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

Az előadások a következő témára: "IONCSERÉS MŰVELETEK IONCSERÉS MŰVELETEK: KIALAKULÁSA JELENE JÖVŐJE IONCSERÉLŐ ANYAGOK IONCSERÉVEL KAPCSOLATOS FOLYAMATOK MŰVELETI MEGOLDÁSOK."— Előadás másolata:

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

2 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

3 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

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

5 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

6 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

7 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 (500- 1000 nm pórusméret ), makromolekulák KÉREG TÍPUSÚ: analitika FOLYÉKONY IONCSERÉLŐK

8 AZ IONCSERÉLŐ MŰGYANTÁK JELLEMZŐI SZEMCSEMÉRET:0,3—1,2 mm / 5-10-20-50-100-200 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 50-100 nm TÉRHÁLÓSSÁG: DVB-tartalom2-18 % FIZIKAI, KÉMIAI ELLENÁLLÓKÉPESSÉG: mechanikai szilárdság, termikus stabilitás, kemikáliák DUZZADÁS-ZSUGORODÁS: 5-10……..40-50 v/v% SZELEKTIVITÁS: SZELEKTIVITÁSI SORREND ioncsere izotermák KAPACITÁS:tömeg, térfogat egységre vonatkoztatva

9 AZ IONCSERÉLŐ MŰGYANTÁK KAPACITÁS ADATAI

10 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…..8-9-10 HCO 3 - < F - < Cl - < Br - < I- NO 3 - < HSO 4 - < < OH -

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

12 Oldószer adszorpciós vagy duzzadási egyensúly

13 Elektrolit adszorpciós egyensúly ELEKTROLIT KIZÁRÁS

14 ELEKTROLIT ADSZORPCIÓ

15 ELEKTROLIT KIZÁRÁS

16

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

18 Egy vegyértékű ionok cseréje (A+ B+)

19 IONCSERE IZOTERMÁK,ÁLLANDÓ SZELEKTIVITÁSI TÉNYEZŐK i + j +

20 IONCSERE IZOTERMÁK,KÍSÉRLETI

21 IONCSERÉS SZELEKTIVITÁSI TÉNYEZŐK

22 Különböző vegyértékű ionok cseréje (A++ B+)

23 IONCSERE IZOTERMÁK KÜLÖNBÖZŐ VEGYÉRTÉKEK ESETÉN

24 IONCSERÉS SZELEKTIVITÁSI TÉNYEZŐK KÜLÖNBÖZŐ VEGYÉRTÉKEK ESETÉN

25 IONCSERE IZOTERMÁK, KÜLÖNBÖZŐ OLDATKONCENTRÁCIÓK

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

27 IONCSERE IZOTERMÁK KELÁT TIPUSÚ GYANTÁN

28 AMFOTER TIPUSÚ IONCSERÉLŐ GYANTA

29 KÜLÖNBÖZŐ TIPUSÚ VEGYÜLETEK ELVÁLASZTÁSA AMFOTER IONCSERÉLŐ GYANTÁN

30 Erős elektrolitok (NaCl) hőmérsékletföggő izotermái amfoter típusú gyantán

31 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 )

32 IONCSERE EGYENSÚLY DISSZOCIÁCIÓVAL ( 1 )

33 IONCSERE EGYENSÚLY DISSZOCIÁCIÓVAL ( 2 )

34 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 )

35 Az ioncsere folyamatok kinetikájának becslése VERMEULEN- HIESTER kritérium:

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

37 Belső diffúziós gátlású ioncsere folyamat GLUECKAUF

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

39 IONCSERE KEVERŐS ÜSTBEN

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

41 ÁLLÓÁGYAS, FRONTÁLIS IONCSERÉS MŰVELET c 0i

42 Kísérleti áttörési görbe, állandó alakú, éles

43 Kísérleti áttörési görbe, arányos alakú, diffúz

44 Na + --H + ioncsere izoterma és deriváltja

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

46 A frontális ioncsere egyensúlyi modellje

47 Arányos alakú ioncserés frontok kialakulása és mozgása

48 Állandó alakú ioncserés frontok kialakulása és mozgása

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

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

51 Kísérleti és egyensúlyi modellel számított állandó alakú áttörési görbék

52 Kísérleti és egyensúlyi modellel számított arányos alakú áttörési görbék

53 Egyenáramú művelet, teljes regenerálás

54 Egyenáramú művelet, részleges regenerálás, nem kevert ágyas

55 Egyenáramú művelet, részleges regenerálás, kevert ágyas

56 Ellenáramú művelet

57 KÉTRÉTEGŰ ELLENÁRAMÚ IONCSERE

58 KEVERTÁGYAS IONCSERE

59 KEVERTÁGYAS IONCSERÉLŐK REGENERÁLÁSA

60 KÉTLÉPCSŐS REGENERÁLÁS

61 PARAMÉTERES SZIVATTYÚZÁS

62 A paraméteres szivattyúzás elve Tranziens tartomány Kvázi-stacionárius állapot

63 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

64 Komponensszétválasztás paraméteres szivattyúzással

65 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

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

67 Kísérleti berendezések /automatikus és kézi vezérlésű/

68 A termikus ioncserés paraméteres szivattyúzás elméleti ciklusa

69 Az áramlási sebesség hatása

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

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