Dializa i Elektrodializa Wykład 6: Dializa i Elektrodializa Zastrzeżenie Niektóre materiały graficzne zamieszczone w tym dokumencie oraz w łączach zewnętrznych mogą być chronione prawem autorskim i jako takie są przeznaczone jedynie do użytku wewnętrznego na WIChiP PW dla celów edukacyjnych Disclaimer Selected graphics in this document and external links can be copyright protected, and as such they are intended only for educational use at WIChiP PW Materiały wykładowe opracowane w ramach projektu „Program Rozwojowy Politechniki Warszawskiej” współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej

Dializą nazywamy process permeacyjnego rozdzielania substancji ropuszczonych w ropuszcalnikach ciekłych, przebiegający pod wpływem różnicy stężeń tych substancji w roztworach oddzielonych membraną.

Efekt rozdzielania jest skutkiem różnej szybkości dyfuzji składników roztworu w membranie. Różnice w rozmiarach cząsteczkowych składników roztworu Dializa jest szczególnie skuteczna przy rozdzielaniu cząstek koloidalnych od związków mało cząsteczkowych Np. proces odzyskiwania NaOH z roztworu wodnego NaOH i hemicelulozy w produkcji włókien wiskozowych. Permeacja związków małocząsteczkowych, zachodząca tylko pod wpływem różnicy stężeń jest bardzo powolna w porównaniu do filtracji membranowej (różnica ciśnień) Dialize stosuje się dla związków wrażliwych na podwyższone ciśnienie

Za pomocą Dializy rozdziela się różne elektrolity oraz wydziela substancje niejonowe z roztworów elektrolitów. W układzie elektrolit – membrana równowaga jonowa nosi nazwę równowagi Donnana Dializa w której za pomocą membran elektrycznie obojetnych lub jonowymiennej zachodzi rozdzielanie elektrolitów, określa się często dializą Donnana Proces dializy może być realizowany w sposób okrsowy lub w układzie przepływowym. membrana CA1 CA2 NA NL osmoza (transport rozpuszczalnika) dializat dyfuzat zjawisko negatywne

gęstość strumienia molowego membrana CA1 δm δ1 δ2 współczynnik dialityczny CA2 NA NL osmoza dializat dyfuzat Jeżeli założymy, że współczynniki dyfuzji molekularnej są stałe w rotworach I membranie:

Szacunkową wartość sumarycznego współczynnika wnikania masy opisującego wnikanie w obu fazach ciekłych w układzie dialitycznym, można określić ze wzoru: {m/s} współczynnik dyfuzji składnika A w cieczy Współczynnik dialityczny KA w membranie o porowatości ε, grubości δm I krętości porów χ można wyznaczyć z zależności: grubość membrany spęczniałej (+50%) średnica cząsteczki składnika A średnia wielkość porów

Dializer ciągły: Dyfuzat Roztwór surowy CP CF V L CL C0 Rozpuszczalnik Dializat

Przy założeniu braku przepływu osmotycznego rozpuszczalnika bilans molowy składnika dyfundującego przez membranę ma postać: Dyfuzat Roztwór surowy CP CF dla membrany o powierzchni Fm V L CL C0 Rozpuszczalnik Dializat

Możemy wyznaczyć stężenie w dializacie: Dyfuzat Roztwór surowy CP CF V L CL C0 Rozpuszczalnik Dializat

współprąd Dyfuzat Dializat CP C0 V L CL CF Rozpuszczalnik Roztwór surowy

Dializa okresowa Bilans masy składnika przenikającego przez membranę rozpuszczalnik Vs Dializat Cs dyfuzat membrana C1 Przy założeniu, że stężenie składnika w rozpusczalniku jest równe 0 tzn. C1=0 wartość początkowa w dializacie wartość końcowa w dializacie

Dializa elektrolitów mechanizm przenikania przez membrany jest skomplikowany oddziaływania Kulombowskie W czasie dyfuzji elektrolitu przez powierzchnię rozdziału faz od roztworu o stężeniu C1 do roztworu o mniejszym stężeniu C2 bardziej ruchliwy jon wyprzedza jon powolniejszy, wytwarzając na powierzchni rozdzielającej różnicę potencjałów elektrycznych. Różnica ta nazywa się potencjałem dyfuzyjnym Nersta - Plancka przewodnictwo równoważnikowe odpowiedniego jonu Stała Faradaya 9,65*104 C/wal

Potencjał dyfuzyjny przyśpiesza ruch jonu powolniejszego I hamuje ruch jonu szybszego, wyrównując w konsekwencji ruch obu jonów. Gęstość strumienia molowego danego jonu: Procesy zachodzące podczas przenoszenia elektrolitów przez membrany dialityczne, zwłaszcza przez membrany o zdolnościach jonowymiennych można wyjasnić na podstawie teroii równowagi jonowej Donnana odniesionej do układu roztwór elektrolitu - membrana Teoria ta przewiduje nierównomierny rozkład dyfundującego elektrolitu w dwóch roztworach oddzielonych membraną, która nie jest przepuszczalna dla jednego z jonów wystepujących w roztworze.

rozpuszczalnik rozpuszczalnik Na początku B membrana A rozpuszczalnik rozpuszczalnik Na+ Pr- Na+ Cl- c1 c1 c2 c2 Pr- nie przenika przez membranę Po ustaleniu stanu równowagi rozpuszczalnik rozpuszczalnik Cl- Na+ Pr- Na+ Cl- x c1 + x c1 c2 - x c2 – x Potencjały chemiczne NaCl w obu roztworach są równe: Dla roztworów rozcieńczonych:

Warunek elektroobojetności roztworów wyraża sie równaniami: wynika stąd, że: Stężenia elektrolitu zdolnego do przenikania przez membranę są różne w obu roztworach Roztwór zawierający jon nieprzenikajacy przez membranę ma mniejsze stężenie elektrolitu zdolnego do penetracji przez membranę

Dializery i zastosowanie dializy Można wydizelić trzy typy konstrukcji dializerów: zbiornikowy płytowo - ramowy rurowy W dializerze zbiornikowym (Ceriniego) w prostopadłościennym zbiorniku umieszczony jest układ wielu połączonych równolegle komór sczelinowych zawierających membrany. Roztwór surowy przepływa przez zbiornik, a rozpuszczalnik przez komory szczelinowe Wady: duża powierzchnia do zainstalowania, grube membrany , nie możliwość minimalizowania polaryzacji stężeniowej Zalety: Tania eksploatacja

Dializer płytowo – ramowy jest zbudowany na zasadzie konstrukcji prasy filtracyjnej. Skłąda się on z naprzemianległego układu ram pustych z membranami I płyt pełnych. Odpowiedni układ kanałów umozliwia przepływ cieczy surowej I rozpuszczalnika. Konstrukcja ta pozwala na zastosowanie bardzo cienkich membran, co pociaga za sobą duże gestości strumienia składników przenikających przez membranę Duże prędkości roztworów zmniejszają opory dyfuzyjne po obu stronach membrany Wada : skomplikowana konstrukcja

Dializery rurowe. Mają konstrukcje podobną do rurowych wymienników ciepła. Nie znalazły zastosowania w przemysle. Brak odpowiednich membran. Dializery w postaci membranowych modułów kapilarnych są szeroko stosowane w medycynie  sztuczna nerka

Główne przemysłowe zastosowanie dializy: hemodializy krwii wydzielanie kwasu siarkowego z jego roztworu z siarczanami niklu i miedzi po procesie elektrolitycznej rafinacji miedzi wydzielanie cukrów prostych w produktów scukrzania skrobii oczyszczanie płynów biologicznych i preparatów biochemicznych

Elektrodializa Elektrodializa jest procesem membranowego rozdzielania roztworów ciekłych, których składniki jonowe, tj. sole, zasady I kwasy, przenikają przez membrany pod wpływem różnicy potencjałów zewnętrznego pola elektrycznego. Jeżeli liczby przenoszenia jonów w roztworze I w materiale membrany są różne, wówczas prąd elektryczny płynący w kierunku prostopadłym do powierzchni membrany powoduje różnicowanie składów roztworów oddzielonych membraną. Przenoszenie elektrolitu zachodzi przy tym w kierunku od roztworu rozcieńczonego do stężonego.