ZastrzeżenieNiektóremateriałygraficznezamieszczonewtymdokumencieorazwłączachzewnętrznychmogąbyćchronioneprawemautorskimijakotakiesąprzeznaczonejedyniedoużytkuwewnętrznegonaWIChiPPWdlacelówedukacyjnych

DisclaimerSelectedgraphicsinthisdocumentandexternallinkscanbecopyrightprotected,andassuchtheyareintendedonlyforeducaHonaluseatWIChiPPW

Materiaływykładoweopracowanewramachprojektu„ProgramRozwojowyPolitechnikiWarszawskiej”współfinansowanegoześrodkówUniiEuropejskiej

Wykład 9: Dializa i Elektrodializa

Dializą nazywamy process permeacyjnego rozdzielania substancji ropuszczonych wropuszcalnikach ciekłych, przebiegający podwpływem różnicy stężeń tych substancjiwroztworachoddzielonychmembraną.

Efekt rozdzielania jest skutkiem różnej szybkości dyfuzji składników roztworu wmembranie.

Różnicewrozmiarachcząsteczkowychskładnikówroztworu

Dializajestszczególnieskutecznaprzyrozdzielaniucząstekkoloidalnychodzwiązkówmałocząsteczkowych

Np.procesodzyskiwaniaNaOHzroztworuwodnegoNaOHihemicelulozywprodukcjiwłókienwiskozowych.

Permeacja związków małocząsteczkowych, zachodząca tylko pod wpływem różnicystężeńjestbardzopowolnawporównaniudofiltracjimembranowej(różnicaciśnień)

Dializestosujesiędlazwiązkówwrażliwychnapodwyższoneciśnienie

ZapomocąDializyrozdzielasięróżneelektrolityorazwydzielasubstancjeniejonowezroztworówelektrolitów.

Wukładzieelektrolit–membranarównowagajonowanosinazwęrównowagiDonnana

Dializa w której za pomocą membran elektrycznie obojetnych lub jonowymiennejzachodzirozdzielanieelektrolitów,określasięczęstodializąDonnana

Procesdializymożebyćrealizowanywsposóbokrsowylubwukładzieprzepływowym.

dializat dyfuzat

NANL

CA1

CA2

membrana

osmoza (transportrozpuszczalnika)

zjawiskonegatywne

dializat dyfuzat

NANL

CA1

CA2

membrana

osmoza

NA= K

ACA1!C

A2( )

gęstośćstrumieniamolowego

współczynnikdialityczny

Jeżelizałożymy,żewspółczynnikidyfuzjimolekularnejsąstałewrotworachImembranie:

1

KA

=!1

DA1

+!m

DAm

+!2

DA2

δ1 δ2δm

Szacunkowąwartośćsumarycznegowspółczynnikawnikaniamasyopisującegownikaniewobufazachciekłychwukładziedialitycznym,możnaokreślićzewzoru:

kc=10

3DA

{m/s}

współczynnikdyfuzjiskładnikaAwcieczy

WspółczynnikdialitycznyKAwmembranieoporowatościε,grubościδmIkrętościporówχmożnawyznaczyćzzależności:

KA= 0,6

DA!f

"m#

f =1! 2,104dA

dk

+ 2,09dA

dk

"

#$%

&'

3

! 0,95dA

dk

"

#$%

&'

5

średnicacząsteczkiskładnikaA

średniawielkośćporów

grubośćmembranyspęczniałej(+50%)

Dializerciągły:

Rozpuszczalnik

CL

Dyfuzat

CP

V L

Roztwórsurowy

Dializat

C0

CF

NA= K

A!C

!C =

Cf"C

p( )" C0 "C1( )

lnCf"C

p

C0"C

1

Rozpuszczalnik

CL

Dyfuzat

CP

V L

Roztwórsurowy

Dializat

C0

CF

P r z y z a ł o ż e n i u b r a k u p r z e p ł y w uosmotycznegorozpuszczalnikabilansmolowyskładnikadyfundującegoprzezmembranęmapostać:

L Cf!C

0( ) =V C

p!C

1( )

L Cf!C

0( ) = NA

Fm

dlamembranyopowierzchniFm

Rozpuszczalnik

CL

Dyfuzat

CP

V L

Roztwórsurowy

Dializat

C0

CF

Możemywyznaczyćstężeniewdializacie:

C0=

Cf1!L

V

"#$

%&'+C

1(pp!1( )

(pp!L

V

"#$

%&'

!pp= exp 1"

L

V

#$%

&'(KAFm

L

)

*+

,

-.

Rozpuszczalnik

CL

Dyfuzat

CP

V L

Roztwórsurowy

Dializat

C0

CF

współprąd

C0=

Cf

!wp

+L

V

"#$

%&'C11(!

wp( )

1+L

V

!wp

= exp " 1+L

V

#$%

&'(KAFm

L

)

*+

,

-.

Dializaokresowa

rozpuszczalnik

dyfuzat

Dializat

membrana

Bilans masy składnika przenikającegoprzezmembranę

!Vs

dCs

dt= K

AFmCs!C

1( )

Cs

C1

Vs

Przyzałożeniu,żestężenieskładnikawrozpusczalnikujestrówne0tzn.C1=0

! =Vs

KAFm

lnCf

C0

wartośćpoczątkowawdializacie

wartośćkońcowawdializacie

Dializaelektrolitów

mechanizmprzenikaniaprzezmembranyjestskomplikowany

oddziaływaniaKulombowskie

Wczasiedyfuzjielektrolituprzezpowierzchnięrozdziału fazodroztworuostężeniuC1doroztworuomniejszymstężeniuC2bardziejruchliwyjonwyprzedzajonpowolniejszy,wytwarzającnapowierzchnirozdzielającejróżnicępotencjałówelektrycznych.RóżnicatanazywasiępotencjałemdyfuzyjnymNersta‐Plancka

!E =RT

F

!+" !

"

!++ !

"

lnC1

C2

StałaFaradaya9,65*104C/wal

p r z e w o d n i c t w or ó w n o w a ż n i k o w eodpowiedniegojonu

Potencjał dyfuzyjny przyśpiesza ruch jonu powolniejszego I hamuje ruch jonuszybszego, wyrównując w konsekwencji ruch obu jonów. Gęstość strumieniamolowegodanegojonu:

Ni= !D

i

dCi

dx+ !

i

Ci

F

dE

dx

Procesyzachodzącepodczasprzenoszeniaelektrolitówprzezmembranydialityczne,zwłaszcza przez membrany o zdolnościach jonowymiennych można wyjasnić napodstawie teroii równowagi jonowej Donnana odniesionej do układu roztwórelektrolitu‐membrana

Teoria ta przewiduje nierównomierny rozkład dyfundującego elektrolitu w dwóchroztworach oddzielonych membraną, która nie jest przepuszczalna dla jednego zjonówwystepującychwroztworze.

14

B membrana Arozpuszczalnik rozpuszczalnik

Na+ Pr‐ Na+ Cl‐

c1 c1 c2 c2

Pr‐nieprzenikaprzezmembranę

Poustaleniustanurównowagi

Cl‐ Na+Pr‐ Na+ Cl‐rozpuszczalnik rozpuszczalnik

xc1+xc1 c2‐x c2–x

Napoczątku

PotencjałychemiczneNaClwoburoztworachsąrówne: µNaCl A

= µNaCl B

Dlaroztworówrozcieńczonych: Na+!

"#$ACl

%!"

#$A

= Na+!

"#$BCl

%!"

#$B

15

Warunekelektroobojetnościroztworówwyrażasierównaniami:

Na+!

"#$A

= Cl%!

"#$A

Na+!

"#$B

= Cl%!

"#$B

+ Pr%!

"#$B

wynikastąd,że:Cl

!"#

$%A

2

= Cl!"

#$%B

2

+ Cl!"

#$%BPr

!"#

$%B

Cl!"

#$%A

> Cl!"

#$%B

Stężeniaelektrolituzdolnegodoprzenikaniaprzezmembranęsąróżnewoburoztworach

Roztwórzawierającyjonnieprzenikajacyprzezmembranęmamniejszestężenieelektrolituzdolnegodopenetracjiprzezmembranę

Dializeryizastosowaniedializy

Możnawydizelićtrzytypykonstrukcjidializerów:

zbiornikowy płytowo‐ramowy rurowy

W dializerze zbiornikowym (Ceriniego) w prostopadłościennym zbiornikuumieszczony jest układ wielu połączonych równolegle komór sczelinowychzawierających membrany. Roztwór surowy przepływa przez zbiornik, arozpuszczalnikprzezkomoryszczelinowe

Wady: duża powierzchn ia dozainstalowania,grubemembrany,niem o ż l i w o ś ć m i n im a l i z ow a n i apolaryzacjistężeniowej

Zalety:Taniaeksploatacja

Dializer płytowo – ramowy jest zbudowany na zasadzie konstrukcji prasyfiltracyjnej.SkłądasięonznaprzemianległegoukładurampustychzmembranamiIpłyt pełnych. Odpowiedni układ kanałów umozliwia przepływ cieczy surowej Irozpuszczalnika.Konstrukcjatapozwalanazastosowaniebardzocienkichmembran,co pociaga za sobą duże gestości strumienia składników przenikających przezmembranę

D u ż e p r ę d k o ś c i r o z two r ówzmniejszająoporydyfuzyjnepoobustronachmembrany

Wada:skomplikowanakonstrukcja

Dializery rurowe. Mają konstrukcje podobną do rurowych wymienników ciepła. Nieznalazłyzastosowaniawprzemysle.Brakodpowiednichmembran.

Dializery w postaci membranowych modułów kapilarnych są szeroko stosowane wmedycyniesztucznanerka

Główneprzemysłowezastosowaniedializy:

hemodializykrwii

wydzielaniekwasusiarkowegozjegoroztworuzsiarczanaminikluimiedzipoprocesieelektrolitycznejrafinacjimiedzi

wydzielaniecukrówprostychwproduktówscukrzaniaskrobii

oczyszczaniepłynówbiologicznychipreparatówbiochemicznych

Elektrodializa

Elektrodializa jest procesemmembranowego rozdzielania roztworów ciekłych, którychskładniki jonowe, tj. sole, zasady I kwasy, przenikają przez membrany pod wpływemróżnicypotencjałówzewnętrznegopolaelektrycznego.

JeżeliliczbyprzenoszeniajonówwroztworzeIwmaterialemembranysąróżne,wówczasprądelektrycznypłynącywkierunkuprostopadłymdopowierzchnimembranypowodujeróżnicowanieskładówroztworówoddzielonychmembraną.

Przenoszenie elektrolitu zachodzi przy tymw kierunku od roztworu rozcieńczonego dostężonego.