Dializa dyfuzyjna
Dializa dyfuzyjna (DD) to proces rozdzielania membranÄ… jonowymiennÄ… (IEM) sterowany gradientem stężenia. Ponieważ siÅ‚Ä… napÄ™dowÄ… procesu rozdzielania jest gÅ‚ównie gradient stężenia, dializa dyfuzyjna jest znana jako spontaniczny proces rozdzielania.
DD to proces separacji membranowej. Jest z powodzeniem stosowany od wielu lat do separacji i odzyskiwania kwasów z rozpuszczonych roztworów zawierajÄ…cych metale. Dyfuzja to spontaniczny ruch materiaÅ‚u z obszaru o wysokim stężeniu do obszaru o niższym stężeniu. NapÄ™dzany różnicÄ… stężeÅ„, ruch materiaÅ‚u bÄ™dzie kontynuowany sam, aż różnica stężeÅ„ przestanie istnieć. Dializa to rozdzielanie czÄ…steczek ze wzglÄ™du na różnice w szybkoÅ›ci przemieszczania siÄ™ czÄ…steczek przez póÅ‚przepuszczalnÄ… barierÄ™.
DD to proces separacji membranowej. Jest z powodzeniem stosowany od wielu lat do separacji i odzyskiwania kwasów z rozpuszczonych roztworów zawierajÄ…cych metale. Dyfuzja to spontaniczny ruch materiaÅ‚u z obszaru o wysokim stężeniu do obszaru o niższym stężeniu. NapÄ™dzany różnicÄ… stężeÅ„, ruch materiaÅ‚u bÄ™dzie kontynuowany sam, aż różnica stężeÅ„ przestanie istnieć. Dializa to rozdzielanie czÄ…steczek ze wzglÄ™du na różnice w szybkoÅ›ci przemieszczania siÄ™ czÄ…steczek przez póÅ‚przepuszczalnÄ… barierÄ™.
W porównaniu z niektórymi konwencjonalnymi procesami DD wykazuje znaczne zalety,
| a. | WiÄ™ksza wydajność oczyszczania Å›cieków; poprawa wydajnoÅ›ci i jakoÅ›ci produktów. |
| b. | Niskie zużycie energii (DD działa pod normalnym ciśnieniem i nie zmienia stanu podczas procesu, więc do uruchomienia DD nie jest potrzebna moc). |
| c. | Niskie koszty instalacji i eksploatacji; stabilny, niezawodny i łatwy w obsłudze. |
| d. | Brak zanieczyszczenia środowiska. |
Do tej pory DD został pomyślnie zastosowany do
| 1. | odzysk kwasów i zasad ze zrzutów z produkcji stali |
| 2. | rafinacja metali |
| 3. | galwanizacja |
| 4. | regeneracja żywicy kationowymiennej |
| 5. | wytop metali nieżelaznych, trawienie aluminium |
| 6. | Wytapianie rudy wolframu |
Niemniej jednak DD ma również swoje ograniczenia, takie jak stosunkowo niska zdolność przetwarzania i wydajność, dlatego uważa siÄ™ jÄ… za mniej wydajnÄ… niż niektóre inne procesy separacji membranowej, takie jak elektrodializa (ED).
Jednak niski wpÅ‚yw na Å›rodowisko i zużycie energii może sprawić, że DD stanie siÄ™ bardziej konkurencyjny, ponieważ zanieczyszczenie Å›rodowiska i niedobór energii sÄ… gÅ‚ównymi czynnikami decyzyjnymi w projekcie. Co wiÄ™cej, dziÄ™ki ulepszeniu membran jonowymiennych i dializatorów dyfuzyjnych, zdolność przetwarzania i wydajność separacji DD można znacznie zwiÄ™kszyć.
Membrany do DD mogÄ… być membranami anionowymiennymi (AEM) lub membranami kationowymiennymi (CEM). Pierwsza sÅ‚uży do rozdzielania kwasów z odpowiednimi solami, a druga do podobnego rozdzielania mieszanin zasad.
Ze wzglÄ™du na wyższe wymagania dotyczÄ…ce odzyskiwania kwasu, wiÄ™cej uwagi poÅ›wiÄ™cono AEM w porównaniu z CEM, w zwiÄ…zku z czym opracowano coraz wiÄ™kszÄ… liczbÄ™ AEM dla zastosowaÅ„ DD.
Kwas siarkowy (H2SO4), kwas solny (HCl) lub poÅ‚Ä…czenie kwasu fluorowodorowego i azotowego (HF + HNO3) sÄ… czÄ™sto stosowane jako Å›rodki trawiÄ…ce w różnych gaÅ‚Ä™ziach przemysÅ‚u zwiÄ…zanych z procesami trawienia i usuwania metali, takich jak produkcja stali, rafinacja metali , wytop metali nieżelaznych. Podczas etapów marynowania powstajÄ… duże iloÅ›ci zużytego Å‚ugu.
Do tej pory stosowano różne metody zajmujÄ…ce siÄ™ wyÅ‚adowaniami kwasowymi, w tym chÅ‚odzenie i krystalizacjÄ™, rozkÅ‚ad termiczny, odparowanie i krystalizacjÄ™, wymianÄ™ jonowÄ…, ekstrakcjÄ™ rozpuszczalnikowÄ…, destylacjÄ™ i metody rozdzielania elektromembranowego, a także bezpoÅ›rednie unieszkodliwianie i neutralizacjÄ™ alkaliami. Niemniej jednak pewne nieodÅ‚Ä…czne niedociÄ…gniÄ™cia nadal utrudniajÄ… ich dalszy rozwój i zastosowania, takie jak wysokie inwestycje w sprzÄ™t, duże zużycie energii i zasad oraz zanieczyszczenie Å›rodowiska.
W odzyskiwaniu kwasów z DD membrana anionowymienna dziaÅ‚a jak póÅ‚przepuszczalna bariera umieszczona pomiÄ™dzy przepÅ‚ywajÄ…cym strumieniem wody a przepÅ‚ywajÄ…cym kwasem z rozpuszczonym roztworem metalu. Membrana anionowymienna posiada staÅ‚y Å‚adunek dodatni znajdujÄ…cy siÄ™ na jej powierzchni. Te dodatnie miejsca naÅ‚adowane przyciÄ…gajÄ… ujemnie naÅ‚adowane aniony w roztworze, które wchodzÄ… w bliski kontakt z powierzchniÄ… membrany anionowymiennej.
Na przykÅ‚ad w przypadku kÄ…pieli anodowanych w kwasie siarkowym przeważajÄ…cym anionem jest jon siarczanowy SO4. Ponieważ te jony siarczanowe w roztworze kwasu siarkowego do anodowania sÄ… przyciÄ…gane do membrany, sÄ… one również napÄ™dzane przez różnicÄ™ stężeÅ„, aby dyfundować przez membranÄ™ do strony wody.
JednoczeÅ›nie termodynamiczne prawo elektroobojÄ™tnoÅ›ci (caÅ‚kowity Å‚adunek w roztworze musi zrównoważyć siÄ™ do zera) wymaga, aby przeniesieniu każdego jonu siarczanowego, który niesie dwa Å‚adunki ujemne, towarzyszyÅ‚o przenoszenie dwóch Å‚adunków dodatnich.
Dodatnio naÅ‚adowane jony, takie jak Al +3 lub inne jony metali, sÄ… silnie hamowane przed przechodzeniem przez dodatnio naÅ‚adowanÄ… membranÄ™ z powodu odpychania siÄ™ podobnych Å‚adunków. Jon wodorowy, obecny w kwaÅ›nym roztworze jako jony H3O+1 lub protonowana woda, również jest naÅ‚adowany dodatnio, ale jest w stanie przejść przez membranÄ™ z bardzo maÅ‚Ä… przeszkodÄ…. Wynika to po części z wysokiego stężenia jonów wodorowych w roztworze kwasu, a także po części z silnie powiÄ…zanej natury wody, która pozwala jonowi wodorowemu na skutecznÄ… delokalizacjÄ™ swojego Å‚adunku.
Efektem netto jest to, że szybkość dyfuzji kwasu przez membranÄ™ jest o rzÄ…d wielkoÅ›ci wiÄ™ksza niż w przypadku rozpuszczonego metalu. Wreszcie, powodujÄ…c przepÅ‚yw roztworu kwasu w kierunku przeciwnym do przepÅ‚ywu wody (przepÅ‚yw przeciwprÄ…dowy), można osiÄ…gnąć optymalnÄ… korzyść z koniecznych gradientów stężeÅ„. Wyniki sÄ… takie, że woda wchodzÄ…ca do systemu dializy dyfuzyjnej wychodzi jako zubożony w metal odzyskany roztwór kwasu, a roztwór kwasu wchodzÄ…cy do systemu dializy dyfuzyjnej wychodzi jako zubożony w kwas rozpuszczony roztwór zawierajÄ…cy metal.
Po osiÄ…gniÄ™ciu pożądanych rezultatów, urzÄ…dzenie nie wymaga konserwacji lub nie wymaga żadnej konserwacji. Pompy dozujÄ…ce sÄ… zazwyczaj obsÅ‚ugiwane automatycznie przez 24 godziny na dobÄ™, siedem dni w tygodniu.
Jednak niski wpÅ‚yw na Å›rodowisko i zużycie energii może sprawić, że DD stanie siÄ™ bardziej konkurencyjny, ponieważ zanieczyszczenie Å›rodowiska i niedobór energii sÄ… gÅ‚ównymi czynnikami decyzyjnymi w projekcie. Co wiÄ™cej, dziÄ™ki ulepszeniu membran jonowymiennych i dializatorów dyfuzyjnych, zdolność przetwarzania i wydajność separacji DD można znacznie zwiÄ™kszyć.
Membrany do DD mogÄ… być membranami anionowymiennymi (AEM) lub membranami kationowymiennymi (CEM). Pierwsza sÅ‚uży do rozdzielania kwasów z odpowiednimi solami, a druga do podobnego rozdzielania mieszanin zasad.
Ze wzglÄ™du na wyższe wymagania dotyczÄ…ce odzyskiwania kwasu, wiÄ™cej uwagi poÅ›wiÄ™cono AEM w porównaniu z CEM, w zwiÄ…zku z czym opracowano coraz wiÄ™kszÄ… liczbÄ™ AEM dla zastosowaÅ„ DD.
Kwas siarkowy (H2SO4), kwas solny (HCl) lub poÅ‚Ä…czenie kwasu fluorowodorowego i azotowego (HF + HNO3) sÄ… czÄ™sto stosowane jako Å›rodki trawiÄ…ce w różnych gaÅ‚Ä™ziach przemysÅ‚u zwiÄ…zanych z procesami trawienia i usuwania metali, takich jak produkcja stali, rafinacja metali , wytop metali nieżelaznych. Podczas etapów marynowania powstajÄ… duże iloÅ›ci zużytego Å‚ugu.
Do tej pory stosowano różne metody zajmujÄ…ce siÄ™ wyÅ‚adowaniami kwasowymi, w tym chÅ‚odzenie i krystalizacjÄ™, rozkÅ‚ad termiczny, odparowanie i krystalizacjÄ™, wymianÄ™ jonowÄ…, ekstrakcjÄ™ rozpuszczalnikowÄ…, destylacjÄ™ i metody rozdzielania elektromembranowego, a także bezpoÅ›rednie unieszkodliwianie i neutralizacjÄ™ alkaliami. Niemniej jednak pewne nieodÅ‚Ä…czne niedociÄ…gniÄ™cia nadal utrudniajÄ… ich dalszy rozwój i zastosowania, takie jak wysokie inwestycje w sprzÄ™t, duże zużycie energii i zasad oraz zanieczyszczenie Å›rodowiska.
W odzyskiwaniu kwasów z DD membrana anionowymienna dziaÅ‚a jak póÅ‚przepuszczalna bariera umieszczona pomiÄ™dzy przepÅ‚ywajÄ…cym strumieniem wody a przepÅ‚ywajÄ…cym kwasem z rozpuszczonym roztworem metalu. Membrana anionowymienna posiada staÅ‚y Å‚adunek dodatni znajdujÄ…cy siÄ™ na jej powierzchni. Te dodatnie miejsca naÅ‚adowane przyciÄ…gajÄ… ujemnie naÅ‚adowane aniony w roztworze, które wchodzÄ… w bliski kontakt z powierzchniÄ… membrany anionowymiennej.
Na przykÅ‚ad w przypadku kÄ…pieli anodowanych w kwasie siarkowym przeważajÄ…cym anionem jest jon siarczanowy SO4. Ponieważ te jony siarczanowe w roztworze kwasu siarkowego do anodowania sÄ… przyciÄ…gane do membrany, sÄ… one również napÄ™dzane przez różnicÄ™ stężeÅ„, aby dyfundować przez membranÄ™ do strony wody.
JednoczeÅ›nie termodynamiczne prawo elektroobojÄ™tnoÅ›ci (caÅ‚kowity Å‚adunek w roztworze musi zrównoważyć siÄ™ do zera) wymaga, aby przeniesieniu każdego jonu siarczanowego, który niesie dwa Å‚adunki ujemne, towarzyszyÅ‚o przenoszenie dwóch Å‚adunków dodatnich.
Dodatnio naÅ‚adowane jony, takie jak Al +3 lub inne jony metali, sÄ… silnie hamowane przed przechodzeniem przez dodatnio naÅ‚adowanÄ… membranÄ™ z powodu odpychania siÄ™ podobnych Å‚adunków. Jon wodorowy, obecny w kwaÅ›nym roztworze jako jony H3O+1 lub protonowana woda, również jest naÅ‚adowany dodatnio, ale jest w stanie przejść przez membranÄ™ z bardzo maÅ‚Ä… przeszkodÄ…. Wynika to po części z wysokiego stężenia jonów wodorowych w roztworze kwasu, a także po części z silnie powiÄ…zanej natury wody, która pozwala jonowi wodorowemu na skutecznÄ… delokalizacjÄ™ swojego Å‚adunku.
Efektem netto jest to, że szybkość dyfuzji kwasu przez membranÄ™ jest o rzÄ…d wielkoÅ›ci wiÄ™ksza niż w przypadku rozpuszczonego metalu. Wreszcie, powodujÄ…c przepÅ‚yw roztworu kwasu w kierunku przeciwnym do przepÅ‚ywu wody (przepÅ‚yw przeciwprÄ…dowy), można osiÄ…gnąć optymalnÄ… korzyść z koniecznych gradientów stężeÅ„. Wyniki sÄ… takie, że woda wchodzÄ…ca do systemu dializy dyfuzyjnej wychodzi jako zubożony w metal odzyskany roztwór kwasu, a roztwór kwasu wchodzÄ…cy do systemu dializy dyfuzyjnej wychodzi jako zubożony w kwas rozpuszczony roztwór zawierajÄ…cy metal.
Po osiÄ…gniÄ™ciu pożądanych rezultatów, urzÄ…dzenie nie wymaga konserwacji lub nie wymaga żadnej konserwacji. Pompy dozujÄ…ce sÄ… zazwyczaj obsÅ‚ugiwane automatycznie przez 24 godziny na dobÄ™, siedem dni w tygodniu.