1 ADSORPCJA w układzie ciecz – gaz (separacja pianowa)Wykład 2 ADSORPCJA w układzie ciecz – gaz (separacja pianowa) Procesy Oczyszczania Cieczy 2

2 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaJedną z metod oczyszczania cieczy ze związków organicznych, zwłaszcza mających charakter związków powierzchniowo czynnych (surfaktanty) jest separacja pianowa. W procesie tym wykorzystuje się zjawiska adsorpcji powierzchniowej na granicy faz gaz – ciecz. Układ gaz – ciecz przekształca się do struktury zwanej pianą, w której gaz jest fazą rozproszoną w ciągłej fazie ciekłej. gaz ciecz Bardzo duże rozwinięcie powierzchni kontaktu między fazami !! Procesy Oczyszczania Cieczy 2

3 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaUtworzenie różniczkowej dA powierzchni granicy faz wiąże się z określonym wkładem pracy: napięcie powierzchniowe J/m2 , N/m Dla powierzchni o kształcie sfery o promieniu r całkowita energia powierzchniowa wynosi: Zmiana promienia sfery o wartość dr związana jest ze zmianą energii powierzchniowej: Procesy Oczyszczania Cieczy 2

4 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaZmiana wielkości pęcherzyka gazowego związana jest z pracą jaką wykonuje różnica ciśnień pomiędzy wnętrzem pęcherzyka a otoczeniem : Praca ta równoważy się ze zmianą energii powierzchniowej: Po przekształceniu otrzymujemy zależność na różnicę ciśnienia gazu w pęcherzyku i błonce cieczy: Rów. Younga – Laplace’a Procesy Oczyszczania Cieczy 2

5 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaDla innej geometrii niż sferyczna np. torusa równanie przyjmuje postać: Ze wzorów tych wynika, że dla płaskiej granicy faz oraz , że im pęcherzyk jest mniejszy tym panuje w nim większe ciśnienie. Jak zachowa się powietrze po otwarciu zaworu ? W którą stronę popłynie ? Procesy Oczyszczania Cieczy 2

6 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaKluczowym zagadnieniem staje się określenie wartości napięcia powierzchniowego. Metody pomiaru napięcia powierzchniowego: kapilarna sprowadzająca się do pomiaru zmiany poziomu cieczy w kapilarze (wąskiej rurce) w odniesieniu do poziomu cieczy w szerokim naczyniu; maksymalnego ciśnienia potrzebnego do wypchnięcia pęcherzyka lub kropli z zakończenia kapilarnego; odrywania pierścienia, polegająca na pomiarze siły potrzebnej do oderwania pierścienia lub ramki od powierzchni cieczy; odrywającej się kropli, polegająca na pomiarze ciężaru kropli odrywającej się od rurki o znanej średnicy; wiszącej kropli i leżącej kropli, w których mierzy się deformację kropel pod wpływem sił grawitacyjnych; Procesy Oczyszczania Cieczy 2

7 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaMetoda kapilarna. Gdy ciecz zwilża ściankę kapilary o promieniu r, wówczas ciecz dąży do ułożenia się równolegle do ścianki, tworząc menisk wklęsły. Powierzchnia gaz – ciecz w przybliżeniu ma promień r. Powierzchnia cieczy zwiększa się (w stosunku do płaskiej cieczy). Rośnie energia powierzchniowa. Aby zapobiec temu energetycznie "niekorzystnemu" zjawisku ciecz w rurce podnosi się, próbując przywrócić płaski kształt powierzchni. Proces trwa tak długo, aż ciężar słupa cieczy zrównoważy siłę napięcia powierzchniowego. r W stanie równowagi: Procesy Oczyszczania Cieczy 2

8 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaMetoda ważenia kropel (stalagmometr) Siła równoważąca ciężar kropli : współczynnik empiryczny Zamiast r wstawia się R*k rk W stanie równowagi: dk Waży się określoną Procesy Oczyszczania Cieczy 2

9 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaDla roztworów napięcie powierzchniowe można w przybliżeniu obliczyć addytywnie: ułamki molowe składników ciekłych Dla roztworów elektrolitów napięcie powierzchniowe jest niż dla czystej wody. Woda i rtęć charakteryzują się największą wartością napięcia powierzchniowego 0,072 N/m Zależność od temperatury opisuje wzór Eotvosa: temperatura krytyczna 2.1×10−7 J/(K·mol−2/3) Procesy Oczyszczania Cieczy 2

10 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaWzrost ciśnienia powoduje spadek napięcia powierzchniowego. W stanie krytycznym napięcie powierzczhniowe znika. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

11 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaSzczególnie wysoka wartość napięcia powierzchniowego wody spowodowana jest dużą polarnością jej cząsteczek. Występujące w wodzie wiązania wodorowe i oddziaływania dipolowe sprawiają, że jest ona dobrym rozpuszczalnikiem związków polarnych. Jeżeli cząsteczka związku organicznego składa się z grupy polarnej (hydrofilowej) i grypy hydrofobowej (łańcuch alkilowy), to rozpuszczalność związku zależy od wielkości oddziaływań między cząsteczkami wody a częścią polarną i niepolarną związku. Część hydrofobowa wypierana jest z wody w związku z tym związek ma tendencje do gromadzenia się na powierzchni rozdziału faz. obniżenie napięcia powierzchniowego Procesy Oczyszczania Cieczy 2

12 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaZwiązki o długim łańcuchu hydrofobowym i grupie polarnej , tj. związki hydrofobowo – hydrofilowe (amfifilowe) są środkami powierzchniowo czynnymi (surfaktanty). W przypadku przeciwnym cząsteczka wnika w głąb fazy wodnej. Związek rozpuszcza się w wodzie np. metanol, etanol, propanol. Grupami polarnymi warunkującymi właściwości powierzchniowo czynne są: Sulfonowa –SO3H Siarczanowa –OSO3H Fosfoniowa –PO3H2 Fosforanowa –OPO3H2 Tiolowa –SH Karboksylowa –COOH Hydroksylowa -OH Przewidywania właściwości związku chemicznego w układzie z wodą ułatwia określenie wartości HLB (hydrofilic lipophilic balance): Procesy Oczyszczania Cieczy 2

13 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowamasa cząsteczkowa hydrofilowej części związku chemicznego masa cząsteczkowa całej cząsteczki związku chemicznego HLB=0 dla cząsteczki całkowicie hydrofobowej, HLB=20 dla cząsteczki całkowicie hydrofilowej. W zależności od wartości HLB związek ma różne właściwości: HLB Przeznaczenie: 1,5 - 3 Środek antypienny 4 - 6 Emulgator W/O (woda/olej) 7 - 9 Środek zwilżający 8 - 12 Emulgator O/W (olej/woda) Środek piorący 15 – 20 solubilizator Procesy Oczyszczania Cieczy 2

14 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaJeżeli po dodaniu związku chemicznego do wody następuje obniżenie napięcia powierzchniowego, to oznacza to, że został on zaadsorbowany na powierzchni międzyfazowej. Na powierzchni powstaje błonka monomolekularna dodanego związku która charakteryzuje się : napięcie powierzchniowe rozpuszczalnika Ciśnieniem błonki N/m napięcie powierzchniowe roztworu Lepkością powierzchniową Pa*m*s: naprężenie liniowe szybkość deformacji Procesy Oczyszczania Cieczy 2

15 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaLepkość powierzchniowa może być wyrażona za pomocą lepkość konwencjonalnej: grubość błonki Ponieważ grubość błonki jest rzędu 10-9 m, to lepkości powierzchniowej równej od 10-1 do 10-4 Pa*m*s odpowiada lepkość konwencjonalna od 105 do 108 Pa*s. !!!! Błonka monomolekularna to swego rodzaju pancerz na powierzchni cieczy !!! Procesy Oczyszczania Cieczy 2

16 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaRównanie adsorpcji Gibbsa W chemii fizycznej izoterma adsorpcji przedstawia zależność między ilością substancji zaadsorbowanej na powierzchni a aktywnością tej substancji w roztworze oraz dodatkowymi zmiennymi termodynamicznymi - przy ustalonej temperaturze. potencjał chemiczny składnika i napięcie powierzchniowe nadmiar powierzchniowy składnika i [mol/m2] Dla układu dwuskładnikowego: rozpuszczalnik składnik rozpuszczony Procesy Oczyszczania Cieczy 2

17 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaUkład gaz – ciecz w obszarze międzyfazowym nie zmienia swoich właściwości skokowo. obszar międzyfazowy nie ma wyraźnych powierzchni rozdziału faz. Zmiany zawartości poszczególnych składników obydwu faz mają charakter ciągły. W tym równaniu ΓA jest różnicą między liczbą moli składnika A w układzie rzeczywistym i w układzie o tej samej objętości, ale przy założeniu, że obie fazy są jednorodne na granicy międzyfazowej. W obszarze powierzchniowym występować będzie nadmiar lub niedomiar danego składnika. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

18 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaZgodnie z tzw. Konwencja Gibbsa, nadmiar lub niedomiar powierzchniowy substancji rozpuszczonej A najwygodniej określić przyjmując ΓL=0. Na wykresie odpowiada to takiemu położeniu linii m (rozdziału faz), przy którym pola po obu stronach tej granicy dla rozpuszczalnika L są sobie równe: Procesy Oczyszczania Cieczy 2

19 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaDla układów rozcieńczonych : Wynika z tego, że jeśli zwiększenie stężenia składnika powoduje spadek napięcia powierzchniowego, to ΓA>0. tzn. Substancja A akumuluje się na powierzchni granicznej . Nazywamy to adsorpcją powierzchniową. Im mniejsza wartość stężenia tym, nadmiar powierzchniowy jest większy. Wykorzystanie wzbogacenia powierzchniowego substancji rozpuszczonej w cieczy do jej oczyszczenia w skali technicznej wymaga rozwinięcia powierzchni rozdziału faz. Maksymalne rozwinięcie powierzchni w układzie gaz – ciecz uzyskujemy w strukturach zwanych pianami. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

20 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaPiany to układ dyspersyjny, w którym fazą ciągłą jest ciecz ( lub faza stała) a fazą rozproszoną gaz. Pianę dynamiczną cechuje duża zmienność struktury w czasie. Odległości między pęcherzykami są współmierne z ich rozmiarami. Piana dynamiczna istnieje tylko wtedy, gdy przez warstwę cieczy odbywa się pęcherzykowy przepływ gazu. W metodach separacji pianowej ten rodzaj piany nie ma zastosowania. Piany dynamiczne występują np. na półkach w kolumnach absorpcyjnych (intensywna wymiana masy przez odnawianie powierzchni) Procesy Oczyszczania Cieczy 2

21 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaPiany statyczne charakteryzują się strukturą o względnej trwałości, piana taka trwa przez pewien czas, również po ustaniu przepływu gazu przez ciecz. Czas trwania pian jest rzędu godzin. W zależności od wilgotności piany , tj. Udziału objętościowego cieczy w układzie, piany statyczne dzieli się na: piany wilgotne (kuliste) piany suche (poliedralne) Procesy Oczyszczania Cieczy 2

22 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaW pianach mokrych pęcherzyki gazu maja kształt kulisty, oddzielone są one od siebie względnie grubymi warstewkami cieczy. W przypadku piany mokrej problem stabilności sprowadza się do zagadnienia najgęstszego upakowania kul. Jest to takie samo upakowanie, jakiego używają sprzedawcy w sklepach z owocami, układając piramidę z pomarańczy. Rozwiązanie takie zasugerował w 1611 roku Kepler. Dowód podał (wspomagając się komputerem) Thomas Hales dopiero w 1998 roku. Piwo tworzy piany mokre: Procesy Oczyszczania Cieczy 2

23 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaPiany suche składają się z pęcherzyków wielościennych stykających się ze sobą przez warstewki cieczy tzw. lamelle o bardzo małej grubości. Plateau (1873) sformułował podstawowe prawa opisujące morfologię piany suchej: I. Trzy i tylko trzy powierzchnie tworzące pomiędzy sobą kąty ○ 120° stykają się wzdłuż każdej krawędzi. II. Cztery i tylko cztery krawędzie łączą się w jednym wierzchołku (tak zwanym wierzchołku tetraedrycznym). Tworzą one zawsze kąty o wartości ○ ′ π − arccos(1/3) ≈109° Te dwa stwierdzenia nie są, oczywiście, niezależne. Należy je uzupełnić trzecią, dodatkową regułą: III. Jeżeli piana styka się ze zwilżaną powierzchnią, wtedy jej powierzchnie i krawędzie są prostopadłe do tej powierzchni. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

24 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaSpełnienie tych założeń prowadzi do modelu kształtu pęcherzy w pianie komórkowej. Czternastościan Kelvina Piana Kelvina Procesy Oczyszczania Cieczy 2

25 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaBez względu na wybrany model matematyczny układ pęcherzyków daje ok. 97% zapełnienia przestrzeni gazem. Tylko ok. 3% objętości układu zapełnione jest wodą. Ciecz, z której powstała piana jest w niej zawarta w cienkich warstewkach między pęcherzykami i przestrzeniach nazywanych kapilarami lub krawędziami Plateau. Piany trwałe otrzymuje się tylko w przypadku układów zawierających substancje powierzchniowo czynne. Piany są termodynamicznie nietrwałe. Dążąc do likwidacji nadmiaru potencjału termodynamicznego piana ulega z czasem kondensacji lub inaczej ociekaniu. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

26 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaPiany otrzymuje się stosunkowo prosto poprzez: 1) Wprowadzenie gazu do cieczy za pomocą dysz, spieków i innych urządzeń rozpraszających gaz. 2) Intensywne mieszanie gazu i cieczy. ( durze pęcherze ok. 1 mm) 3) Nukleację fazy gazowej przy nagłej dekompresji cieczy uprzednio nasyconej gazem. (małe pęcherze ok. 80 μm) Procesy Oczyszczania Cieczy 2

27 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaPiany kuliste ociekają stosunkowo szybko, tym wolniej im większa jest lepkość cieczy. proces ociekania pian suchych jest dużo wolniejszy. Trwałość pian suchych opisuje kilka teorii: Royleigh i Marangonii. Trwałość pian tłumaczy różnica wartości napięcia powierzchniowego cieczy w obszarze powierzchniowym lameli i w jej rdzeniu. Adsorpcja w powierzchniowej warstwie lameli obniża napięcie powierzchniowe w stosunku do rdzenia cieczy. Jeżeli następuje miejscowe zmniejszenie grubości lameli, ciecz o większym napięciu powierzchniowym dochodzi do strefy powierzchniowej co wywołuje przepływ cieczy w kierunku przewężenia i lamela nie ulega przerwaniu. Plateau uważał, że przyczyną trwałości pęcherzyków jest lepkość powierzchniowa błonek monomolekularnych, które są zewnętrznym „pancerzem” o dużej odporności mechanicznej. Gibbs, tłumaczył trwałość pian tzw. elastycznością powierzchniową przeciwdziałającą zmianom powierzchni. Deriagin, za czynnik utrwalający lamele uważał oddziaływania elektrostatyczne jonów zaadsorbowanych na powierzchni. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

28 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaOgólnie trwałość pian zależy od : stężenia środków powierzchniowo czynnych, temperatury , rodzaju gazu ( gaz łatwo rozpuszczalny w cieczy zmniejsza trwałość piany) kapilara Ociekanie piany oznacza zmniejszenie się grubości lameli bez jej przerwania. Ociekanie zachodzi w wyniku: siły ciężkości ssania kapilarnego lamela P – ciśnienie w pęcherzyku Ciśnienie w kapilarze jest mniejsze niż w lameli kapilara Procesy Oczyszczania Cieczy 2

29 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaSzybkość procesu ociekania opisywana jest zależnością postulującą proporcjonalność szybkości ociekania do objętości cieczy pozostającej w pianie: V0 – początkowa objętość cieczy w pianie, tzn. Ta objętość cieczy, z której utworzono pianę. V –objętość cieczy zawartej w pinie w chwili t. Po scałkowaniu: Procesy Oczyszczania Cieczy 2

30 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaRealizacja procesowa Zasadniczymi elementami separacji pianowej są: 1) Wytworzenie dużej powierzchni rozdziału faz – ciecz – gaz i adsorpcja składnika roztworu na tej powierzchni. 2) Usunięcie, zebranie i tzw. Zgaszenie piany. Zgaszenia piany, (kondensacji piany) dokonuje się różnymi metodami: Chemicznie przez dodanie substancji zmniejszających trwałość piany tj. np. różne etery, amoniak, aminy, alkohole. Termicznie, poprzez nadmuch gorącego lub zimnego powietrza. Mechanicznie, przez wywołanie zmian ciśnienia, wibracje lub ścinaniu na wibrującej tarczy. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

31 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaTeoretyczny opisu procesu dla pian rzeczywistych jest praktycznie niemożliwy, stąd model piany idealnej. Zakładamy, że: 1) Piana składa się z jednakowych pęcherzyków kulistych o średnicy dp. 2) Pęcherzyki są trwałe. 3) Lamele maja grubość tL i składają się z dwóch części: obszarów powierzchniowych o grubości tσ i rdzenia o grubości tR. W wyniku ociekania piany malej tR a tσ pozostaje bez zmian. 4) Rdzeń cieczy w lamelach ma stężenie takie jak ciecz, z której powstała piana. 5) Adsorpcja powierzchniowa jest procesem natychmiastowym. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

32 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaZ pierwszego założenie wynika, że powierzchnia właściwa pęcherzyków piany wynosi: Objętość cieczy zawartej w jednostce objętości piany, czyli jej wilgotność w wynosi: Jeżeli przyjmiemy, że stężenie składnika A w obszarze powierzchniowym lameli wynosi CL, a stężenie początkowe cieczy C0, to nadmiar powierzchniowy wynosi: Procesy Oczyszczania Cieczy 2

33 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaJeżeli na końcu procesu grubość lameli wynosi tL=tσ , to stężenie cieczy w pianie równa się CL i można określić współczynnik wzbogacenia: I otrzymujemy: Im bardziej sucha piana ( mniejsza wilgotność w) i mniejsze pęcherzyki dp tym większy wzbogacenie piany E. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

34 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaMetodami separacji pianowej z cieczy mogą być usuwane substancje będące środkami powierzchniowo czynnymi, naturalnymi lub syntetycznymi oraz substancje, które wykazują zdolność do gromadzenia się na powierzchni po uprzednim zmodyfikowaniu tzw. kolektorami  flotacja jonowa. Naturalne środki powierzchniowo czynne: mydła tzn. Sole sodowe, potasowe, wapniowe lub ołowiowe i żelazowe kwasów: palmitynowego, stearynowego i oleinowego. Syntetyczne środki powierzchniowo czynne (detergenty, tensydy, surfaktanty) dzieli się na jonowe i niejonowe. Jonowe dzieli się na kationowe i anionowe. Innym kryterium podziału detergentów jest ich trwałość w środowisku. Rozróżniamy detergenty twarde i miękkie. Detergenty miękkie łatwo ulegają biologicznemu rozkładowi. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

35 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaDetergenty twarde pozostają w środowisku wodnym przez długi czas, utrudniają aerację, zahamowują proces samooczyszczenia .Działają toksycznie na organizmy żywe. Detergenty kationowe już przy 1 mg/dm3 mają działanie bakteriobójcze. Podział środków powierzchniowo czynnych na anionowe i kationowe wynika z rodzaju grupy jonowej, która jest aktywna w procesie adsorpcji powierzchniowej. Do najbardziej rozpowszechnionych twardych detergentów anionowych należą alkiloarylosufoniany, ABS. Miękkimi detergentami anionowymi są detergenty oznaczone skrótem LAS, których łańcuch węglowy jest liniowy. Dedecylobenzenosulfonian sodowy detergent twardy Detergent miękki Procesy Oczyszczania Cieczy 2

36 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaKationami mającymi właściwości hydrofobowe są sole amoniowe oraz zasady amoniowe i azowe. Są one produktami kondensacji łańcucha tłuszczowego z aminami lub czwartorzędowymi zasadami azowymi. Aminy I,II i III rzędowe wykazują właściwości powierzchniowo czynne ale trudno rozpuszczają się w wodzie. Po połączeniu z kwasem rozpuszczalność soli aminowych wzrasta. Przykładem jest siarczan alkilopirydynowy: Detergenty kationowe wykorzystuje się: W przemyśle włókienniczym do utrwalania barwników Jako środki bakteriobójcze w medycynie i higienie osobistej Do dezynfekcji i prania tkanin, do których nie można używać gorącej wody. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

37 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaDość durzą grupę stanowią detergenty niejonowe Brak dysocjującej grupy hydrofilowej. Składnik hydrofobowy me budowę podobną do budowy tego składnika w detergentach jonowych. Do nie jonizujących grup hydrofilowych należy przede wszystkim grupa polioksyetylenowa o ogólnym wzorze (CH2-CH2O)n. Spolimeryzowana grupa poloksyetylenowa jako fragment tlenku etylenu nadaje cząsteczce rozpuszczalność w wodzie. Wyróżnia się cztery grupy detergentów niejonowych: Tween 20 Związki z grupą estrową: Zwane są spanami lub tweenami w zależności od wartości R i x mamy np.: ween 60 Procesy Oczyszczania Cieczy 2

38 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaZwiązki zawierające grupę arylową: Związki zawierające grupę amidową: Związki zawierające grupę oksyetylenową: Detergenty niejonowe typu amidowego i z grupą oksyetylenową charakteryzują się łatwością biodegradacji i bardzo dobrymi właściwościami piorącymi Procesy Oczyszczania Cieczy 2

39 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaAparaty do prowadzenia separacji pianowej: Układ do separacji pianowej składa się z kolumny ze zbiornikiem roztworu i zbiornikiem odbioru piany. Wyodrębnić można trzy rodzaje rozwiązań aparaturowych: do separacji okresowej , ciągłej i wielostopniowej. Aparaty wykorzystywane do separacji pianowej dzielimy na: 1) kolumny pianowe i 2) zbiorniki przepływowe; Procesy Oczyszczania Cieczy 2

40 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaW kolumnach pianowych roztwór surowy doprowadzany jest na pewnej wysokości kolumny. Piana generowana jest na dole kolumny, gdzie doprowadzany jest strumień gazu. Powstająca piana przepływa w górę i po opuszczeniu kolumny przepływa do kondensatora, w którym ulega zgaszeniu. Możliwe jest wiele rozwiązań aparaturowych: S przeciwprąd Procesy Oczyszczania Cieczy 2

41 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaJeżeli założymy brak koalescencji pęcherzyków w pianie, to efekt wydzielenia substancji ulegającej powierzchniowemu wzbogaceniu odpowiada jednemu stopniowi teoretycznemu. Wtedy stężenie strumieni produktów można wyznaczyć z zależności: G – strumień gazu [m3/s] P – strumień piany [m3/s] S – strumień roztworu surowego [m3/s] Nadmiar powierzchniowy względem Cw, można przyjąć, że jest proporcjonalny do Cw i wynosi ok mol/m2 Proces koalescencji pęcherzyków powoduje, że w przeciwprądzie spływa strumień cieczy, (wewnętrzny powrót) który wzbogaca wznoszącą się pianę. (dwie części kolumny: wzbogacająca powyżej wlotu surówki i zubożająca poniżej) Procesy Oczyszczania Cieczy 2

42 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaEfektywne stężenie strumienia wznoszącego się w dowolnym przekroju kolumny wynika z równania: Stężenie powierzchniowe cieczy wznoszącej się Stężenie cieczy wznoszącej się ze strumieniem P Z bilansu dolnej części kolumny: Procesy Oczyszczania Cieczy 2

43 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaGłówną dziedziną zastosowania separacji pianowej jest usuwanie z cieczy związków chemicznie złożonych i termicznie niestabilnych oraz występujących w śladowych stężeniach. Metodą separacji pianowej z wody i ścieków usuwane są również związki nieorganiczne, przede wszystkim jony metali ciężkich jak: Ag, Be, Ca, Co, Cr, V, Zn. FLOTACJA JONOWA Jony metali nie mają właściwości powierzchniowo czynnych, zastosowanie separacji pianowej wymaga użycia dodatkowych substancji, zwanych kolektorami lub nośnikami. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

44 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaKolektory to substancje powierzchniowo aktywne które w swej cząsteczce mają przynajmniej jedną grupę polarną zdolną do dysocjacji elektrolitycznej. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

45 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaJedna z teorii flotacji jonowej twierdzi, że wiązanie jonu z powierzchnia następuje w wyniku oddziaływań elektrostatycznych. Kolektor i jon mogą wiązać się chemicznie tworząc kompleksy lub chelaty Procesy Oczyszczania Cieczy 2

46 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaStosowane urządzenia: Układ przeciw prądowy: Kolumna do flotacji jonowej: Procesy Oczyszczania Cieczy 2

47 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaProcesy Oczyszczania Cieczy 2

48 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaOkreślając współczynnik wzbogacenia E dla jonu metalu (oznaczmy jako Me) należy wziąć pod uwagę fakt, że po dodaniu kolektora A, jon metalu może występować w dwóch postaciach: wolnego jonu Me lub „kompleksu” z kolektorem AMe. W układzie wystepuje również wolny kolektor A. Stężenia substancji w cieczy oznaczmy przez x a „w pianie” przez y, dostajemy: xA - stężenie kolektora w ciczy, yA – stężenie kolektora w pianie xMe – stężenie wolnego jonu metalu w cieczy równe stężeniu w pianie yMe (bo jon nie ma właściwości powierzchniowych) xAMe – stężenie kompleksu w cieczy, yAMe stężenie kompleksu w pianie. Stopień wzbogacenia: Procesy Oczyszczania Cieczy 2

49 Wykład 2 – Adsorpcja w układzie ciecz – gaz separacja pianowaGdy stężenie jonu jest bardzo małe w porównaniu z kolektorem. Możemy , przyjąć, że wszystkie jony zostaną połączone z kolektorem: Gdy stężenie jonu jest bardzo duże w porównaniu z kolektorem Wzrost stężenie jonu powoduje spadek stopnia wzbogacenia !!!! Na efektywność procesu ma wpływ pH i temperatura. Procesy Oczyszczania Cieczy 2