IONCSERÉS MŰVELETEK IONCSERÉS MŰVELETEK: KIALAKULÁSA JELENE JÖVŐJE IONCSERÉLŐ ANYAGOK IONCSERÉVEL KAPCSOLATOS FOLYAMATOK MŰVELETI MEGOLDÁSOK

IONCSERÉS MŰVELETEK KIALAKULÁSA I.E.: MÓZES, ARISZTOTELÉSZ CELLULÓZ, TALAJOK /IVÓ/VÍZKEZELÉS 1850 THOMSON, WAY GŐZGÉPEK KŐZETEK, ZEOLITOK /IPARI/VÍZKEZELÉS 1935 ADAMS, HOLMES HASADÓANYAG IPAR BAKELIT LEMEZ VÍZKEZELÉS IONKATALIZÁLT REAKCIÓK SZEPARÁCIÓS PROBLÉMÁK

IONCSERÉS MŰVELETEK JELENE VÍZKEZELÉS: NAGYTISZTASÁGÚ VIZEK NUKLEÁRIS IPAR ŰRTECHNOLÓGIA SZEPARÁCIÓS MŰVELETEK: NAGYTISZTASÁGÚ ANYAGOK BIOKÉMIA, BIOSZEPARÁCIÓ KÖRNYEZETVÉDELEM KOMBINÁLT MŰVELETEK: IONCSERE+KÉMIAI REAKCIÓK IONKATALIZÁLT REAKCIÓK LIGANDUM-IONCSERE OPTIKAILAG AKTÍV CENTRUMOK

IONCSERÉS MŰVELETEK JÖVŐJE VÍZKEZELÉS KÖRNYEZETVÉDELEM SZEPARÁCIÓS MŰVELETEK KROMATOGRÁFIA KOMBINÁLT MŰVELETEK REAKTÍV IONCSERE REAKTÍV POLIMEREK

IONCSERÉLŐ ANYAGOK, MÁTRIX IONCSERÉLŐK: vízben oldhatatlan ált. szilárd „polielektrolitok” MÁTRIX FUNKCIÓS CSOPORTOK MÁTRIX: polimer váz 1940-polikondenzációval: /fenol-formaldehid/ /gyöngy/polimerizációval: /polisztirolok, polimetakrilátok/ 1947szulfonált polisztirol /gél típusú/ 1948térhálósított / DVB / polisztirolok 1953poli/met/akrilsav /DVB/ 1959makropórusos mátrixok 1965nem ionos polimer adszorbensek 1970makro-retikulár mátrix 1980tentacle mátrix 1980monosphere mátrix 1990gigapórusú polimetakrilátok

IONCSERÉLŐ ANYAGOK, FUNKCIÓS CSOPORTOK FUNKCIÓS CSOPORTOK: A MÁTRIXHOZ RÖGZÍTETT, DISSZOCIÁBILIS MINŐSÉGE: Kationcserélők Anioncserélők Speciális ioncserélők Kelát Amfoter Ionszelektív Redoxi DISSZOCIÁCIÓS JELLEG: erősen, közepesen, gyengén savas ill. bázisos ioncserélő anyagok

IONCSERÉLŐ ANYAGOK, EGYÉB IONCSERÉLŐK SZERVETLEN ANYAGÚ zeolitok: (katalizátorok, mosószeripar) csapadékok, rosszul oldódó sók ( nukleáris ipar) CELLULÓZ ALAPÚ(bioszeparáció) tágpórusú, hidrofil DEXTRÁN-VÁZAS(bioszeparáció) gélszűrés+ioncsere GIGAPÓRUSOS ( nm pórusméret ), makromolekulák KÉREG TÍPUSÚ: analitika FOLYÉKONY IONCSERÉLŐK

AZ IONCSERÉLŐ MŰGYANTÁK JELLEMZŐI SZEMCSEMÉRET:0,3—1,2 mm / μm/ SŰRŰSÉG:kationcserélő:1,3-1,4 kg/dm 3 anioncsertélő:1,1-1,2 kg/dm 3 POROZITÁS: gél-tipusú, maropórusos, makro-retikuláris atomi méretű nm TÉRHÁLÓSSÁG: DVB-tartalom2-18 % FIZIKAI, KÉMIAI ELLENÁLLÓKÉPESSÉG: mechanikai szilárdság, termikus stabilitás, kemikáliák DUZZADÁS-ZSUGORODÁS: 5-10…… v/v% SZELEKTIVITÁS: SZELEKTIVITÁSI SORREND ioncsere izotermák KAPACITÁS:tömeg, térfogat egységre vonatkoztatva

AZ IONCSERÉLŐ MŰGYANTÁK KAPACITÁS ADATAI

SZELEKTIVITÁSI SORRENDEK Erősen savas kationcserélő:pH: 0………..14 Li + < H + < Na + < K + < Cs + < Ag + Mg ++ < Ca ++ < Ni ++ < Cu ++ < Fe ++ Al +++ < Cr +++ < Fe +++ Gyengén savas kationcserélő:pH: 4-4.5…..14 Cs + < K + < Na + < Li + < H + < Na + < K + < Cs + < Ag + Mg ++ < Ca ++ < Fe ++ < Zn ++ < Ni ++ < Cu ++ < < H + Erősen bázikus anioncserélő:pH: 0………..14 I.tipus: OH - < F - < HCO 3 - < Cl - < NO 2 - < CN - < NO 3 - II.tipus: F - < OH - < Cl - < NO 2 - < CN - < Br - < NO 3 - Gyengén bázikus anioncserélő: pH: 0… HCO 3 - < F - < Cl - < Br - < I- NO 3 - < HSO 4 - < < OH -

AZ IONCSERE FOLYAMATTAL KAPCSOLATOS EGYENSÚLYOK oldószer- adszorpciós vagy duzzadási egyensúly elektrolit-adszorpciós egyensúly ioncsere egyensúly

Oldószer adszorpciós vagy duzzadási egyensúly

Elektrolit adszorpciós egyensúly ELEKTROLIT KIZÁRÁS

ELEKTROLIT ADSZORPCIÓ

ELEKTROLIT KIZÁRÁS

Ioncsere egyensúly Ioncsere reakció: sztöchiometrikus egyensúlyi Termodinamikai egyensúlyi állandó Látszólag egyensúlyi állandó : Szelektivitási tényező:

Egy vegyértékű ionok cseréje (A+ B+)

IONCSERE IZOTERMÁK,ÁLLANDÓ SZELEKTIVITÁSI TÉNYEZŐK i + j +

IONCSERE IZOTERMÁK,KÍSÉRLETI

IONCSERÉS SZELEKTIVITÁSI TÉNYEZŐK

Különböző vegyértékű ionok cseréje (A++ B+)

IONCSERE IZOTERMÁK KÜLÖNBÖZŐ VEGYÉRTÉKEK ESETÉN

IONCSERÉS SZELEKTIVITÁSI TÉNYEZŐK KÜLÖNBÖZŐ VEGYÉRTÉKEK ESETÉN

IONCSERE IZOTERMÁK, KÜLÖNBÖZŐ OLDATKONCENTRÁCIÓK

Kelát tipúsú ioncserélő Szelektivitása alkáli- < < alkáliföld- < nehézfémek << H +

IONCSERE IZOTERMÁK KELÁT TIPUSÚ GYANTÁN

AMFOTER TIPUSÚ IONCSERÉLŐ GYANTA

KÜLÖNBÖZŐ TIPUSÚ VEGYÜLETEK ELVÁLASZTÁSA AMFOTER IONCSERÉLŐ GYANTÁN

Erős elektrolitok (NaCl) hőmérsékletföggő izotermái amfoter típusú gyantán

Ioncsere egyensúly Termodinamikai egyensúlyi állandó hőmérséklet függése: MÁSODLAGOS FOLYAMATOK: Gyanta fázisban: funkciós csoportok disszociációja: --COO - --COOH Folyadék fázisban: ellenionok folyadék fázisban: disszociáció komplexképződés új fázis: gáz ( CO2 ) szilárd (CaSO4 )

IONCSERE EGYENSÚLY DISSZOCIÁCIÓVAL ( 1 )

IONCSERE EGYENSÚLY DISSZOCIÁCIÓVAL ( 2 )

Az ioncsere folyamatok kinetikája Diffúzió az ioncserélő szemcse felületén kialakuló Nernst-féle határrétegben (külső diffúzió). Diffúzió az ioncserélő szemcse pórusaiban illetve a gélben (belső diffúzió). Ioncsere reakció: ( gyors )

Az ioncsere folyamatok kinetikájának becslése VERMEULEN- HIESTER kritérium:

Külső diffúziós kinetika: –a folyadék fázis összkoncentrációja alacsony (<0,01 N) –a Reynolds-szám kicsi A külső diffúziós gátlású ioncsere folyamat CARBERRY KATAOKA

Belső diffúziós gátlású ioncsere folyamat GLUECKAUF

Ioncsere keverős üstben Állóágyas, frontális ioncserés műveletek Fluid ágyas megoldások Mozgó /csúszó /ágyas berendezések Szimulált mozgó ágyas, folyamatos megoldások AZ IONCSERE MINT VEGYIPARI MŰVELET

IONCSERE KEVERŐS ÜSTBEN

Állóágyas, ciklikus ioncserés műveletek Egyenáramú részleges regenerálás, kevert ágyas Ellenáramú többrétegű gyanta ágyak Kevert ágyas három rétegű, „triobed” Többlépcsős regenerálás

ÁLLÓÁGYAS, FRONTÁLIS IONCSERÉS MŰVELET c 0i

Kísérleti áttörési görbe, állandó alakú, éles

Kísérleti áttörési görbe, arányos alakú, diffúz

Na + --H + ioncsere izoterma és deriváltja

IONCSERÉS FOLYAMATOK MATEMATIKAI LEÍRÁSA Egyensúlyi modell: egyensúlyi adatok, koncentrációk, kapacitás oszlop jellemzők Egyensúlyi kaszkád modell + kaszkádszám Nem egyensúlyi, kinetikus modellek +átadási tényezők, keveredés

A frontális ioncsere egyensúlyi modellje

Arányos alakú ioncserés frontok kialakulása és mozgása

Állandó alakú ioncserés frontok kialakulása és mozgása

Arányos alakú koncentráció profilok v x =(1+μ)/(1+μ*f’)

Állandó alakú koncentráció profilok v x =(1+μ)/(1+μ*f’ Δ )

Kísérleti és egyensúlyi modellel számított állandó alakú áttörési görbék

Kísérleti és egyensúlyi modellel számított arányos alakú áttörési görbék

Egyenáramú művelet, teljes regenerálás

Egyenáramú művelet, részleges regenerálás, nem kevert ágyas

Egyenáramú művelet, részleges regenerálás, kevert ágyas

Ellenáramú művelet

KÉTRÉTEGŰ ELLENÁRAMÚ IONCSERE

KEVERTÁGYAS IONCSERE

KEVERTÁGYAS IONCSERÉLŐK REGENERÁLÁSA

KÉTLÉPCSŐS REGENERÁLÁS

PARAMÉTERES SZIVATTYÚZÁS

A paraméteres szivattyúzás elve Tranziens tartomány Kvázi-stacionárius állapot

Paraméteres szivattyúzási műveletek Intenzív paraméterek hőmérséklet nyomás pH kémiai potenciál Paraméterváltozás helye: műveleti egység palástján ki- és belépő felületen Működési mód: szakaszos félfolyamatos folyamatos Fázisok: álló: -szilárd - folyadék mozgó: - folyadék - gáz Kombinációk

Komponensszétválasztás paraméteres szivattyúzással

A termikus ioncserés paraméteres szivattyúzás műveleti jellemzői: Előnyei: nem használ új komponenst a termékek nem hígulhatnak veszteségmentes termék előállítás alacsony hőmérséklet értékek egyensúlyok hőmérséklet függése nagytisztaságú anyagok

Termikus adszorpciós-ioncserés paraméteres szivattyúzás Előny- alacsony hőmérséklet értékek - nem használ új komponenst - a termékek nem hígulhatnak - veszteségmentes termék előállítás - egyensúlyok

Kísérleti berendezések /automatikus és kézi vezérlésű/

A termikus ioncserés paraméteres szivattyúzás elméleti ciklusa

Az áramlási sebesség hatása

A kvázi-stacionárius állapot számításának lépései  H =  M,V –  ’  s H

A kvázi-stacionárius állapot mért és számított koncentráció profiljai, ΔV=1200 cm 3, α'=0,42