyd. Politechnika Wrocławska, Wrocław, M. Bodzek, J. Bohdziewicz, K. Konieczny, Techniki membranowe w ochronie środowiska, Wyd. Politechnika Śląska, Gliwice Zagadnienia do kolokwium: 1. Jakie znasz procesy membranowe, w których siłą napędową jest różnica ciśnień? 2. Zalety porowatej struktury asymetrycznej membran. 3. Jak tworzy się warstwa naskórka w membranie asymetrycznej? 4. Charakterystyka i zastosowanie procesu UF. 5. Właściwości polimeru (wzór, otrzymywanie), z którego uformowano badaną membranę porowatą. UWAGA! Membrana w UF będzie wykonana z polisulfonu UDEL 1700, proszę zapoznać się z informacjami na temat tego polimeru. Ćwiczenie B: Separacja membranowa, wydzielenie produktu reakcji z mieszaniny reagentów Opracowała dr inż. Gryzelda Poźniak Procesy membranowe, przy których zachodzą przemiany fazowe, nie wymagają dużych nakładów energetycznych. Z tych względów skutecznie konkurują z konwencjonalnymi procesami rozdzielczymi. Membranę stanowi faza rozdzielająca dwie inne fazy i przez nią odbywa się selektywny transport masy lub energii. Jednym z typów membran jest membrana jonowymienna, tzn. membrana z grupami zdolnymi do dysocjacji elektrolitycznej. Membrana taka wykazuje selektywne właściwości w stosunku do jonów o określonym ładunku elektrycznym. I tak, membrana anionowymienna za związanymi trwale grupami o ładunku dodatnim wyklucz kationy (współjony) poprzez elektrostatyczne odpychanie, a przyciąga aniony (przeciwjony). Transport anionów poprzez membranę anionową spowodowany jest reakcją wymiany przeciwjonów pomiędzy roztworem a membraną. W układzie: kwas // membrana anionowymienna // woda przez membranę dyfundują zarówno aniony kwasowe (jako przeciwjony), jak i kationy wodorowe (ze względu na bardzo dużą dyfuzyjność, nieporównywalną z innymi kationami, a przede wszystkim w wyniku proton-jump poprzez wiązania wodorowe wody zawartej w membranie). Taki proces umożliwia rozdział kwasu od soli, co ma szczególne znaczenie w procesach hydrometalurgicznych. Interpolimerowa membrana anionowymienna to układ: polietylen// poli(styren-co-diwinylobenzen) z podstawionym chemicznie pierścieniem benzenowym w polistyrenie grupą aminową: -[ -CH2-N + -H2-R]Cl -

4 Wykonanie ćwiczenia: a. zamontować membranę w dializerze, b. sporządzić mieszaninę (1:1 obj.) 1 M HCl + 1 M CuCl2 (lub 1 M H2SO4 + 1 M CuSO4) w zlewce o pojemności 50 cm 3, (sporządzić 40 cm 3 mieszaniny), c. napełnić prawą komorę dializera wodą destylowaną (37 cm 3 pipetą), d. napełnić lewą komorę dializera mieszaniną kwasu i soli (37 cm 3 pipetą), e. pomiar prowadzić od jednej do dwóch godzin (czas podaje prowadzący), f. po zakończeniu pomiaru pobrać strzykawką do zlewki cały roztwór z komory prawej: 1. 1 cm 3 roztworu, przenieść do kolbki miarowej i dopełnić do kreski do objętości 50 cm 3. zmierzyć stężeie miedzi metodą ASA (uzyskany wynik pomiarowy w mg/dm 3 przeliczyć na mol/dm 3 ), cm 3 roztworu (pipeta) przenieść do kolbki erlenmajerki i miareczkować 0,05 M roztworem NaOH wobec błękitu bromotymolowego do zmiany barwy z żółtej na zieloną, g. rozmontować dializer i przemyć go wodą destylowaną, h. zmierzyć powierzchnię czynną membrany. Obliczenia: 1. Strumienie kwasu (Jk) i soli (Js) ze wzoru: Ct mol J, [ ] (3) 2 A t cm s Ct stężenie jonu wodoru i miedzi, odpowiednio po czasie t w komorze prawej, (liczba moli w 1 dm 3 ), mol/dm 3, t czas trwania pomiaru, s, A powierzchnia czynna membrany, cm Selektywność membrany (S) ze wzoru: J k S, (4) J Sprawozdanie: - cel ćwiczenia, - krótki wstęp teoretyczny, (proszę nie kopiować instrukcji), - wyniki pomiarów w tabeli, - wszystkie obliczenia, - wnioski. Literatura: 1. T. Winnicki, Polimery czynne w inżynierii ochrony środowiska, Arkady, Wa-wa M. Bodzek, J. Bohdziewicz, K. Konieczny, Techniki membranowe w ochranie środowiska, wyd. Politechnika Śląska, Gliwice Zagadnienia: 1. Definicja membrany i rodzaje membran. s

5 2. Podział procesów membranowych ze względu na szereg kryteriów, np. siłę napędową, pochodzenie, wielkość porów. 3. Ogólna charakterystyka dializy dyfuzyjnej. 4. Zastosowanie procesu dializy dyfuzyjnej. 5. Definicja polimeru, podać przykłady polimerów mających zastosowanie w formowaniu membran. 6. Proces wymiany jonowej podstawowe informacje (włącznie z schematycznym zapisem procesu wymiany jonowej na grupach jonowymiennych polimeru). 7. Interpolimery ogólne informacje. 8. Charakterystyka materiały, z którego wykonano membranę do DD, (wzór strukturalny, właściwości, grupa jonowymienna itp.).