ÈWWHNLQWHWWHPDP V]DNLPHJYDOyVtWiVWHUYH]pVHV]HPSRQWMiEyODSDUDPpWHUHVV]LYDWW\~]iVUyO
publikált, nagyrészt még alapkutatási V]LQW HUHGPpQ\HNHW $] HOMiUiVVDO HOpUKHW LJHQ QDJ\
V]pWYiODV]WiVW V]iPRV SDUDPpWHU P YHOHWL MHOOHP] HJ\WWHVHQ EHIRO\iVROMD 2SWLPiOLV N|UOPpQ\HN NLDODNtWiViQDN IHOWpWHOUHQGV]HUpW U|J]tW HJ\VpJHV PRGHOOW QHP WDOiOWDP $
lineáris egyensúlyi elmélet (Pigford, 1969) tendenciájában tudja értelmezni a ciklikus adszorpcióval megvalósítható szétválasztási folyamatot. Nemlineáris egyensúlyi
|VV]HIJJpVHN HVHWpQ D NtVpUOHWL HUHGPpQ\HN KLiQ\RVDN PLQG D P YHOHWL MHOOHP] N V]iPD
mind a tartománya tekintetében. A publikált nemlineáris egyensúlyi elmélet (Camero, 1975) alkalmazási területét nagymértékben korlátozza egyrészt az, hogy az izotermáknak nem lehet
LQIOH[LyV SRQWMXN D YL]VJiOW NRQFHQWUiFLyWDUWRPiQ\EDQ PiVUpV]W D P YHOHW WUDQ]LHQV
tartományában a tartál\EHOL NRQFHQWUiFLyN PpJ V]iPtWyJpSSHO LV QHKH]HQ NH]HOKHW
numerikus módszerrel határozhatók meg.
0XQNiP VRUiQ NpW NDWLRQ V]pWYiODV]WiViW WDQXOPiQ\R]WDP FLNOLNXV K N|]OpV WHUPLNXV
ioncserés eljárásokkal. Az eljárások tervezése, optimálása szempontjából meghatározónak
PXWDWNR]y P YHOHWL MHOOHP] N KDWiViQDN YL]VJiODWiUD D]RQRV N|UOPpQ\HN N|]|WW
szisztematikus kísérletsorozatokat végeztem.
A választott modellanyagok:
– 9DULRQ .60 HU VHQ VDYDV PDNURSyUXVRV NDWLRQFVHUpO J\DQWD -0,7 mm-es szemcsefrakciója,
– hidrogén-, nátrium-, kálium-, magnézium-, kalcium-klorid a.lt. vegyszerek vizes oldata.
Dinamikus módszerrel kimértem a fenti kation-formájú gyanták térfogat- és tömegegységre vonatkoztatott kapacitását.
Sztatikus körülmények között meghatároztam az ionRNPLQGHQNpWNRPSRQHQV UHQGV]HUpEHQ
az ioncsere izotermákat 0,1 ekv/dm3 oldatkoncentrációnál 288 K-en és 333 K-HQ .O|QE|]
YHJ\pUWpN NDWLRQRN HVHWpQ pV HNYGP3
oldatkoncentrációnál is elvégeztem a méréseket. Az ioncsere izotermák jellemzésére a V]HOHNWLYLWiVL WpQ\H] W
( )
Tij használtam,DPHO\ NO|QE|] YHJ\pUWpN NDWLRQRN HVHWpQ HU VHQ IJJ D J\DQWDIi]LVEHOL LRQ|VV]HWpWHOW O
(yi). A Tji=f(yi) összefüggést harmadfokú polinommal közelítettem. Különösen érzékenyek a
K PpUVpNOHWYiOWR]iVUD D]RN D UHQGV]HUHN DPHO\HNEHQ D] HJ\LN NRPSRQHQV . vagy Mg .
.O|QE|] YHJ\pUWpN SiURN HVHWpQ D] ROGDW NRQFHQWUiFLyMiYDO D V]HOHNWLYLWiVL WpQ\H] LJHQ QDJ\PpUWpNEHQYiOWR]LNJ\DNRUODWLODJD]RQRVK PpUVpNOHWIJJpVPHOOHWW
AutRPDWLNXV pV Np]L YH]pUOpV EHUHQGH]pVHNHW pStWHWWHP 1HP W|UHNHGKHWWHP WHOMHVVpJUH D NRPSRQHQVV]pWYiODV]WiVWEHIRO\iVROyWpQ\H] NQDJ\V]iPDpVDP YHOHWLG LJpQ\HPLDWW (J\ YL]VJiODW D] HO NpV]OHWHNNHO HJ\WW QpKiQ\ QDSWyO QpKiQ\ KpWLJ WDUWRWW $ &D2+
–K+ ionpár szétválasztása során mintegy 100 kísérletet végeztem, hogy megvizsgáljam az alábbi
P YHOHWLMHOOHP] NKDWiViW
Szakaszos eljárásban (zárt rendszerben):
– az üreskeresztmetszeti sebesség (v0=0,046 … 2,3 mm/s),
– relatív ionmennyiség, vagyis a félciklusokban átáramoltatott ionmennyiség és az
LRQFVHUpO W|OWHWNDSDFLWiViQDNDKiQ\DGRVD ¶ … 1,0), – a kezdeti ionösszetétel (x0Ca2+=0,2 … 0,8),
– az oldat összkoncentrációja (0,1; 0,5; 1,0 ekv/dm3),
– D]LRQFVHUpO W|OWHWKRVV]DD]RQRVUelatív ionmennyiség ( ¶PHOOHWW (L=0,6; 1,0; 1,5 m).
Félfolyamatos eljárásban (periodikusan nyílt rendszerben):
– a félciklusokban refluxként átáramoltatott relatív ionmennyiség ( ¶ … 0,34), – a félciklusonként betáplált és termékként elvett relatív ionmennyiség
´ … 0,09),
– az oldat összkoncentrációja (c0=0,1; 0,5; 1,0 ekv/dm3).
Az elemzéseket atomabszorpciós fotométerrel végeztem (ZEISS AAS1 abszorpciós és emissziós üzemmódban, a kalcium és a kálium mérési határa 0,1 mg/dm3 $ P YHOHW
jellemzésére egyrészt a tartálytranziens görbéket, másrészt az egyes komponensekre vonatkozó szeparációs faktort használtam, amely az adott komponens két termék-tartálybeli
NRQFHQWUiFLyMiQDN KiQ\DGRVD 0LQGNpW MHOOHP] iOWDOiEDQ LJHQ pU]pNHQ\HQ UHDJiO D
különb|] P YHOHWLSDUDPpWHUHNYiOWR]WDWiViUD
Az egyensúlyi modell „szokásos” feltételrendszerét kiegészítettem azzal, hogy a termosztálási
UpV]SHULyGXVRNEDQ NHOHWNH] NRQFHQWUiFLyOpSFV N D] iUDPROWDWiVL UpV]SHULyGXVRNEDQ D]
RV]ORSEDQPDUDGQDNtJ\DP YHOHWVorán a tartályokba azonos összetétellel kerül az oldat. Ez
DODSMiQGHILQLiOWDPD]HOPpOHWLFLNOXVWDPLYHODOHJMREEV]pWYiODV]WiVpUKHW HO
Az elméleti ciklusok ismétlésével (elméleti ciklusszám) a tartálybeli koncentrációk
JUDILNXVDQHJ\V]HU DOJRULWPXVVDOYDJ\N|]HOtW PDWHPDWLNDLIRUPXOiYDONLV]iPtWKDWyN
$ NRQFHQWUiFLyIJJYpQ\HN OHKHW VpJHW DGQDN D NtVpUOHWL HUHGPpQ\HN HJ\VpJHVHEE pV iWWHNLQWKHW EE pUWpNHOpVpUH %HYH]HWWHP D] HJ\HV NRPSRQHQVHNUH HJ\ DGRWW NtVpUOHWL
ciklusszámhoz tartozó ciklus-hatásfokot, amelyet a 20. kísérleti ciklusban kialakult
WDUWiO\NRQFHQWUiFLyNKR] UHQGHOKHW HOPpOHWL pV NtVpUOHWL FLNOXVV]iP KiQ\DGRVDNpQW
rögzítettem.
Azonos termékösszetétel feltételének vizsgálatához levezettem az elméleti ciklusokban
NHOHWNH] NRQFHQWUiFLyOpSFV NQHN D] iUDPROWDWiVL UpV]SHULyGXVRNUD YRQDWNR]y
dimenziómentes haladási sebességét. Ehhez az izotermákat húrokkal közelítettem az elméleti
FLNOXVRNQDN PHJIHOHO LQWHUYDOOXPRNEDQ $ VHEHVVpJHN LVPHUHWpEHQ pUWHOPH]KHW D NH]GHWL
ionösszetétel (x0i) hatása, és meghatározható egy olyan [LQWHUYDOOXPDPHO\E O 0
xi értékét
YiODV]WYDPLQGNpWWDUWiO\EDD]HOPpOHWLFLNOXVRNQDNPHJIHOHO |VV]HWpWHO ROGDWNHUO
$ SHULRGLNXVDQ iOODQGyVXOW iOODSRWEDQ |QPDJXNDW LVPpWO NRQFHQtrációprofilok kiszámításához a Golden-szabály (Golden, 1973) felhasználásával és a komponensmérlegre vonatkozó megfontolásokkal a modellt kiterjesztettem egy inflexiós pontot mutató izotermákra is. Így kiszámolható a maximális relatív ionmennyiség ( ¶max), amelyhez végtelen
FLNOXVV]iPQiO PLQGNpW NRPSRQHQV PHJIHOHO WDUWiO\EHOL GLPHQ]LyPHQWHV LRQHNYLYDOHQV
törtje 1,0 .
9L]VJiODWDLP HUHGPpQ\HLW NO|Q|VHQ QDJ\WLV]WDViJ~ DQ\DJRN HO iOOtWiVD V]HPSRQWMiEyO
értékeltem.
1. $ WHUPLNXV K PpUVpNOHWIJJ LRQFVHUpYHO NpWNRPSRQHQV UHQGV]HUHNEHQ LJHQ QDJ\
V]pWYiODV]WiV pUKHW HO $ PRGHOONpQW YiODV]WRWW &D2+
–K+–Varion KSM rendszerben a
V]HOHNWLYLWiVL WpQ\H] + + Ca2
TK iWODJRVDQ D NpWV]HUHVpUH Q . K PpUVpNOHW Q|YHOpV
hatására.
a) Az üreskeresztmetszeti sebesség csökkentése minden esetben növeli a szétválasztást.
A 0,046 … 0,5 mm/s tartományban nagytisztaságú termékeket (99,9-99,999 m/m%
tartályösszetételek 20-35 ciklus után, 0,6 … 0,9 ciklushatásfokok) kaptam. A többi
SDUDPpWHU PHJIHOHO EHiOOtWiVD PHOOHWW az elméleti ciklusokkal számítható szétválasztás átlagosan 10 SRQWRVViJRQ EHOO PHJN|]HOtWKHW … 5 nagyságrend koncentráció tartományban.
b) A ciklushatásfoknak a relatív ionmennyiség ( ¶ Iüggvényében általában maximuma
i,max) van, amelynek a helye, az értéke és az „intervalluma” is érzékenyen változik a kezdeti ionösszetétellel és az oldat összkoncentrációjával.
c) Valamely komponens kezdeti ionösszetételének (x0i) a csökkentése a tranziens tartományban növeli az ugyanerre a komponensre vonatkozó, és rontja a másik komponensre vonatkozó ciklushatásfokot. A kezdeti ionösszetétel a tranziens
WDUWRPiQ\EDQ DODSYHW HQ PHJKDWiUR]]D D V]pWYiODV]WiVW $] HOPpOHWL FLNOXVRNQDN PHJIHOHO HQ NHOHWNH] NRQFHQWUiFLyOpSFV NQHN D WHUMHGpVL VHEHVVpJH PLndkét áramoltatási részperiódusban igen érzékenyen változik az összetétellel. Szakaszos (zárt) rendszerben csökkentve az x0ipUWpNpWQDJ\PpUWpNEHQQ|YHOKHW D] ¶értéke az i komponens nagy ciklushatásfokának megtartása mellett.
d) Az öss]NRQFHQWUiFLyQ|YHOpVpYHOHU VHQFV|NNHQQHNDV]HOHNWLYLWiVLWpQ\H] N + + Ca2
TK ),
Q|YHNV]HQHN D WHUPpN WLV]WDViJRN D FLNOXVKDWiVIRNRN pV MHOHQW V PpUWpNEHQ
növekszik a jó ciklushatásfokokkal feldolgozható relatív ionmennyiség is.
Ez egyben PXWDWMD D] LRQFVHUH L]RWHUPiN HO Q\|V YiOWR]iViW LV HJ\UH NHGYH] EE
szigmoid típusú izotermák jellemzik a rendszert, amelyek esetén az egyes
NRQFHQWUiFLyOpSFV NKDODGiVLVHEHVVpJHPiUQHPPRQRWRQIJJYpQ\HDIRO\DGpNIi]LV
összetételének, ezért az élesed iOODQGypVD]DUiQ\RVNRQFHQWUiFLySURILOQHPFVDND]
áramlási iránynak, hanem a folyadékfázis összetételének is függvénye.
e) $] LRQFVHUpO W|OWHW KRVV]iQDN Q|YHOpVpYHO D]RQRV UHODWtY LRQPHQQ\LVpJ PHOOHWW
(különösen 0,5 és 1,0 ekv/dm3 oldatkoncentrációnál) mind a két komponens ciklushatásfoka növekszik. Ezt a hatást csak 0,1 ekv/dm3 oldatkoncentrációnál nem
WXGWDP HJ\pUWHOP HQ NLPXWDWQL 6]LJPRLG WtSXV~ L]RWHUPiN HVHWpEHQ D
koncentrációprofil állandó alakú része független a megtett úttól még nem-egyensúlyi körülmények között is.
2. A szakaszos berendezés kiegészítésével félfolyamatos eljárást alakítottam ki.
Félciklusonként váltakozó elvétellel mindkét komponenst nagy tisztaságban, veszteségmentesen kaptam termékként. A terméktisztaságok elég kicsi (beadagolt és
termékként elvett) relatív ionmennyiségek ( ´ … 0,05) esetén elérik a szakaszos módszerrel megvalósítható 99,99 … 99,999 tömeg%-os terméktisztaságokat.
3. Az elméleti ciklus alapján megállapítottam, hogy a tranziens tartományban a legjobb szétválasztiV PHJKDWiUR]iViKR] V]NVpJHV IJJHWOHQ DODSDGDWRN D N|YHWNH] N D]
LRQFVHUH L]RWHUPiN DODNMD pV K PpUVpNOHWIJJpVH D] ROGDW NRQFHQWUiFLyMD D J\DQWD
NDSDFLWiVD D] LRQFVHUpO W|OWHW UHVWpUIRJDWL WpQ\H] MH pV D NH]GHWL LRQ|VV]HWpWHO
Nagytisztaságú anyaJRN HO iOOtWiVD V]HPSRQWMiEyO NHGYH] HN D QDJ\
K PpUVpNOHWpU]pNHQ\VpJ UHQGV]HUHN 7i
j,M/ Tij,H=2…4), viszonylag kis szelektivitási
WpQ\H] pUWpNHN Tij,M,Tij,H=1….5), kis oldatkoncentrációk, nagy gyantakapacitás, kis kezdeti ionösszetétel.
4. Módszert dolgoztam ki a kezdeti ionösszetétel hatásának értelmezésére, amely az elméleti
FLNOXVRNQDN PHJIHOHO HQ NHOHWNH] NRQFHQWUiFLyOpSFV N KDODGiVL VHEHVVpJpQHN D
kiszámításán alapul. Ennek ismeretében egyrészt meghatározható az a kezdeti ionösszetétel-tartomány, amelyben teljesül az azonos termékösszetételre vonatkozó feltétel az egyes tartályokra külön-külön és együttesen is. Másrészt magyarázatot ad arra, hogy
PLpUW WXGMD D] HOMiUiV D NLV NH]GHWL NRQFHQWUiFLyEDQ NLV |VV]HWpWHOOHO V]HUHSO
komponenst rendkívül jó (ciklus)hatásfokkal kivonni.
5. Egyensúlyi modellt dolgoztam ki a Camero-féle modell továbbfejlesztésével a szakaszos rendszer periodikusan állandósult állapotának meghatározásához. A modell egy inflexiós pontot mutató izotermákra is érvényes. Független alapaGDWRN HJ\pUWHOP HQ
meghatározzák azt a maximális ionmennyiséget, amelynél valamelyik vagy mind a két
NRPSRQHQVQDJ\WLV]WDViJEDQNLQ\HUKHW
a) $ SHULRGLNXVDQ iOODQGyVXOW iOODSRWUD NLV]iPROWDP NO|QE|] L]RWHUPDDODNRN
oldatkoncentrációk és kezdeti ionösszetételek mellett azt a maximális relatív
LRQPHQQ\LVpJHWDPHO\QpO YpJWHOHQ FLNOXVV]iPKR] PLQGNpW NRPSRQHQV PHJIHOHO
tartálybeli dimenziómentes ionekvivalens törtje 1,0 . Kimutattam, hogy a szigmoid
WtSXV~ L]RWHUPDDODNRN NHGYH] HQ EHIRO\iVROMiN D WHUKHOKHW VpJHW D
termelékenységet. A szigmoid típusú izotermaalakok a hideg áramoltatási részperiódusban „csak” 10-20 %-al , míg a meleg áramoltatási részperiódusban akár 300 %-DOLVQ|YHOKHWLNDWHUKHOKHW VpJHW
b) A kísérleti eredmények alapján az oszlopon jó ciklushatásfokkal (99,99 … 99,999 tömeg%-os terméktisztaságokkal) feldolgozható ionmennyiség (gyakorlati terhelés) a
modell szerint számított ionmennyiség 60-70 %-a, és gyakorlatilag független a
NH]GHWLLRQ|VV]HWpWHOW OpVD]ROGDWNRQFHQWUiFLyMiWyO
c) A végtelen ciklusszámra kiszámolt koncentrációprofilok és a 31. ciklusban kimért profilok átlagosan 20 %-on belül egyeznek. Különösen nagytisztaságú termékek
HO iOOtWiViW WHV]LN OHKHW Yp D] HJ\ LQIOH[LyV SRQWRW PXWDWy L]RWHUPiN PLYHO PLQGNpW
áramoltatási részperiyGXVEDQ D V]HQQ\H] NpQW pUWHOPH]KHW NRPSRQHQVUH Qp]YH DODNXO NL D] iOODQGy pOHVHG NRQFHQWUiFLySURILO (] D IURQWpOHVtWpV EL]RQ\RV
mértékig képes kompenzálni a nem-egyensúlyi ioncsere és a vezetéses mechanizmus koncentráció-JUDGLHQVW FV|NNHQW KDWiViW $ PRGHOO VHJtWVpJpYHO PHJWHUYH]KHW N D]RND]L]RWHUPDDODNRNLVDPHO\HNDOHJNHGYH] EEHUHGPpQ\HNHWEL]WRVtWMiN