Az eljárás jellemzése

Diffúziós dialízis

A galakturonsav szeparációját célzó kísérletek folyamán felmerülhet a gyanú, hogy elektromos potenciálkülönbség létesítése nélkül is kinyerhető a komponens a dialízis elvén, ezért összehasonlító kísérletsorozatot állítottam össze. A kísérletek során külső feszültség alkalmazása nélkül (0 V-on) és 4 V feszültség mellett hajtottam végre a méréseket, mindkét esetben a híguló oldat 5 m% Na-Gat modelloldat volt (elektróda oldat: 0,5 mol/l Na₂SO₄). Amennyiben nem létesítettem feszültséget a két elektróda között, abban az esetben is megindult az ionok transzportja az ionszelektív membránokon keresztül, ahogy azt a 4.1.10. ábra mutatja. Ebben az esetben diffúziós dialízisről beszélhetünk. A hajtóerőt ilyenkor a két oldal közti koncentrációkülönbség biztosítja. Míg elektrodialízis során az ionok a katód és anód irányába mozognak, addig a diffúziós dialízis során csak egy irányba, az alacsonyabb koncentrációjú hely felé. Az

57 ionok, töltések jelenléte miatt fellép a Donnan-egyensúly. Akkor ér véget a folyamat, ha a híguló és sűrűsödő oldatban a koncentráció kiegyenlítődik. Az ábrán látható, hogy 4 V-on a 360. percben a GS koncentráció elérte a 32 g/l koncentrációt, míg a 0 V-os mérés esetén ugyanennyi idő alatt mindössze 3 g GS/l koncentrációt mértem. A diffúziós dialízis tehát lassabb folyamat, mint az elektrodialízis. Ameddig a membrán két oldalán az ionkoncentráció ki nem egyenlítődik, ez az elektrodialízisnek is hajtóereje. Ha a koncentrátumban nagyobb lesz az ionkoncentráció, mint a diluátumban, az ionok diffúziója a diluátum oldat irányába indulna el, ezért ekkor a diffúzió rontja a folyamat hatékonyságát, növeli az energiaszükségletet és az ellenállást.

4.1.10. ábra: A koncentrátum oldatban mért galakturonsav koncentráció

A 4 V-os mérés során az ionokat mind a feszültséggradiens miatt fellépő migráció, mind a koncentrációgradiens miatt fellépő diffúzió szállítja, azonban a konvekció nem jellemző az ionszelektív membránokban. A migráció és diffúzió miatti galakturonsav fluxus változását az idő függvényében a 4.1.11. ábrán hasonlítottam össze.

58

4.1.11. ábra: A galakturonsav fluxusa migráció és diffúzió hatására az anionszelektív membránon

A 4 V-os mérés esetén a koncentrátumba átvándorolt galakturonsav teljes mennyiségének 65 %-áig növekszik a migráció miatti fluxus, majd azt követően csökken az egységnyi idő alatt átvándorolt galakturonsav mennyisége. Amennyiben nincs potenciálkülönbség a két elektróda között, a galakturonsav fluxusa alig változott a mérés folyamán, 10 g/(m²h) alatt maradt az 550 perc alatt.

A hőmérséklet hatása az elektrodialízisre

A korábbi ED kísérleteket végig szobahőmérsékleten végeztem, és az ipari gyakorlatban általában nem is termosztálják az ED berendezéseket. A mi labor készülékünk kialakítása azonban lehetővé teszi a termosztálást, így tanulmányozhattuk a hőfok hatását a rendszerre.

A hőmérséklet hatását 25 °C-on, 40 °C-on és 50 °C-on vizsgáltam a rendszerben. A híguló oldat termosztálható reakcióedényét temperáltam az adott hőmérsékletre. 4 V-os feszültséget alkalmaztam mindhárom esetben, 5 %-os koncentrációjú galakturonát (híguló) és 0,5 mol/l-es elektróda oldatokkal.

A legmagasabb hőmérsékleten értem el először a GS maximum koncentrációját a koncentrátumban (4.1.12. ábra), míg legkésőbb a 25 °C-on végzett mérésnél, ennek megfelelőek az áramerősség görbék (4.1.13. ábra) is. A hőmérséklet növekedés hatására az ionok Brown-féle mozgása megváltozik, élénkebb lesz, diffúziós koefficiensük nő, ami hatással van a membrán-oldat határrétegre, ahol intenzívebb lesz a keveredés, ezáltal csökken a határréteg ellenállása.

59

4.1.12. ábra: A galakturonsav koncentrációjának változása a koncentrátum oldatban különböző hőmérsékleteken

4.1.13. ábra: Az áramerősség alakulása az idő függvényében különböző hőmérsékleteken

A hőmérséklet növelése tehát elősegíti az elektrodialízist, azonban a membránok működése is függ a hőmérséklettől, 60 °C felett már károsodhat a membrán anyaga. A magasabb hőmérséklet növeli az energiaszükségletet és károsíthatja a terméket is (elszíneződés), ezért a gyakorlatban a 25 ºC-os működtetés javasolt.

60 Különböző koncentrációjú modell oldatok elektrodialízise

Különböző Na-Gat kiindulási koncentrációjú (0,5 m%; 1 m%; 3 m%; 5 m% és 7m%) modell oldatokkal 5 V-os feszültségen, 0,5 mol/l-es Na2SO4 elektróda oldattal szakaszos méréseket végeztem. A rendszer alkalmas volt a 0,5-7 tömegszázalékos Na-galakturonát oldat elektrodializálására. A leggyorsabb folyamat a 0,5 tömegszázalékos kiindulási oldat elektrodialízise volt (4.1.14. ábra), míg a legtovább a 7 tömegszázalékos oldat elválasztása tartott.

Az idő függvényében ábrázolt galakturonsav fluxusok az anionszelektív membránon keresztül a 4.1.15. ábrán láthatók. A 0,5 m %-os, az 1 m%-os, a 3 m%-os és az 5 m%-os híguló oldatok esetén a görbék lefutása hasonló, a koncentráció emelkedésével nőttek a fluxus értékek. 7 m%-os híguló oldat esetén azonban a fluxus maximuma (198,5 g/m²h) kisebb volt, mint 5 m%-os oldat esetén (206,6 g/m²h), de az átlagos fluxus így is a 7 m%-os oldat esetén volt a legmagasabb.

4.1.14. ábra: A galakturonsav koncentrációjának változása a koncentrátum oldatban

61

4.1.15. ábra: A galakturonsav fluxusa

A kinyerési hányad (4.1.16. ábra) mind az öt oldat esetén meghaladta a 90 %-ot. A legmagasabb kinyerési hányadokat a 3 és 5 tömegszázalékos oldatnál mértem, míg a 0,5 m %-os és 7 m%-os oldatok esetén ez az érték 6 %-kal kisebb volt. Alacsonyabb koncentráció esetén valószínűleg a membránban kötésben maradt galakturonát ionok miatt mérhető kisebb kinyerési hányad, míg magas koncentrációnál az elektromos erőtér hatása ellenére megindulhat a galakturonát ionok visszaáramlása a diluátum oldatba.

4.1.16. ábra: Különböző kiindulási koncentrációjú Na-galakturonát oldatok kinyerési hányada

A modul ellenállását az eltérő koncentrációjú diluátum oldatok esetén a 4.1.17. ábra mutatja. A görbék két szakaszra bonthatók: a folyamat kezdetén enyhe csökkenést mértem. A kezdeti nagyobb ellenállást a koncentrátum oldat ellenállása okozta, mert a

62 kiindulási oldat desztillált víz volt. 0,5 m%-os Na-galakturonát oldatnál a 8,5 percig tartott ez a szakasz, míg a legmagasabb koncentrációjú oldatnál a 35. percig. Magasabb koncentrációjú oldat esetén az elektrodialízis alatt kisebb ellenállás volt jellemző, jobban ellaposodik a görbe, mert a rendszerben lévő több szabad ion növeli a katód és anód között mérhető áramerősséget.

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 100 200 300 400 500

idő (min)

ellenállás (Ohm)

0,5 m%-os híguló oldat 1 m%-os híguló oldat 3 m%-os híguló oldat 5 m%-os híguló oldat 7 m%-os híguló oldat

4.1.17. ábra: A modulon mért ellenállás az idő függvényében

A kinyeréshez szükséges energiafelhasználás értékeit összegzi a 4.1.18. ábra. Az értékek alakulásából megállapíthatjuk, hogy erőteljes növekedés tapasztalható a nagyobb koncentrációjú oldatoknál.

63

4.1.18. ábra: A különböző koncentrációjú modell oldatok elektrodialíziséhez szükséges energiafelhasználási értékek