Dializa dyfuzyjna
Dializa dyfuzyjna (DD) to proces rozdzielania membraną jonowymienną (IEM) sterowany gradientem stężenia. Ponieważ siłą napędową procesu rozdzielania jest głównie 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 zawierających metale. Dyfuzja to spontaniczny ruch materiału z obszaru o wysokim stężeniu do obszaru o niższym stężeniu. Napędzany różnicą stężeń, ruch materiału będzie kontynuowany sam, aż różnica stężeń przestanie istnieć. Dializa to rozdzielanie cząsteczek ze względu na różnice w szybkości przemieszczania się cząsteczek przez półprzepuszczalną barierę.
DD to proces separacji membranowej. Jest z powodzeniem stosowany od wielu lat do separacji i odzyskiwania kwasów z rozpuszczonych roztworów zawierających metale. Dyfuzja to spontaniczny ruch materiału z obszaru o wysokim stężeniu do obszaru o niższym stężeniu. Napędzany różnicą stężeń, ruch materiału będzie kontynuowany sam, aż różnica stężeń przestanie istnieć. Dializa to rozdzielanie cząsteczek ze względu na różnice w szybkości przemieszczania się cząsteczek przez półprzepuszczalną barierę.
W porównaniu z niektórymi konwencjonalnymi procesami DD wykazuje znaczne zalety,
| a. | Większa wydajność oczyszczania ścieków; poprawa wydajności i jakości 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 się ją za mniej wydajną niż niektóre inne procesy separacji membranowej, takie jak elektrodializa (ED).
Jednak niski wpływ na środowisko i zużycie energii może sprawić, że DD stanie się bardziej konkurencyjny, ponieważ zanieczyszczenie środowiska i niedobór energii są głównymi czynnikami decyzyjnymi w projekcie. Co więcej, dzięki ulepszeniu membran jonowymiennych i dializatorów dyfuzyjnych, zdolność przetwarzania i wydajność separacji DD można znacznie zwiększyć.
Membrany do DD mogą być membranami anionowymiennymi (AEM) lub membranami kationowymiennymi (CEM). Pierwsza służy do rozdzielania kwasów z odpowiednimi solami, a druga do podobnego rozdzielania mieszanin zasad.
Ze względu na wyższe wymagania dotyczące odzyskiwania kwasu, więcej uwagi poświęcono AEM w porównaniu z CEM, w związku z czym opracowano coraz większą liczbę AEM dla zastosowań DD.
Kwas siarkowy (H2SO4), kwas solny (HCl) lub połączenie kwasu fluorowodorowego i azotowego (HF + HNO3) są często stosowane jako środki trawiące w różnych gałęziach przemysłu związanych z procesami trawienia i usuwania metali, takich jak produkcja stali, rafinacja metali , wytop metali nieżelaznych. Podczas etapów marynowania powstają duże ilości zużytego ługu.
Do tej pory stosowano różne metody zajmujące się wyładowaniami kwasowymi, w tym chłodzenie i krystalizację, rozkład termiczny, odparowanie i krystalizację, wymianę jonową, ekstrakcję rozpuszczalnikową, destylację i metody rozdzielania elektromembranowego, a także bezpośrednie unieszkodliwianie i neutralizację alkaliami. Niemniej jednak pewne nieodłączne niedociągnięcia nadal utrudniają ich dalszy rozwój i zastosowania, takie jak wysokie inwestycje w sprzęt, duże zużycie energii i zasad oraz zanieczyszczenie środowiska.
W odzyskiwaniu kwasów z DD membrana anionowymienna działa jak półprzepuszczalna bariera umieszczona pomiędzy przepływającym strumieniem wody a przepływającym kwasem z rozpuszczonym roztworem metalu. Membrana anionowymienna posiada stały ładunek dodatni znajdujący się na jej powierzchni. Te dodatnie miejsca naładowane przyciągają ujemnie naładowane aniony w roztworze, które wchodzą w bliski kontakt z powierzchnią membrany anionowymiennej.
Na przykład w przypadku kąpieli anodowanych w kwasie siarkowym przeważającym anionem jest jon siarczanowy SO4. Ponieważ te jony siarczanowe w roztworze kwasu siarkowego do anodowania są przyciągane do membrany, są one również napędzane przez różnicę stężeń, aby dyfundować przez membranę do strony wody.
Jednocześnie termodynamiczne prawo elektroobojętności (całkowity ładunek w roztworze musi zrównoważyć się do zera) wymaga, aby przeniesieniu każdego jonu siarczanowego, który niesie dwa ładunki ujemne, towarzyszyło przenoszenie dwóch ładunków dodatnich.
Dodatnio naładowane jony, takie jak Al +3 lub inne jony metali, są silnie hamowane przed przechodzeniem przez dodatnio naładowaną membranę z powodu odpychania się podobnych ładunków. Jon wodorowy, obecny w kwaśnym roztworze jako jony H3O+1 lub protonowana woda, również jest naładowany dodatnio, ale jest w stanie przejść przez membranę z bardzo małą przeszkodą. Wynika to po części z wysokiego stężenia jonów wodorowych w roztworze kwasu, a także po części z silnie powiązanej natury wody, która pozwala jonowi wodorowemu na skuteczną delokalizację swojego ładunku.
Efektem netto jest to, że szybkość dyfuzji kwasu przez membranę jest o rząd wielkości większa niż w przypadku rozpuszczonego metalu. Wreszcie, powodując przepływ roztworu kwasu w kierunku przeciwnym do przepływu wody (przepływ przeciwprądowy), można osiągnąć optymalną korzyść z koniecznych gradientów stężeń. Wyniki są takie, że woda wchodząca do systemu dializy dyfuzyjnej wychodzi jako zubożony w metal odzyskany roztwór kwasu, a roztwór kwasu wchodzący do systemu dializy dyfuzyjnej wychodzi jako zubożony w kwas rozpuszczony roztwór zawierający metal.
Po osiągnięciu pożądanych rezultatów, urządzenie nie wymaga konserwacji lub nie wymaga żadnej konserwacji. Pompy dozujące są zazwyczaj obsługiwane automatycznie przez 24 godziny na dobę, siedem dni w tygodniu.
Jednak niski wpływ na środowisko i zużycie energii może sprawić, że DD stanie się bardziej konkurencyjny, ponieważ zanieczyszczenie środowiska i niedobór energii są głównymi czynnikami decyzyjnymi w projekcie. Co więcej, dzięki ulepszeniu membran jonowymiennych i dializatorów dyfuzyjnych, zdolność przetwarzania i wydajność separacji DD można znacznie zwiększyć.
Membrany do DD mogą być membranami anionowymiennymi (AEM) lub membranami kationowymiennymi (CEM). Pierwsza służy do rozdzielania kwasów z odpowiednimi solami, a druga do podobnego rozdzielania mieszanin zasad.
Ze względu na wyższe wymagania dotyczące odzyskiwania kwasu, więcej uwagi poświęcono AEM w porównaniu z CEM, w związku z czym opracowano coraz większą liczbę AEM dla zastosowań DD.
Kwas siarkowy (H2SO4), kwas solny (HCl) lub połączenie kwasu fluorowodorowego i azotowego (HF + HNO3) są często stosowane jako środki trawiące w różnych gałęziach przemysłu związanych z procesami trawienia i usuwania metali, takich jak produkcja stali, rafinacja metali , wytop metali nieżelaznych. Podczas etapów marynowania powstają duże ilości zużytego ługu.
Do tej pory stosowano różne metody zajmujące się wyładowaniami kwasowymi, w tym chłodzenie i krystalizację, rozkład termiczny, odparowanie i krystalizację, wymianę jonową, ekstrakcję rozpuszczalnikową, destylację i metody rozdzielania elektromembranowego, a także bezpośrednie unieszkodliwianie i neutralizację alkaliami. Niemniej jednak pewne nieodłączne niedociągnięcia nadal utrudniają ich dalszy rozwój i zastosowania, takie jak wysokie inwestycje w sprzęt, duże zużycie energii i zasad oraz zanieczyszczenie środowiska.
W odzyskiwaniu kwasów z DD membrana anionowymienna działa jak półprzepuszczalna bariera umieszczona pomiędzy przepływającym strumieniem wody a przepływającym kwasem z rozpuszczonym roztworem metalu. Membrana anionowymienna posiada stały ładunek dodatni znajdujący się na jej powierzchni. Te dodatnie miejsca naładowane przyciągają ujemnie naładowane aniony w roztworze, które wchodzą w bliski kontakt z powierzchnią membrany anionowymiennej.
Na przykład w przypadku kąpieli anodowanych w kwasie siarkowym przeważającym anionem jest jon siarczanowy SO4. Ponieważ te jony siarczanowe w roztworze kwasu siarkowego do anodowania są przyciągane do membrany, są one również napędzane przez różnicę stężeń, aby dyfundować przez membranę do strony wody.
Jednocześnie termodynamiczne prawo elektroobojętności (całkowity ładunek w roztworze musi zrównoważyć się do zera) wymaga, aby przeniesieniu każdego jonu siarczanowego, który niesie dwa ładunki ujemne, towarzyszyło przenoszenie dwóch ładunków dodatnich.
Dodatnio naładowane jony, takie jak Al +3 lub inne jony metali, są silnie hamowane przed przechodzeniem przez dodatnio naładowaną membranę z powodu odpychania się podobnych ładunków. Jon wodorowy, obecny w kwaśnym roztworze jako jony H3O+1 lub protonowana woda, również jest naładowany dodatnio, ale jest w stanie przejść przez membranę z bardzo małą przeszkodą. Wynika to po części z wysokiego stężenia jonów wodorowych w roztworze kwasu, a także po części z silnie powiązanej natury wody, która pozwala jonowi wodorowemu na skuteczną delokalizację swojego ładunku.
Efektem netto jest to, że szybkość dyfuzji kwasu przez membranę jest o rząd wielkości większa niż w przypadku rozpuszczonego metalu. Wreszcie, powodując przepływ roztworu kwasu w kierunku przeciwnym do przepływu wody (przepływ przeciwprądowy), można osiągnąć optymalną korzyść z koniecznych gradientów stężeń. Wyniki są takie, że woda wchodząca do systemu dializy dyfuzyjnej wychodzi jako zubożony w metal odzyskany roztwór kwasu, a roztwór kwasu wchodzący do systemu dializy dyfuzyjnej wychodzi jako zubożony w kwas rozpuszczony roztwór zawierający metal.
Po osiągnięciu pożądanych rezultatów, urządzenie nie wymaga konserwacji lub nie wymaga żadnej konserwacji. Pompy dozujące są zazwyczaj obsługiwane automatycznie przez 24 godziny na dobę, siedem dni w tygodniu.