MOLEKULSKE SEPARACIJE
Laboratorijske vježbe
Interna skripta za studente
Fakulteta kemijskog inženjerstva i tehnologije
Priredio: doc. dr. sc. Davor Dolar
Zagreb, 2019.
Interna skripta namijenjena studentima Fakulteta kemijskog inženjerstva i tehnologije
Sveučilišta u Zagrebu za kolegij Molekulske separacije (diplomski studij Primijenjena
kemija).
Studenti se pozivaju da jave sve primjedbe, nejasnoće i pogreške na [email protected] ili
osobno doc. dr. sc. Davoru Dolaru.
SADRŽAJ
Sigurnost u laboratoriju 4
Adsorpcija 5
Vježba 1. Adsorpcija – određivanje adsorpcijskih izotermi 7
Vježba 2. Adsorpcija – šaržni proces 14
Vježba 3. Adsorpcija – u koloni 20
Membranske separacijske operacije 26
Vježba 4. Tlačne membranske operacije 28
Prilozi 35
Prilog 1. Radni list za vježbu tlačne membranske operacije 36
Prilog 2. Ovisnost korekcijskog faktora viskoznosti o temperaturi 37
Prilog 3. Baždarni dijagram za NaCl 48
Prilog 4. Baždarni dijagram za CaCl2 49
Prilog 5. Upute za rad s automatskom biretom Solarus 40
Prilog 6. Upute za rad s termostatom Julabo ED 41
Dostupne kemikalije u laboratorijima 42
Sigurnost u laboratoriju
− obavezno je nošenje zaštitne odjeće (kuta, odgovarajuća obuća), dugu kosu treba
vezati da ne smeta pri radu
− posjete nisu dopuštene
− pušenje u laboratoriju strogo je zabranjeno
− konzumiranje hrane i pića za vrijeme rada u laboratoriju nije dozvoljeno,
pogotovo ne iz laboratorijskog suđa
− sve kemikalije moraju biti označene; prije uporabe obavezno provjeriti oznaku
na boci
− kemikalije nakon uporabe treba vratiti na njihovo mjesto, a ne držati na radnoj
površini
− pri razrjeđivanju koncentriranih kiselina treba uvijek dodavati kiselinu u vodu,
uz miješanje
− otpadna organska otapala zabranjeno je izlijevati u slivnik, tomu su
namijenjene posebne boce
− o svakoj ozlijedi treba obavijestiti voditelja vježbi i tražiti prvu pomoć
− voditelja treba obavijestiti o razbijenom posuđu, svim kvarovima na
instrumentima, pucanju gumenih cijevi za plamenike itd.
− razbijeno staklo treba odmah ukloniti
Molekulske separacije Adsorpcija
ADSORPCIJA
TEORIJSKI UVOD
Adsorpcija je nagomilavanje molekula, atoma ili iona na graničnoj površini
dviju faza. Molekule, atomi ili ioni u plinu ili tekućini difundiraju na površinu krute
tvari, gdje se stvaraju veze s površinom krutine ili su zadržani sa slabim
međumolekulskim silama. Adsorpcija se događa na svakoj granici faza, no
najzanimljiviji s tehničkog stajališta su granica faza tekuće-čvrsto i plinovito-čvrsto.
Adsorpcija je uzrokovana privlačnim silama između površine adsorbensa i
molekula u plinu ili otopini koje se adsorbiraju (adsorbat), i stoga je popraćena
oslobađanjem topline. Postoji više vrsta adsorpcije, ovisno o privlačnim silama kojima
se tvari vežu na adsorbens. Kod kemisorpcije molekule se na površinu adsorbensa vežu
jakim kovalentnim kemijskim vezama. Pri tomu se oslobađa dosta topline, a ravnoteža
se razmjerno sporo postiže. Kemisorpcija je ireverzibilna i adsorbirane molekule gube
svoj „identitet“. Kod ionske adsorpcije nastaju ionske veze (djelovanje elektrostatskog
naboja) pa se ne oslobađa toliko topline. Kad među adsorbensom i adsorbiranom tvari
postoje samo Van der Waalsove sile, riječ je o reverzibilnoj fizikalnoj adsorpciji. Tada
se adsorpcijska ravnoteža postiže vrlo brzo, uz malo oslobođene topline i adsorbirane
molekule zadržavaju svoj „identitet“. U stvarnim slučajevima javljaju se elementi sve tri
vrste adsorpcije, pri čemu jedna više ili manje prevladava.
Adsorbensi su krutine koje na svojoj površini mogu vezati molekule plina ili
otopljene tvari. To svojstvo je posebice izraženo za porozne tvari čija je specifična
aktivna površina vrlo velika, znatno veća od geometrijske površine. Najčešće
upotrebljavani adsorbensi su aktivni ugljen, silikagel, zeoliti i sl. Tipični komercijalni
adsorbensi (granule, sfere, cilindri i prah) veličine 50 µm do 1,2 cm imaju specifičnu
aktivnu površinu od 300 do 1200 cm2 g-1. Velika specifična aktivna površina moguća je
zbog velike poroznosti koja iznosi 30 – 85% s prosječnim promjerom pora od 10 do
200 Å.
Tijekom adsorpcije uspostavlja se dinamička ravnoteža za otopljene tvari
između kapljevine i površine krute tvari. To se može izraziti kao koncentracija (za
kapljevine) ili parcijalni tlak (za plinove) adsorbata. Opterećenje otopljene tvari na
adsorbensu izražen je kao masa, mol ili volumen adsorbata po jedinici mase ili po
površini adsorbata. Količina adsorbirane tvari na površini adsorbensa ovisi o
specifičnim svojstvima površine, o svojstvima molekula koje se adsorbiraju, o
Molekulske separacije Adsorpcija
koncentraciji otopine odnosno tlaku plina i o temperaturi. Uobičajeno je prikazivati
ravnotežnu količinu adsorbirane tvari po jedinici mase adsorbensa u ovisnosti o
ravnotežnoj koncentraciji odnosno tlaku pri određenoj temperaturi. Taj prikaz, u obliku
jednadžbe ili grafički, naziva se adsorpcijskom izotermom.
Adsorpcija se primjenjuje često i u razne svrhe, najviše u postupcima
pročišćavanja tvari (čišćenje vode i drugih kemikalija, obezbojivanje, rafiniranje naftnih
derivata i sl.). Adsorpcija iz plinske faze (B.E.T. izoterma) služi za određivanje aktivne
površine praškastih katalizatora. Važno svojstvo nekih adsorbensa jest selektivnost kod
adsorpcije koja može poslužiti za razdvajanje komponenata smjese. Na tom svojstvu
zasniva se i analitička metoda kromatografije.
Molekulske separacije Adsorpcija: Vježba 1
VJEŽBA 1: Adsorpcija – Određivanje adsorpcijskih izotermi
1. ZADATAK: Odrediti Freundlichovu i Langmuirovu izotermu za adsorpciju organske
kiseline zadanih koncentracija pri zadanoj temperaturi te ispitati slaganje
eksperimentalnih podataka i modela.
2. TEORIJSKI UVOD:
Za adsorpciju (vrlo složen slijedni proces) nema prihvatljive teorije koja bi
opisala ravnotežu kapljevina-krutina, tj. vrlo je mala vjerojatnost da se jednostavno
opiše. Zbog toga je potreban empirijski pristup, tj. empirijski pristup objašnjavanja
adsorpcijskih pojava. Ako podaci vrijede za određeni rang koncentracije kapljevine pri
konstantnom tlaku i nacrta se grafički prikaz ovisnosti količine adsorbirane tvari (a) o
koncentraciji otopljene tvari ili parcijalnom tlaku dobivamo adsorpcijske izoterme.
Postoji 5 osnovnih tipova adsorpcijskih izotermi koje su prikazane na Slici A1.
Tip I vrijedi za monoslojnu adsorpciju s obzirom da je karakteriziran maksimalnom
količinom adsorbirane tvari (am ili Vm) odnosno platoom koji je paralelan s tlakom ili
koncentracijom na osi x. Tip I najčešće vrijedi za kemisorpciju, međutim može i za neke
fizikalne adsorpcije kao što su one za jako mikroporozne aktivne ugljene.
Višeslojna adsorpcija opisuje se adsorpcijskom izotermom Tipa II. Srednji dio, koji
predstavlja stvaranje monosloja, može biti i ravan kao što je prikazano na izotermi Tip I.
Entalpija adsorpcije prvog adsorbiranog sloja veća je od entalpija adsorpcije narednih
slojeva.
Tip III je primjer konveksne i nepoželjne izoterme zbog toga što povećanjem tlaka
višestruko se povećava volumen plina i tek pri visokim tlakovima doseg adsorpcije je
relevantan. Kod takvih primjera entalpija adsorpcije prvog sloja manja je od entalpije
narednih slojeva.
Kod izotermi Tip IV i Tip V pri višeslojnoj adsorpciji pojavljuje se histereza. Također
može se primijetiti da Tip IV odgovara kapilarnoj kondenzaciji Tip II, a TIP V
kapilarnoj kondenzaciji Tip III.
Molekulske separacije Adsorpcija: Vježba 1
Slika A1. Osnovni tipovi adsorpcijskih izotermi.
Izoterme se nazivaju imenima autora, a među najpoznatijima su empirijska
Freundlichova izoterma, te teorijski izvedene Langmuirova i B.E.T. (Brunauer, Emmet i
Teller) izoterma koje su prikazane u Tablici A1. Langmuirova izoterma izvedena je uz
pretpostavke da adsorpcija prestaje zasićenjem površine monomolekulnim slojem
adsorbirane tvari, adsorbirane molekule ne mogu se slobodno gibati na površini
Molekulske separacije Adsorpcija: Vježba 1
adsorbensa, svako mjesto pripada samo jednoj adsorbiranoj tvari, itd. Dakle,
Langmuirova izoterma ograničena je na izotermu Tip I. B.E.T. izoterma izvedena je uz
pretpostavke da se nakon zasićenja površine monomolekulnim slojem adsorpcija
nastavlja stvaranjem više adsorbiranih slojeva (odgovara Tip-u III), adsorbirane
molekule ne migriraju na površini, neki sloj ne treba biti popunjen prije početka
formiranja novog sloja.
Tablica A1. Prikaz Freundlichove, Langmuirove i B.E.T. izoterme.
Freundlichova Langmuirova B.E.T.
Teorijske izoterme najtočnije su za adsorpciju iz plinske faze, ali nisu dovoljno
točne za složenije slučajeve adsorpcije u otopinama. Stoga je iz eksperimentalne
ovisnosti količine adsorbirane tvari iz otopine, a, o njezinoj ravnotežnoj koncentraciji, c,
empirijski izvedena Freundlichova izoterma pri čemu se količina adsorbirane tvari
izražava po gramu adsorbensa. Freundlichova izoterma i njezine konstante (Kf i n)
mogu poslužiti za usporedbu više sustava adsorbens – adsorbendum, ili za
uspoređivanje rezultata unutar istog sustava za razne uvjete rada. Konstanta Kf govori o
kapacitetu, a 1/n o intenzitetu adsorpcije.
3. APARATURA:
Upotrebljava se standardno laboratorijsko posuđe i termostat koji održava
temperaturu adsorpcijske ravnoteže.
4. OPIS RADA:
Zbog tromosti zagrijavanja vode u termostatu, treba ga uključiti i namjestiti
zadanu temperaturu na samom početku vježbe, te prema potrebi nadopuniti vodu u kadi
do oznake. Prirede se zadane otopine organskih kiselina u odmjernim tikvicama od
250 cm3 iz matičnih otopina koncentracije 4 mol dm-3. U posudici za vaganje važe se
pet odvaga aktivnog ugljena (zadano zadatkom) s točnošću od 0,01 g. Ugljen se
lijevkom za krutine prebaci u reagens boce, pazeći da pri tom bude što manje rasipanja.
nf cKa
1
= cK
cKaa
A
Am
+
=
1
pb
pbVV m
+
=
1
−+−
=
S
Bs
Bm
c
cKcc
cKaa
)1(1)(
Molekulske separacije Adsorpcija: Vježba 1
U reagens boce se odmjernom (trbušastom) pipetom otpipetira alikvot od 100 cm3
kiseline, dobro se pomiješa s aktivnim ugljenom pazeći da ugljen ne ostane na
stijenkama, i stavi u termostat u kojemu je postignuta zadana temperatura. Svih pet
otopina kiseline moraju biti jednako dugo u doticaju s aktivnim ugljenom. Zato treba
zabilježiti vrijeme stavljanja boce u termostat i pričekati barem 5 min prije dodavanja
kiseline u iduću bocu, jer će filtriranje ugljena nakon adsorpcije toliko potrajati.
Tijekom termostatiranja smjese kiseline i ugljena potrebno je povremeno
promiješati (otprilike svakih 15-ak min).
NAPOMENA: Sve otopine moraju biti u doticaju s aktivnim ugljenom jednako dugo
pri zadanoj temperaturi! Zato se boce stavljaju u termostat čim se kiselina pomiješa s
ugljenom. Ako termostat još nije postigao zadanu temperaturu, pričeka se s
dodavanjem kiseline u boce dok temperatura nije postignuta.
Budući da se adsorpcijska ravnoteža postupno uspostavlja, potrebno je boce
držati u termostatu što je dulje moguće (oko 90 min). Za to vrijeme kontrolira se i
bilježi promjena temperature u termostatu pomoću kontrolnog živinog termometra.
Nakon ustaljenja temperature zapisuje se 4 - 5 temperatura u razmacima ~20 min.
Dok boce sa smjesama stoje u termostatu, određuje se početna koncentracija
pripravljenih otopina kiseline. U Erlenmeyerovu tikvicu odmjernom (trbušastom)
pipetom otpipetira se alikvot kiseline, koji se odabire tako da utrošak NaOH kod
titracije bude blizu optimalnih 5 – 15 cm3. Preporuča se da se počne od najrazrijeđenije
smjese i za nju uzme veći alikvot. Titrira se 0,5 mol dm-3 otopinom NaOH, uz
fenolftalein kao indikator, do promjene boje u ružičastu. Svaka otopina se titrira tri
puta. Na kraju se odmjerne tikvice isprazne i isperu, jer će se u njih filtrirati kiselina
nakon adsorpcije.
Nakon adsorpcije boce se jedna po jedna vade iz termostata, pri čemu se
zabilježi vrijeme vađenja radi provjere ukupnog vremena provedenog u termostatu.
Smjesa se filtrira u opranu odmjernu tikvicu. Nakon što su sve smjese filtrirane, na
prethodno opisani način određuje se ravnotežna koncentracija kiseline nakon adsorpcije.
5. MJERNI PODACI:
c(NaOH) = 0,5 mol dm-3
f(NaOH) = 0,948
m1 = 19,73 g (masa posudice za vaganje, nije potrebno ako se vaga tarira)
Molekulske separacije Adsorpcija: Vježba 1
Octena kiselina t = 29,90 ± 0,05 °C
m2 / g V1(kis.) / cm3 V1(NaOH) / cm3 V2(kis.) / cm3 V2(NaOH) / cm3
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
50 50 25
25 25 25
10 10 10
10 10 10
5 5 5
11,37 10,20 5,36
15,56 15,58 15,63
10,48 10,44 10,40
14,54 14,52 14,64
9,40 9,39 9,39
50 25 10
25 25 25
10 10 10
10 10 10
5 5 5
9,38 4,70 2,00
14,69 14,70 14,71
9,93 9,97 9,97
13,99 14,08 14,06
9,12 9,08 9,16
6. RAČUN:
Octena kiselina
7,413
255050(kis.)/cm 3
1 =++
=V
98,83
36,520,1037,11(NaOH)/cm3
1 =++
=V
3,283
102550(kis.)/cm 3
2 =++
=V
36,53
00,270,438,9(NaOH)/cm3
2 =++
=V
3
-333-
(kis.)/cm
(NaOH)dm (NaOH)/mol(NaOH)/cmdm (kis.)/mol
V
fcVc
=
1021,07,41
948,05,098,8dm mol/ 3-
1 =
=c
0897,03,28
948,05,036,5dm mol/ 3-
2 =
=c
x / mmol = V(kis.) / cm3 · (c1 – c2) / mol dm–3 · (1000 cm3 dm-3 · 0,001 mmol mol-1)
x / mmol = 100·(c1 – c2) / mol dm–3 = 100·(0,1021 – 0,0897) = 1,24
24,100,1
24,1
/g
mmol/g mmol/
2
1- ===m
xa
Molekulske separacije Adsorpcija: Vježba 1
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
CH3COOH
a /
mm
ol
g-1
c / mol dm-3
Slika A2. Prikaz Freundlich-ove izoterme za octenu kiselinu.
Parametri Kf i 1/n dobivaju se linearizacijom Freundlich-ove izoterme.
-1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.00.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
log a
HAc
y = 0,341x + 0,446
R2=0,9678
log c2
Slika A3. Linearizacija Freundlichove izoterme.
Ispitivanje slaganja eksperimentalnih podataka i Freundlich-ovog modela
Pomoću izračunatih parametara Kf i 1/n odredi se količina adsorbirane tvari pri
ravnoteži dobivena modelom (am) pomoću formule:
𝑎𝑚 = 𝐾𝑓 ∙ (𝑐2)1
𝑛⁄
npr. 𝑎𝑚,1 = 2,79 ∙ (0,0897)0,342 = 1,223
Na identičan način odrede se am,2, am,3, am,4 i am,5.
Normalizirana standardna devijacija (Δq) izračuna se pomoću jednadžbe:
∆𝑞(%) = 100 ∙ √∑(𝑎−𝑎𝑚
𝑎)
2
𝑁−1= 4,85,
Molekulske separacije Adsorpcija: Vježba 1
gdje je N broj mjerenja, a eksperimentalno određena količina adsorbirane tvari pri
ravnoteži, a am količina adsorbirane tvari pri ravnoteži dobivene modelom. Dakle, Δq
pokazuje odstupanje eksperimentalno određenih i modelom predviđenih količina
adsorbirane tvari pri ravnoteži, dok linearni korelacijski koeficijent (R2) pokazuje
slaganje eksperimentalnih podataka i linearnog oblika izotermnih jednadžbi. Što je veća
vrijednost R2 i manja vrijednost Δq, bolje je slaganje eksperimenta i modela.
Potrebno je grafički prikazati usporedbu izoterme dobivene eksperimentalnim podacima
te Freundlich-ovim i Langmuir-ovim modelom (Slika A4).
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
eksperimentalni podaci
Freundlich model
a /
mm
ol
g-1
c / mol L-1
Slika A4. Usporedba eksperimentalnih podataka s Freundlich-ovim modelom.
Slaganje Langmuir-ovog modela računa se na identičan način koristeći Langmuir-ovu
izotermu.
7. REZULTAT:
Grafički prikaz Freundlich-ove izoterme (primjer Slika A2).
Octena kiselina: a / mmol g–1 = 2,79·(c / mol dm–3)0,342
1/n Kf R2 Δq (%)
Freundlich 0,342 2,79 0,9678 4,85
Langmuir
8. ZAKLJUČAK:
Prokomentirati dobivene rezultate.
Molekulske separacije Adsorpcija: Vježba 2
VJEŽBA 2: Adsorpcija – šaržni proces
1. ZADATAK: Napisati Freundlichove izoterme za adsorpciju organskih kiselina
zadanih koncentracija pri određenim uvjetima (različite organske kiseline,
koncentracije, temperature, vrsta adsorbensa, količine adsorbensa), te ih usporediti.
2. TEORIJSKI UVOD:
Šaržni proces provodi se u posudi u kojoj se određena količina adsorbensa
izvjesno vrijeme miješa s određenim volumenom tekućine (Slika A5). Vrijeme potrebno
da se postigne ravnoteža ovisi o koncentraciji otopljene tvari, količini adsorbensa,
veličini čestica adsorbensa i intenzitetu miješanja. U svrhu što bržeg postizanja
ravnoteže adsorbens je obično u praškastom obliku veličine 10 – 50 µm, tj. < 1 mm. To
povećava površinu kontakata s otopinom, a istovremeno smanjuje difuzijski otpor.
Intenzivnije miješanje suspenzije poboljšava kontakt čestica s kapljevinom i smanjuje
otpor prijenosu mase do površine adsorbensa. Pretpostavlja se da je mulj savršeno
miješan u turbulentnom režimu radi stvaranja fluidiziranog sloja adsorbensa.
Slika A5. Šaržni reaktor.
Iskustvo je pokazalo da se primjenom praškastog aktivnog ugljena ravnoteža
postiže već za 10 – 60 min. Nakon postizanja ravnoteže ugljen se odijeli od otopine i
regenerira za ponovnu upotrebu. Odjeljivanje praškastog ugljena (vrlo male čestice) od
otopine nije uvijek jednostavno provesti, tako da se pri izboru optimalne veličine čestica
adsorbensa i o tome mora voditi računa. Ukoliko se koncentracija otopljene tvari, koju
Molekulske separacije Adsorpcija: Vježba 2
adsorpcijom treba ukloniti, ne može sniziti do željene razine jednim postupkom
adsorpcije, šaržni se proces vodi u nekoliko stupnjeva i to u pravilu protustrujno.
3. APARATURA:
Upotrebljava se standardno laboratorijsko posuđe i termostat koji održava
temperaturu adsorpcijske ravnoteže.
4. OPIS RADA:
Zbog tromosti zagrijavanja vode u termostatu, treba ga uključiti i namjestiti
zadanu temperaturu na samom početku vježbe, te prema potrebi nadopuniti vodu u kadi
do oznake. Prirede se zadane otopine organskih kiselina u odmjernim tikvicama od
250 cm3 iz matičnih otopina koncentracije 4 mol dm-3. U posudici za vaganje važe se
pet odvaga aktivnog ugljena (vrsta i količina zadana zadatkom) s točnošću od 0,01 g.
Ugljen se lijevkom za krutine prebaci u reagens boce, pazeći da pri tom bude što manje
rasipanja. U bocu se odmjernom (trbušastom) pipetom otpipetira alikvot od 100 cm3
kiseline, dobro se pomiješa s aktivnim ugljenom pazeći da ugljen ne ostane na
stijenkama, i stavi u termostat u kojemu je postignuta zadana temperatura. Svih pet
otopina kiseline moraju biti jednako dugo u doticaju s aktivnim ugljenom. Zato treba
zabilježiti vrijeme stavljanja boce u termostat i pričekati barem 5 min prije dodavanja
kiseline u iduću bocu, jer će filtriranje ugljena nakon adsorpcije toliko potrajati.
Tijekom termostatiranja smjese kiseline i ugljena potrebno je povremeno
promiješati (otprilike svakih 15-ak min).
NAPOMENA: Sve otopine moraju biti u doticaju s aktivnim ugljenom jednako dugo
pri zadanoj temperaturi! Zato se boce stavljaju u termostat čim se kiselina pomiješa s
ugljenom. Ako termostat još nije postigao zadanu temperaturu, pričeka se s
dodavanjem kiseline u boce dok temperatura nije postignuta.
Budući da se adsorpcijska ravnoteža postupno uspostavlja, potrebno je boce
držati u termostatu što je dulje moguće (oko 90 min). Za to vrijeme kontrolira se i
bilježi promjena temperature u termostatu pomoću kontrolnog živinog termometra.
Nakon ustaljenja temperature zapisuje se 4 - 5 temperatura u razmacima ~20 min.
Dok boce sa smjesama stoje u termostatu, određuje se početna koncentracija
pripravljenih otopina kiseline. U Erlenmeyerovu tikvicu odmjernom (trbušastom)
pipetom otpipetira se alikvot kiseline, koji se odabire tako da utrošak NaOH kod
titracije bude blizu optimalnih 5 – 15 cm3. Preporuča se da se počne od najrazrijeđenije
Molekulske separacije Adsorpcija: Vježba 2
smjese i za nju uzme veći alikvot. Titrira se 0,5 mol dm-3 otopinom NaOH, uz
fenolftalein kao indikator, do promjene boje u ružičastu. Svaka otopina se titrira po
mogućnosti tri puta, i najbolje je napraviti jednak broj titracija za svaku otopinu kako bi
pogreška bila jednaka. Na kraju se odmjerne tikvice isprazne i isperu, jer će se u njih
filtrirati kiselina nakon adsorpcije.
Nakon adsorpcije boce se jedna po jedna vade iz termostata, pri čemu se
zabilježi vrijeme vađenja radi provjere ukupnog vremena provedenog u termostatu.
Smjesa se filtrira u opranu odmjernu tikvicu. Nakon što su sve smjese filtrirane, na
prethodno opisani način određuje se ravnotežna koncentracija kiseline nakon adsorpcije.
5. MJERNI PODACI:
c(NaOH) = 0,5 mol dm-3
f(NaOH) = 0,948
m1 = 19,73 g (masa posudice za vaganje, nije potrebno ako se vaga tarira)
Octena kiselina t = 29,90 ± 0,05 °C
m2 / g V1(kis.) / cm3 V1(NaOH) / cm3 V2(kis.) / cm3 V2(NaOH) / cm3
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
50 50 25
25 25 25
10 10 10
10 10 10
5 5 5
11,37 10,20 5,36
15,56 15,58 15,63
10,48 10,44 10,40
14,54 14,52 14,64
9,40 9,39 9,39
50 25 10
25 25 25
10 10 10
10 10 10
5 5 5
9,38 4,70 2,00
14,69 14,70 14,71
9,93 9,97 9,97
13,99 14,08 14,06
9,12 9,08 9,16
Mravlja kiselina t = 29,85 ± 0,05 °C
m2 / g V1(kis.) / cm3 V1(NaOH) / cm3 V2(kis.) / cm3 V2(NaOH) / cm3
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
50 50 25
25 25 25
10 10 10
10 10 10
5 5 5
11,35 10,42 5,22
15,58 15,66 15,68
10,46 10,48 10,47
14,63 14,62 14,64
9,41 9,45 9,40
50 25 10
25 25 25
10 10 10
10 10 10
5 5 5
9,87 4,96 2,13
15,00 14,98 14,99
10,08 10,13 10,16
14,23 14,29 14,18
9,15 9,18 9,14
Molekulske separacije Adsorpcija: Vježba 2
6. RAČUN:
Octena kiselina
7,413
255050(kis.)/cm 3
1 =++
=V
98,83
36,520,1037,11(NaOH)/cm3
1 =++
=V
3,283
102550(kis.)/cm 3
2 =++
=V
36,53
00,270,438,9(NaOH)/cm3
2 =++
=V
3
-333-
(kis.)/cm
(NaOH)dm (NaOH)/mol(NaOH)/cmdm (kis.)/mol
V
fcVc
=
1021,07,41
948,05,098,8dm mol/ 3-
1 =
=c
0897,03,28
948,05,036,5dm mol/ 3-
2 =
=c log c2 = –1,05
x / mmol = V(kis.) / cm3 · (c1 – c2) / mol dm–3 · (1000 cm3 dm-3 · 0,001 mmol mol-1)
x / mmol = 100 (c1 – c2) / mol dm–3 = 100·(0,1021 – 0,0897) = 1,24
24,100,1
24,1
/g
mmol/g mmol/
2
1- ===m
xa log a1 = 0,095
Linearizacija Freundlich-ove jednadžbe: log a / mmol g-1 = log Kf + 1/n log c2 / mol dm–3
-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,00,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
log a
HAc
y = 0,341x + 0,446
log c2
Odsječak pravca:
log Kf = 0,446
Kf = 2,79
Nagib pravca:
342,0/1 =n
Slika A6. Linearizacija Freundlich-ove izoterme za octenu kiselinu.
Molekulske separacije Adsorpcija: Vježba 2
Mravlja kiselina
7,413
255050(kis.)/cm 3
1 =++
=V
00,93
22,542,1035,11(NaOH)/cm3
1 =++
=V
3,283
102550(kis.)/cm 3
2 =++
=V
65,53
13,296,487,9(NaOH)/cm3
2 =++
=V
3
-333-
(kis.)/cm
(NaOH)dm (NaOH)/mol(NaOH)/cmdm (kis.)/mol
V
fcVc
=
1023,07,41
948,05,000,9dm mol/ 3-
1 =
=c
0946,03,28
948,05,065,5dm mol/ 3-
2 =
=c log c2 = –1,02
x / mmol = V(kis.) / cm3 · (c1 – c2) / mol dm–3 · (1000 cm3 dm-3 · 0,001 mmol mol-1)
x / mmol = 100·(c1 – c2) / mol dm–3 = 100·(0,1023 – 0,0946) = 0,78
777,000,1
78,0
/g
mmol/g mmol/
2
1- ===m
xa log a1 = -0,110
Linearizacija Freundlich-ove jednadžbe: log a / mmol g-1 = log Kf + 1/n log c2 / mol dm–3
-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
log a
HCOOH
y=0,502x + 0,386
log c2
Odsječak pravca:
log Kf = 0,386
Kf = 2,432
Nagib pravca:
502,0/1 =n
Slika A7. Linearizacija Freundlich-ove izoterme za mravlju kiselinu.
Molekulske separacije Adsorpcija: Vježba 2
Usporedba dobivenih rezultata:
S obzirom na dobiveni zadatak rezultati se moraju usporediti radi lakšeg
objašnjavanja rezultata.
-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
HAc (y = 0,342x + 0,446)
HCOOH (y = 0,502x + 0,386)
log a
log c2
Slika A8. Usporedba linearizirane Freundlichove izoterme za HCOOH i CH3COOH.
7. REZULTAT:
Octena kiselina: a / mmol g–1 = 2,79·(c / mol dm–3)0,342
Mravlja kiselina: a / mmol g–1 = 2,43·(c / mol dm–3)0,502
8. ZAKLJUČAK:
Prokomentirati dobivene rezultate.
Molekulske separacije Adsorpcija: Vježba 3
VJEŽBA 3: Adsorpcija – u koloni
2. ZADATAK: Nacrtati krivulje proboja za adsorpciju organske kiseline zadane
koncentracije pri određenim uvjetima (visina i promjer kolone, brzina strujanja, različite
organske kiseline), te ih usporediti.
3. TEORIJSKI UVOD:
Kontinuirani procesi preferiraju se za velike količine fluida. Karakteristično za
taj tip procesa je da je kontakt otopine i adsorbensa kontinuiran te da adsorpcija nikada
ne postiže ravnotežno stanje. Moguća je izvedba na tri načina: u koloni s mirujućim
slojem adsorbensa, u koloni s ekspandiranim slojem i u koloni s fluidiziranim slojem.
Pri obradi voda najčešće se primjenjuje prvi način i protok vode može biti odozgo
prema dolje ili obratno.
Adsorpcija u koloni je sustav u kojem dolazi do adsorpcije pri prvim slojevima
aktivnog ugljena gdje se brže zasićuju. Što se otopina više spušta prema izlazu kolone,
to je adsorpcija veća te dolazi do potpunog zasićenja. Koncentracija otopine u početku
eksponencijalno pada na nulu prije nego što dospije do kraja adsorbensa. Prilikom
daljnjeg prolaska otopine kroz adsorbens, otopini koncentracija postepeno raste. U
trenutku potpunog zasićenja, izlazna otopina imati će istu koncentraciju kao početna.
Tada govorimo o ravnoteži ovog sustava. Ovisnost tih koncentracija o vremenu iskazuje
se krivuljom proboja. Ovaj profil koncentracije i krivulja proboja prikazani su na Slici
A9. Područje u kojem se događa većina promjene koncentracije naziva se
adsorpcijskom zonom. Te vrijednosti c/c0 (koncentracija izlazne otopine / koncentracija
ulazne otopine) najčešće budu između 0,05 i 0,95. Adsorpcijska zona doseže do točke
probijanja (tb, cb) te točke zasićenja (ts, cs). Do proboja u realnim slučajevima dolazi
prije potpunog zasićenja te krivulja proboja ima karakterističan „S“ oblik, dok u
idealnim slučajevima, u trenutku proboja, zasićena je cijela površina adsorbensa, a
krivulja proboja ima oblik „Z“ (zelena krivulja na Slici A9).
Molekulske separacije Adsorpcija: Vježba 3
Slika A9. Prikaz adsorpcijske zone i krivulje proboja gdje je c0 početna koncentracija,
cb koncentracija izlazne otopine, tb vrijeme proboja i Z visina kolone.
4. APARATURA:
Za adsorpciju u koloni koristi se kolona s ručnim regulatorom protoka visine
60 cm i unutarnjeg promjera 3 ili 4 cm, granulirani aktivni ugljen, organska kiselina
(octena ili mravlja), natrijev hidroksid (0,5 mol dm-3), indikator fenolftalein, plastične
čaše od 1 L, pamučna vata, posudice za vaganje od 20 mL, automatska bireta, analitička
vaga s točnošću 0,0001 g.
5. OPIS RADA:
Na početku eksperimenta otopina zadane organske kiseline titrira se s NaOH
(0,5 mol dm-3) radi određivanja početne koncentracije. Iz matične otopine kiseline
pripremi se 5 L otopine zadane koncentracije. Na dno kolone postavi se komadić vate
kako aktivni ugljen ne bi začepio otvor na dnu kolone (Slika A10 desno). Složi se
aparatura tako da se kolona učvrsti na stalak (Slika A10 lijevo). Zatim se pomoću
plastičnog lijevka usipa aktivni ugljen na vatu na visinu zadanu zadatkom. Visina stupca
mjeri se ravnalom. Ispod otvora kolone postavi se plastična čaša u koju se propušta
otopina te se na taj način mjeri ukupni volumen propuštene otopine. Izvaže se čista
posudica za vaganje i zapiše se dobivena masa te se za svako mjerenje brzine strujanja
Molekulske separacije Adsorpcija: Vježba 3
koristi ista posudica. U kolonu se ulije otopina pripremljene kiseline do malo ispod vrha
te se regulacijom ventila propušta kroz kolonu. Brzina strujanja mjeri se ručno tako da
se povremeno uzimaju uzorci, u trajanju od 15 s (mjereno štopericom), te se važu na
analitičkoj vagi. Iz razlike masa posudice s efluentom i prazne posudice dobije se masa
efluenta koja se skupi u vremenu od 15 s. Dobivene vrijednosti preračunaju se u
mL min-1. Nakon vaganja, uzorak se vraća u graduiranu posudu kako bi se mogao
očitati točan volumen koji je prošao kroz kolonu te kako ne bi došlo do pogreške pri
mjerenju volumena. Tijekom rada potrebno je izmjeriti minimalno četiri puta protok
(npr. jednom u svakoj propuštenoj litri otopine) te izračunati srednju vrijednost i
standardnu devijaciju. Za vrijeme protjecanja potrebno je održavati visinu otopine u
koloni konstantnom.
Slika A10. Prikaz kolone napunjene adsorbensom.
Tijekom propuštanja pripremljene otopine kroz kolonu uzimaju se uzorci. Do
prve litre otopine, uzorci se uzimaju svakih 200 mL zbog veće brzine adsorpcije, a
nakon litre uzimaju se svakih 500 mL. Automatskom pipetom uzme se određena
količina uzorka (2 ili 5 cm3 ovisno o zadanoj koncentraciji ulazne otopine) i stavi u
Erlenmeyerovu tikvicu. Kapaljkom se dodaju tri kapi fenolftaleina koji u točki završetka
titracije boji otopinu u ružičasto. Svi uzeti uzorci tokom protjecanja titriraju se s
vata
Visina stupca
adsorbensa
Molekulske separacije Adsorpcija: Vježba 3
0,5 mol dm-3 NaOH. Svaki uzorak se titrira minimalno dva puta. Podaci se bilježe te se
crta graf.
Tijekom rada potrebno je očitati tri puta sobnu temperaturu na termometru 1/100 ℃.
6. MJERNI PODACI:
c(NaOH) = 0,5 mol dm-3
f(NaOH) = 0,948
m1 = 19,73 g (masa prazne posudice za vaganje)
m2 = 39,54 g (masa s uzorkom otopine)
Tablica. Volumen utrošenog NaOH nakon određene količine propuštene otopine
V (otopine) / mL V (NaOH) / mL
0
200 9,31 9,36
400 5,99 5,96
600 8,00 7,95
1000 8,47 8,46
1500 8,84 8,81
2000 8,96 8,94
2500 8,98 9,01
3000 9,07 9,07
3500 9,07 9,06
4000 9,05 9,07
V0(NaOH)=9,28 i 9,31 mL (volumen utrošenog NaOH za početnu otopinu organske
kiseline)
7. RAČUN:
Izračun brzine strujanja: 𝑚2−𝑚1
𝑡=
39,54 𝑔−19,73 𝑔
0,25 𝑚𝑖𝑛= 73,24 𝑔 𝑚𝑖𝑛−1 = 73,24 𝑚𝐿 𝑚𝑖𝑛−1
Izračun početne koncentracije organske otopine:
Molekulske separacije Adsorpcija: Vježba 3
𝑐0 =𝑉(𝑁𝑎𝑂𝐻) ∙ 𝑓(𝑁𝑎𝑂𝐻) ∙ 𝑐(𝑁𝑎𝑂𝐻)
𝑉(𝑢𝑧𝑜𝑟𝑘𝑎)=
9,28 𝑚𝐿 ∙ 0,987 ∙ 0,5 𝑚𝑜𝑙 𝐿−1
5 𝑚𝐿
= 0,916 𝑚𝑜𝑙 𝐿−1
Na isti način određuje se koncentracija organske otopine nakon propuštanja kroz kolonu
te se izračuna c/c0.
V (otopine) /
mL
Vsr (NaOH) /
mL
c (org. otopine) /
mol L-1
c/c0
0
200 9,335 0,921 0,640
400 5,975 0,589 0,854
600 7,975 0,787 0,907
1000 8,465 0,835 0,945
1500 8,825 0,871 0,959
2000 8,950 0,883 0,964
2500 8,995 0,888 0,972
3000 9,070 0,895 0,971
3500 9,065 0,895 0,970
4000 9,060 0,894 0,974
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
c/c 0
V (obrađene otopine) / mL
Slika A11. Krivulja proboja za zadanu organsku kiselinu pri zadanim uvjetima.
Molekulske separacije Adsorpcija: Vježba 3
8. REZULTAT:
Usporediti rezultate s obzirom na zadane uvjete rada.
Slika A12. Krivulje proboja za zadanu organsku kiselinu pri različitim promjerima
kolone.
9. ZAKLJUČAK:
Prokomentirati dobivene rezultate.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 1000 2000 3000 4000 5000
c/c 0
V / mL
kolona 3 cm
kolona 4 cm
Molekulske separacije Membranske separacijske operacije
MEMBRANSKE SEPARACIJSKE OPERACIJE
Membranske separacijske procese možemo definirati kao postupke koji pomoću
membrane ulaznu struju (pojnu kapljevinu) dijele u dvije struje: permeat i retentat
(koncentrat) kao što je prikazano na Slici M1.
Slika M1. Shematski prikaz membranskog separacijskog procesa.
Permeat predstavlja struju oslobođenu od tvari prisutnih u otopini, najčešće čistu
vodu, a retentat predstavlja dio ulazne struje u kojoj su otopljene tvari zadržane i na taj
način višestruko koncentrirane. Membrana je srce svake membranske operacije i
definira se kao tanki film (međufaza) koja dijeli dvije faze i/ili djeluje kao aktivna ili
pasivna tanka fizikalna pregrada prijenosu tvari između faza. Ova se definicija odnosi
na permselektivne membrane i podrazumijeva da postoji razlika kemijskog potencijala
između dviju faza. Dakle, membrana je funkcionalan, aktivan, rjeđe pasivan materijal.
Do separacije dolazi jer membrana ima sposobnost da prenese jednu komponentu pojne
kapljevine, smjese mnogo lakše nego ostale komponente zbog razlika u fizičkim i/ili
kemijskim svojstvima između membrana i permeabilnih komponenata. Prijenos kroz
membranu događa se kao rezultat pokretačke sile koja djeluje na komponente u ulaznoj
struji, tj. fazi 1 kao što je prikazano na Slici M2. U mnogim je slučajevima brzina
permeacije kroz membranu proporcionalna pokretačkoj sili, tj. veza fluks-pokretačka
sila može se opisati fenomenološkom jednadžbom (1).
dt
dXAJ −= , (1)
Molekulske separacije Membranske separacijske operacije
gdje je A fenomenološki koeficijent, a dX/dx pokretačka sila izražena kao gradijent X
(temperatura, koncentracija, tlak) duž koordinate x okomite na transportnu barijeru.
Slika M2. Shematski prikaz dvofaznog sustava separiranog membranom.
Performansa ili učinkovitost dane membrane određena je s dva važna parametra.
To su selektivnost i protok (fluks, brzina permeacije, koji ima jedinicu L m-2 h-1,
L m-2 h-1 bar-1, gal ft-2 day-1, itd.). Selektivnost membrane najčešće se izražava s
faktorom zadržavanja, R:
f
p
f
pf
c
c
c
ccR −=
−= 1 , (2)
gdje je cf koncentracija ulazne otopine, a cp koncentracija permeata.
U svim slučajevima membranski procesi dizajnirani su tako da omogućavaju
fizikalno ili fizikalno-kemijsku separaciju odabranih komponenata potaknutu
odgovarajućom pokretačkom silom. Pokretačka sila može biti razlika koncentracija
(Δc), tlakova (Δp), temperature (ΔT) ili električnog potencijala (ΔE) s obje strane
membrane. Ovisno o pokretačkoj sili membranske operacije nazivaju se osmotske,
tlačne, termičke i električne.
permeat ulazna
otopina
Pokretačka sila
Δc, Δp, ΔT, ΔE
Molekulske separacije Membranske separacijske operacije: Vježba 4
VJEŽBA 4: Tlačni membranski procesi
2. ZADATAK: Odrediti protoke i faktore zadržavanja određenih reverzno osmotskih i
nanofiltracijskih membrana pri različitim uvjetima rada (u vježbi se mogu mijenjati
tlakovi, vrsta anorganskih soli ili organskih tvari, te njihove koncentracije).
3. TEORIJSKI UVOD:
U industrijskom mjerilu najviše se koriste tlačni membranski postupci obrade
voda kojima je pokretačka sila gradijent tlaka. Navedena pokretačka sila uzrokuje da
otapalo i različite molekule otopljenih tvari prolaze kroz membranu, dok druge
molekule ili čestice ne prolaze, tj. budu odbijene do određenog stupnja, ovisno o
strukturi membrane. S obzirom na veličinu pogonske sile i vrsti upotrijebljenih
membrana razlikujemo 4 tlačne operacije: mikrofiltracija (MF), ultrafiltracija (UF),
nanofiltracija (NF) i reverzna osmoza (RO). Nanofiltracija i RO koriste se kada treba od
otapala separirati niskomolekulske tvari kao što su anorganske soli, ili male organske
molekule kao što su šećeri, glukoza i sukroza. Radi se praktički o istom procesu
(prikazan na Slici M3), budući da su temeljni principi isti, iako postoje razlike.
Slika M3. Princip rada osmoze i reverzne osmoze.
Idući od MF do RO veličina separiranih čestica ili molekula se smanjuje, a time
i veličina pora u membranama mora biti manja. Prema tome, pri NF i RO potrebne su
gušće membrane, koje time pružaju puno veći hidrodinamički otpor prolasku fluida. To
Molekulske separacije Membranske separacijske operacije: Vježba 4
pak znači da otpor prijenosu tvari, koje pružaju membrane, raste, a radni tlak koji treba
primijeniti mora biti veći da se dobije isti fluks. Razlike između MF, UF, NF i RO
prikazane su na Slici M4.
Slika M4. Razlike između MF, UF, NF i RO.
Membrana je permeabilna za molekule otapala (vode), ali ne i za sol. Da bi voda
prošla kroz membranu, primijenjeni tlak mora biti veći od osmotskog tlaka. Kao što se
vidi iz Slike M3 i M5, voda teče iz razrijeđene otopine (čista voda) u koncentriranu
otopinu ako je primijenjeni tlak manji od osmotskog tlaka. Kada je primijenjeni tlak
veći od osmotskog tlaka, voda teče iz koncentrirane otopine u razrijeđenu otopinu.
Nanofiltracijske membrane su iste kao i reverzno osmotske, ali im je mrežasta
struktura više otvorena. To implicira slabije zadržavanje monovalentnih iona, ali je
retencija bivalentnih iona npr. Ca2+ ili CO22- vrlo visoka.
Microfiltracija
Ultrafiltracija
Nanofiltracija
Reverzna osmoza
Povećanje tlaka
Sm
anje
nje
vel
ičin
e pora
Voda
Ion
i
(Na
+, Cl -)
Org
ansk
e tvari
Višev
alentn
i ion
i
(Ca
2+, M
g2
+, SO
42
-)
Mali
ko
loid
i
Viru
si
Čestice
Sed
imen
t
Bak
terije
Molekulske separacije Membranske separacijske operacije: Vježba 4
Slika M5. Shematski prikaz protoka vode Jw kao funkcija primijenjenog tlaka.
Također je vrlo veliko zadržavanje mikropolutanata i mikrootopljenih tvari kao što su
herbicidi, insekticidi, pesticidi te ostale niskomolekulne tvari kao što su boje i šećeri.
Primjeri za RO, guste i rahle NF i UF membrane prikazani su u Tablici M1.
Tablica M1. Usporedba faktora zadržavanja RO, NF i UF membrana
RO
(%)
„guste“ NF
(%)
„rahle“ NF
(%)
UF
(%)
NaCl 99 70-95 0-70 0
Na2SO4 99 80-95 99 0
CaCl2 99 80-95 0-90 0
MgSO4 >99 95-98 >99 0
H2SO4 98 80-90 0-5 0
HCl 90 70-85 0-5 0
Fruktoza >99 >99 20-99 0
Saharoza >99 >99 >99 0
Hum. kiseline >99 >99 >99 30
Virusi 99,99 99,99 99,99 99
Proteini 99,99 99,99 99,99 99
Bakterije 99,99 99,99 99,99 99
ΔP
ako je ΔP < Δπ Jw
Jw ako je ΔP > Δπ
0
Jw
Jw
ΔP
Δπ
gdje je: ΔP – radni tlak
Δπ – osmotski tlak
Jw – fluks vode
membrana
Jw
Molekulske separacije Membranske separacijske operacije: Vježba 4
4. APARATURA:
Na Slici M6 i M7 prikazana je slika odnosno shematski prikaz RO/NF
laboratorijskog uređaja.
Slika M6. Slika RO/NF laboratorijskog uređaja.
Slika M7. Shematski prikaz reverzno osmotskog uređaja sa svojim sastavnim
dijelovima: H-spremnik za pojnu smjesu, VP-visokotlačna pumpa, M-manometar, RO-
reverzno osmotska jedinica i BPR-regulator tlaka (ventil).
Molekulske separacije Membranske separacijske operacije: Vježba 4
5. OPIS RADA:
Laboratorijski RO/NF uređaj (Slika M6 i M7) korišten na vježbama sastoji se od
šest paralelno spojenih membranskih jedinica, a u svakoj od njih nalaze se membrane
površine 11,0 cm2. Iz spremnika se u svaku od jedinica kontinuirano uvodi pojna smjesa
vode ili otopine (brzina strujanja 750 mL min-1) potiskivanjem pomoću visokotlačne
pumpe aksijalno preko površine membrane uz stalni prolaz permeata.
Na samom početku membrane se izrežu na odgovarajuću veličinu i smjeste u
membranske jedinice. Koristi se šest različitih reverzno osmotskih i nanofiltracijskih
membrana. Membrane se prvo isperu s oko 7 L demineralizirane vode radi uklanjanja
konzervansa. Slijedi tlačna obrada na tlaku većem od radnog tlaka (praksa u laboratoriju
je 15 bar ukoliko je radni tlak 8 – 12 bar) u trajanju 2 – 3 h. Nakon tlačne obrade tlak se
spusti na radni (ovisno o zadanim radnim uvjetima). Prije svake otopine (anorganske ili
organske) voda mora cirkulirati 1 h i odredi se protok vode (Jw / L m-2 h-1). Nakon toga
membrane se ispituju s otopinama zadanima zadatkom u određenoj koncentraciji. Prije
uzimanja uzoraka permeata otopina mora cirkulirati u sustavu 30 min. Tada se u
posudice za vaganje skupljaju uzorci koji će se koristiti za određivanje protoka otopine i
koncentracije anorganskih i organskih otopljenih tvari. Ukoliko se koriste anorganske
soli mjeri se provodnost (κ, µS cm-1), a ukoliko se koriste organske mjeri se ukupni
organski ugljik (TC, mg C L-1).
Mjerenje protoka vode i otopine:
Za svaku membranu uzima se uzorak određeno vrijeme (npr. 5 min) i važno je
da se za svih 6 membrana uzorak vode ili otopine uzima isto vrijeme. Trajanje pokusa
zapisuje se u rubriku Vrijeme pokusa u min. Nakon uzorkovanja posudice s uzorcima se
važu na analitičkoj vazi s preciznosšću od 0,01 g i zapisuje se pod Težina posudice +
uzorak u gramima. U rubriku Temperatura/faktor zapisuje se temperatura otopine koja
se u tom trenutku koristi, a faktor se izračuna prema ovisnosti korekcijskog faktora
viskoznosti o temperaturi prikazan u Prilogu 2.
6. MJERNI PODACI:
Radni list se nalazi u prilogu i mjerni podaci se upisuju kao što je prikazano u
ovom primjeru.
Molekulske separacije Membranske separacijske operacije: Vježba 4
Radni tlak / bar 9
Otopina NaCl, 500 mg dm-3
Tip membrane BW30 XLE NF90 NF UTC-
70HA
NF270
VODA
Posudica broj 01 02 03 04 05 06
Težina posudice + uzorak / g 21,51 23,15 27,55 25,47 28,30 31,08
Težina posudice / g 18,89 19,26 23,36 19,59 25,02 19,69
Težina uzorka / g 2,62 3,89 4,19 5,88 3,28 11,39
Vrijeme pokusa / min 5 5 5 5 5 5
Temperatura/faktor / ºC 22,4 / 1,061556
OTOPINA
Posudica broj G1 G2 G3 G4 G5 G6
Težina posudice + uzorak / g 28,04 28,70 32,40 31,01 21,19 39,79
Težina posudice / g 25,55 25,02 28,81 25,22 18,52 28,56
Težina uzorka / g 2,49 3,68 3,59 5,79 2,67 1,20
Vrijeme pokusa / min 5 5 5 5 5 5
Temperatura/faktor / ºC 22,4 / 1,061556
Vodljivost / µS cm-1 25,0 19,0 50,8 480 85,1 730
Vodljivost ulazne otopine
/ µS cm-1 1091
7. RAČUN:
Protok vode i otopine:
m (uzorka) / g = m (težina posudice+uzorka) / g – m (težina posudice) / g
= 21,51 g – 18,89 g = 2,62 g
12min 5
min 60
min / pokusa vrijeme
min 60 jemefaktor vri ===
Molekulske separacije Membranske separacijske operacije: Vježba 4
Faktor temperatura = 1,061556 (Prilog 2 – izmjerenu temperaturu uvrstiti u jednadžbu)
34,30m 101,1
L10h g 33,37
m / membrane površina
h g / h m L /
37,33h /
1,061556 12 2,62
peraturafaktor tem jemefaktor vri/)(uzorkah g/
23
31-
2
1-
w1-2-
1
w
1
=
==
=
=
=
−
−
−
−
JJ
gJ
gmJ
w
w
Na isti način se izračunava protok otopine.
Faktor zadržavanja
71,97%100L mg 346,3
L mg 94,7L mg 346,3%100%/
1-
-1-1
=−
=−
=ul
izlul
c
ccR
Koncentracija klorida u otopini izračuna se pomoću baždarnog dijagrama (Prilog 3 i 4
ovisno o zadanoj otopini).
8. REZULTATI:
Tip membrane BW30 XLE NF90 NF UTC-
70HA
NF270
Fluks vode / L m-2 h-1 30,34 45,05 48,52 68,09 37,98 131,90
Fluks otopine / L m-2 h-1 28,84 42,62 41,57 67,05 30,92 130,05
Koncentracija Cl- / mg L-1 7,94 6,03 16,13 152,3 27,02 231,7
Ulazna konc. Cl- / mg L-1 346,3
Factor zadržavanja (R) / % 97,71 98,26 95,34 56,00 92,20 33,09
9. ZAKLJUČAK:
Dobivene rezultate prikazati tablično i/ili grafički i prokomentirati.
Molekulske separacije Prilozi
PRILOZI
Prilog 1. Radni list za vježbu tlačne membranske operacije
Prilog 2. Ovisnost korekcijskog faktora viskoznosti o temperaturi
Prilog 3. Baždarni dijagram za NaCl
Prilog 4. Baždarni dijagram za CaCl2
Prilog 5. Upute za rad s automatskom biretom Solarus
Prilog 6. Upute za rad s termostatom Julabo ED
Molekulske separacije Prilozi
Prilog 1. Radni list za vježbu tlačne membranske operacije
Datum
Aktivna površina membrana / cm2
Radni tlak / bar
Otopina i dobava
Topl. obrada / ºC
Tip membrane
VO
DA
Posudica broj
Težina posudice + uzorak / g
Težina posudice / g
Težina uzorka / g
Vrijeme pokusa / min
Temperatura/faktor / ºC
Fluks vode / L m-2 h-1
OT
OP
INA
Posudica broj
Težina posudice + uzorak / g
Težina posudice / g
Težina uzorka / g
Vrijeme pokusa / min
Temperatura/faktor / ºC
Fluks otopine / L m-2 h-1
Otpor otopine / ohm
Vodljivost / μS cm-1
Koncentracija / mg L-1
Faktor zadržavanja, R (%)
UL
AZ
NA
OT
OP
INA
Otpor ulazne otopine
Vodljivost ulazne otopine / μS cm-1
Koncentracija ulazne otopine / mg L-1
Molekulske separacije Prilozi
Prilog 2. Ovisnost korekcijskog faktora viskoznosti o temperaturi
18 20 22 24 26 28 30 32 340,80
0,85
0,90
0,95
1,00
1,05
1,10
1,15
kore
kci
jski
fakto
r vis
kozn
ost
i
T / C
y = 1,79934 - 0,04136T/C + 0,000376031(T/C)2
Molekulske separacije Prilozi
Prilog 3. Baždarni dijagram za NaCl
0 200 400 600
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
S cm
-1
/ mg Cl- L
-1
y = 3,14995 x
Molekulske separacije Prilozi
Prilog 4. Baždarni dijagram za CaCl2
0 100 200 300 400 500 600
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
S cm
-1
/ mg Cl- L
-1
y = 3,19749 x
Molekulske separacije Prilozi
Prilog 5. Upute za rad s automatskom biretom Solarus
Automatska bireta Solarus predviđena je za rad u temperaturnom području 4 – 50 °C.
Ne smije se puniti jako koncentriranim kiselinama, lužinama i otopinama soli, kao ni
fluorovodičnom kiselinom.
NAPOMENA: Prije titriranja obavezno se skida poklopac s pipca. Nikad se ne smiju
okretati kotačići ili pritiskati klip dok je poklopac na pipcu.
Punjenje birete
Ventil pokraj pipca okrene se prema stražnjem dijelu birete. Pritiskanjem tipke MODE
namjesti se na displeju strelica prema gore. Bireta se puni okretanjem kotačića pokraj
zaslona prema stražnjem dijelu birete. Zatim se okrene ventil prema prednjem dijelu
birete, i polako okreće kotačić pokraj zaslona koji pokazuje volumen dok se pipac birete
ne ispuni kapljevinom.
NAPOMENA: Nikako ne primjenjivati silu!
Titriranje
Na početku se provjeri je li bireta puna i ventil pokraj pipca okrenut prema naprijed.
Pritiskanjem tipke MODE namjesti se na displeju strelica prema dolje. Na početku nove
titracije volumen se namjesti na nulu pritiskom na tipku CLEAR. Titriranje počinje
okretanjem kotačića pokraj zaslona prema naprijed. Dešnjaci tikvicu za titriranje drže
desnom rukom a titriraju lijevom, dok ljevaci titriraju desnom rukom a tikvicu drže
lijevom. Treba dobro miješati kapljevinu u tikvici tijekom cijelog titriranja.
Kraj rada
Ventil pokraj pipca okrene se prema natrag, i pritiskom na klip i okretanjem kotačića
pokraj zaslona u potpunosti se isprazni biretu. Na kraju se pipac zatvori poklopcem.
Molekulske separacije Prilozi
Prilog 6. Upute za rad s termostatom Julabo ED
Termostat Julabo predviđen je za zagrijavanje kapljevine/medija u kadi u
temperaturnom području 20 – 100 °C, s postojanošću ±0,1 °C. Radi pri temperaturi
okoline 5 – 40 °C i relativnoj vlažnosti do 50 % pri 40 °C.
NAPOMENA: U kadu se ne smiju ulijevati zapaljive ili nagrizajuće kapljevine, a kao
medij preporuča se isključivo deionizirana voda.
NAPOMENA: Nikad ne paliti termostat ako kada nije puna kapljevine.
Termostat se uključuje na prekidaču. Digitalni displej pokazuje trenutnu temperaturu
medija (vode). Programirana temperatura se na displeju prikazuje kratkim pritiskom na
strelice prema gore ili dolje. Duljim pritiskom na strelicu zadana temperatura se mijenja.
Da bi se promjena potvrdila, pritisne se tipka ENTER (savijena strelica). Dok termostat
grije, stalno svijetli žuta lampica, a kad počne treptati znači da je postignuta zadana
temperatura.
Kotačićem ispod prekidača može se zadati maksimalna dozvoljena temperatura koju
termostat tijekom rada ne smije prijeći.
NAPOMENA: Ako se zagrijava na temperature iznad 50 °C, treba biti oprezan radi
mogućih opekotina.
U slučaju sljedećih pogrešaka pali se crvena lampica i javlja alarm:
- temperatura u termostatu prelazi maksimalnu dozvoljenu temperaturu,
- u kadi ima premalo kapljevine,
- termostat se nedovoljno puni – moguće curenje crijeva,
- kvar u temperaturnom senzoru termostata.
Molekulske separacije Prilozi
Dostupne otopine u laboratorijima (Laboratorij fizikalno kemijski i Laboratorij za
membransku obradu voda).
CH3COOH 4 mol dm–3
HCOOH 4 mol dm–3
NaCl
CaCl2
Etanol
1,3-dioksolan
1,4-dioksan