Nagytisztaságú anyagok előállítása paraméteres szivattyúzással

DOKTORI ( PhD ) ÉRTEKEZÉS

1DJ\WLV]WDViJ~DQ\DJRNHO iOOtWiVDSDUDPpWHUHV

szivattyúzással

dr. Hanák László

Konzulensek:

Dr. Szolcsányi Pál Dr. Szánya Tibor

Veszprémi Egyetem

Vegyészmérnöki Tudományok Doktori Iskolája

Veszprémi Egyetem

9HJ\LSDUL0 YHOHWL7DQV]pN

Veszprém, 2005.

Értekezés doktori (PhD) fokozat elnyerése érdekében a Veszprémi Egyetem Vegyészmérnöki Tudományok

Doktori Iskolájához tartozóan Írta:

dr.Hanák László

A jelölt a doktori szigorlaton …... % -ot ért el,

Az értekezést bírálóként elfogadásra javaslom:

Bíráló neve: …... …... igen /nem

……….

(aláírás) Bíráló neve: …... …...) igen /nem

……….

(aláírás) Bíráló neve: …... …...) igen /nem

……….

(aláírás) A jelölt az értekezés nyilvános vitáján …...% - ot ért el

Veszprém,

……….

a Bíráló Bizottság elnöke

$GRNWRUL3K'RNOHYpOPLQ VtWpVH«

………

Az EDT elnöke

TARTALOMJEGYZÉK

Kivonatok ... 5

1. Bevezetés ... 7

2. Szakirodalmi összefoglaló... 9

6]LOiUGLRQFVHUpO WDGV]RUEHQVWDONDOPD]yP YHOHWHNFVRSRUWRVtWiVD... 9

2.2. Paraméteres szivattyúzás ... 11

$WHUPLNXVSDUDPpWHUHVV]LYDWW\~]iVLP YHOHWHNIDMWiL... 12

2.3. A szakaszos, termikus ioncserés paraméteres szivattyúzás matematikai modellje 17 2.3.1. Egyensúlyi modellek... 18

2.3.2. Nem egyensúlyi modellek... 25

3. Kísérleti rész... 28

3.1. Az alkalmazott analitikai módszerek ... 28

$]LRQFVHUpO J\DQWDHO NpV]tWpVHMHOOHP]pVH... 29

3.3. Egyensúlyi mérések... 31

3.4. A kísérleti berendezés leírása ... 36

3.5. Ca²⁺–K⁺ ionok elválasztása szakaszos módszerrel ... 40

3.6. A szakaszos kísérletek eredményei ... 42

3.7. Ca²⁺–K⁺ ionok elválasztása félfolyamatos módszerrel ... 49

4. Elméleti rész ... 53

4.1. Az elméleti ciklus fogalma ... 53

4.2. A tartálybeli koncentrációk meghatározása az elméleti ciklusszám függvényében ... 55

4.3. A számítások eredményei ... 58

4.3.1. Paraméter érzékenység vizsgálatok ... 58

4.3.2. A számítási és kísérleti eredmények összehasonlítása, értékelése ... 66

4.4. A tranziens tartomány jellemzése ... 73

4.5. A kvázi-stacionárius állapot jellemzése ... 82

5. Összefoglalás ... 93

6. Jelölések jegyzéke... 99

7. Irodalomjegyzék ... 101

8. Tézispontok ... 106

KIVONATOK

1DJ\WLV]WDViJ~DQ\DJRNHO iOOtWiVDSDUDméteres szivattyúzással

$ V]HU] D WHUPLNXV LRQFVHUpV SDUDPpWHUHV V]LYDWW\~]iVL P YHOHWHN NtVpUOHWL pV HOPpOHWL

vizsgálatával foglalkozik. Szisztematikus, alkáli- és alkáliföldfém kationokkal végzett kísérletsorozatokból összeállított adatbázisra alapozva bemutatja, hogy- különösen nagytisztaságú anyagok (99,99-99,999 m/m%-RV WLV]WDViJ~ WHUPpNHN HO iOOtWiVD HVHWpQ- a

NRPSRQHQVV]pWYiODV]WiVW W|EE P YHOHWL MHOOHP] HJ\WWHVHQ EHIRO\iVROMD $ NtVpUOHWL

eredmények alapján, mind a szakaszos mind a félfolyamatoV HOMiUiVEDQ D] HJ\HV P YHOHWL SDUDPpWHUHNV]HUHSHpVHJ\PiVVDOYDOyN|OFV|QKDWiVXNUpV]EHQIHOGHUtWKHW

$ V]HU] D V]DNLURGDORPEDQ PHJMHOHQW QHPOLQHiULV UHQGV]HUHNUH pUYpQ\HV HJ\HQV~O\L

matematikai modellt továbbfejlesztette és alkalmazhatóvá tette teWV] OHJHV DODN~ HOV VRUEDQ

szigmoid típusú, kísérleti izotermákra is. A modell segítségével:

ƒ % YtWHWWH D SDUDPpWHUHV V]LYDWW\~]iV elméletét az elméleti ciklus (homogén termékösszetétel) és a ciklushatásfok (elméleti/kísérleti ciklusszám) bevezetésével.

ƒ Módszert dolgozott ki a kezdeti ionösszetételre vonatkozó eredmények értelmezésére.

ƒ .LPXWDWWD D] L]RWHUPD DODNRN PHJKDWiUR]y V]HUHSpW D WHUKHOKHW VpJUH pV D NRQFHQWUiFLySURILORNUD .O|Q|VHQ NHGYH] HQ EHIRO\iVROMiN D] LQIOH[LyV SRQWWDO UHQGHONH] L]RWHUPiNDWHUKHOKHW VpJHWpVDWHUPpNWLV]WDViJRW

ƒ -yN|]HOtWpVVHOEHFVOKHW NNtVpUOHWLOHJQHPYL]VJiOWHOYiODV]WiVRNHO UHNLV]iPtWKDWy D]HJ\HVP YHOHWLMHOOHP] NV]HUHSHDIJJHWOHQNtVpUOHWLDODSDGDWRNEyO

ABSTRACT

Production of high purity materials by parametric pumping

Thermal ion-exchange parametric pumping was experimentally and theoretically investigated.

Experiments have been done with Ca²⁺ - K⁺ cations in the presence of Cl^- anion. The effects of more important operational variables (flow rate, volume flow through in half-cycle, initial composition, total concentration of solution, length of the ion-exchanger column) on the separation of the components were studied especially in the production of high purity materials.

An equilibrium (nonlinear, sigmoid-type) model was developed and the influence of operational variables and the shape of the isotherms on the separation was analysed.

AUSZUG

Produktion der Materialien des hohen Reinheitsgrades durch das parametrische Pumpenverfahren

Das thermische ionaustausche parametrische Pumpenverfahren wurde experimentell und theoretisch nachgeforscht. Experimente sind mit Ca²⁺ - K⁺ Kationen in Anwesenheit des Cl^- Anions erfolgt worden. Die Effekte der wichtigeren funktionsfähigen Variablen (Strömungsgeschwindigkeit, Volumen fließen im Hälfte-Zyklus, anfänglicher Gestaltung, gesamter Konzentration der Lösung, Länge von der Ionenaustauscherkolonne) auf der Trennung von den Komponenten wurden besonders in der Produktion die Materialien von hoher Reinheit studiert.

Ein Gleichgewichtsmodell (nicht linear, sigmoid) wurde entwickelt und der Einfluss betrieblicher Variablen und der Form von den Isothermen auf der Trennung wurde analysiert.

1. BEVEZETÉS

$ NRPSRQHQVV]pWYiODV]WiVL P YHOHWHN WHUOHWpQ D OHJXWyEEL pYWL]HGHNEHQ ~M WtSXV~

HQHUJLDWDNDUpNRV pV N|UQ\H]HWNtPpO FLNOLNXV SDUDPpWHUYiOWR]WDWiVRQ DODSXOy HOMiUiVRN

jelentek meg. Ezen új típusú eljárások legújabb csoportját alkotják a paraméteres szivaWW\~]iVQDN QHYH]HWW P YHOHWHN DPHO\HN NE NpW pYWL]HGGHO H]HO WW YLOiJV]HUWH D]

pUGHNO GpVHO WHUpEHNHUOWHN

$ SDUDPpWHUHV V]LYDWW\~]iV NO|Q|VHQ D] DGV]RUSFLyV pV LRQFVHUpV P YHOHWHN HVHWpQ DONDOPD]KDWy LJHQ HO Q\|VHQ $] HOMiUiV QHP KDV]QiO VHP HOXHQVt, sem reagenst, amely

KtJtWDQi D] LJHQ NHGYH] NLKR]DWDOODO HO iOOtWKDWy WHUPpNHNHW 1DJ\UpV]W PpJ D NXWDWiV Ii]LViEDQ OHY PyGV]HUHNNHO ILJ\HOHPUHPpOWy HUHGPpQ\HNHW pUWHN HO D QHKH]HQ

szétválasztható elegyek (izotópok, izomerek), érzékeny, biológiai eredHW HQ]LPHN

vitaminok, hormonok, proteinek, stb.) komponensek és a nagytisztaságú anyagok( fémionok, aminosavak, stb.) területén.

$ IHQWL NRPSRQHQVV]pWYiODV]WiVL P YHOHW NtVpUOHWL pV HOPpOHWL WDQXOPiQ\R]iVD YROW PXQNiP I FpOMD /DERUDWyULXPL N|UOPpQ\HN N|]|WW DXWRPDWLNXV YH]pUO EHUHQGH]pVVHO HOOiWRWW

készülékeken tanulmányoztam a termikus ioncserés paraméteres szivattyúzási eljárást,

FpOV]HU HQ PHJYiODV]WRWW PRGHOODQ\DJRN IHOKDV]QiOiViYDO 5pV]OHWHVHQ YL]VJiOWDP HOpJJp

széles intervallumban, azoknak D P YHOHWL SDUDPpWHUHNQHNMHOOHP] NQHN D KDWiViW DPHO\HN DODSYHW HQ PHJKDWiUR]]iN D QDJ\WLV]WDViJ~ DQ\DJRN HO iOOtWiViW PLYHO D SDUDPpWHUHV

szivattyúzással igen nagy szeparációt lehet megvalósítani.

Ennek keretében létre kellett hoznom a termikus ioncseUpUHHJ\NHOO HQV]pOHVN|U pVD]RQRV N|UOPpQ\HN N|]|WW PHJKDWiUR]RWW NtVpUOHWL DGDWEi]LVW DPHO\ DODSMiQ D] HJ\HV P YHOHWL SDUDPpWHUHNV]HUHSHpVHJ\PiVVDOYDOyN|OFV|QKDWiVXNIHOGHUtWKHW

$ SDUDPpWHUHV V]LYDWW\~]iV HOPpOHWpW LOOHW HQ D P YHOHW HJ\HQV~lyi modelljei mellett

G|QW|WWHP PLYHO D V]HSDUiFLy LJD]L KDMWyHUHMH D] HJ\HQV~O\L YLV]RQ\RNEDQ NHUHVHQG $]

HJ\HQV~O\L PRGHOOHN KDV]QiODWiYDO YLV]RQ\ODJ HJ\V]HU DQDOLWLNXV PHJROGiVRNKR] MXWRWWDP

amelyek igen nagy segítséget nyújtanak a viszonylag újtíSXV~ pV HOpJJp ERQ\ROXOWQDN W Q

LRQFVHUpV V]HSDUiFLyV P YHOHW ÄOHONLYLOiJiQDN´ PHJpUWpVpKH] pV HJ\ My PLQ VpJL NpSHW

PXWDWQDN PDJiUyO D P YHOHWU O (]HQ W~OPHQ HQ D PRGHOOHN VHJtWVpJpYHO QDJ\VHEHVVpJ

számítógép nélkül is, jól használható, kvantitatív becsléseket tehetünk, megállapíthatjuk

QpKiQ\ D V]HSDUiFLy V]HPSRQWMiEyO DODSYHW P YHOHWL MHOOHP] QHN D NRPSRQHQV- szétválasztásra gyakorolt hatását. Ilyen módon, természetesen az egyensúlyi modellek feltételrendszerét figyelembe véve, adott feladatra miU PHJWHUYH]KHW D P YHOHW pV H]XWiQ

következhetnek a részletesebb modellek.

2. SZAKIRODALMI ÖSSZEFOGLALÓ

2.1. 6]LOiUGLRQFVHUpO WDGV]RUEHQVWDONDOPD]yP YHOHWHNFVRSRUWRVtWiVD

A szilárd-IOXLGIi]LVpULQWNH]WHWpVHQDODSXOyNRPSRQHQVV]pWYiODV]WiVLP Yeletekkel foglalkozó

NXWDWiV UpV]DUiQ\D D] XWyEEL LG EHQ OpQ\HJHVHQ PHJQ|YHNHGHWW $] iOWDOiQRV WHFKQLNDL

fejlettség –HOV VRUEDQ~MVSHFLILNXVDGV]RUEHQVHNLRQFVHUpO DQ\DJRNDPRGHUQHOHNWURQLND

(vezérlés-, szabályozástechnika, számítástechnika) – új HOMiUiVRNNLDODNtWiViQDNDOHKHW VpJpW

teremtette meg új elvek felhasználásával.

A továbbiakban a nyugvóréteges, adszorpció-LRQFVHUpVP YHOHWHNNHOIRJODONR]RP

A nyugvóréteges, adszorpciós-LRQFVHUpV P YHOHWHN GLIIHUHQFLiOLV Ii]LVpULQWNH]WHWpV HN

üzemvitel szerint szakaszosak, félfolyamatosak és folyamatosak lehetnek a szétválasztandó

HOHJ\EHWiSOiOiVDpVDWHUPpNHNHOYpWHOHV]HPSRQWMiEyO$IHQWLP YHOHWHNHWYDJ\~J\KDMWMXN YpJUH KRJ\ D IOXLGXPRW iWiUDPROWDWMXN D V]HPFVpV iJ\RQ Q\LWRWW WHU ]HPPyG YDgy (kizárólag gázelegyek szétválasztásánál) a berendezés valamelyik végét mindig zárva tartjuk

]iUWWHU ]HPPyG

A nyugvóréteges adszorpciós-LRQFVHUpV P YHOHWHN V]NVpJV]HU HQ FLNOLNXV P YHOHWHN D ÄWHOtW G|WW´ DGV]RUEHQVW LRQFVHUpO W UHJHQHUiOQL NHOO $ KDJ\RPiQ\RV P YHOHWHNQpO D

regenerálás három típusa már régóta ismert:

− DWHUPLNXVK PpUVpNOHWYiOWR]WDWiVRV

− a dekompressziós (nyomásváltoztatásos),

− a kémiai (koncentrációváltoztatásos).

Hagyományosan a teljes töltetet egyszerre regenerálják és ehhez hatásosa valamilyen

VHJpGDQ\DJRWYLY N|]HJHWUHJHQHUiOyV]HUWLVIHOKDV]QiOQDN

$] ~M WtSXV~ HOMiUiVRNQiO QHP D WHOtW G|WW RV]ORS OHWLV]WtWiViW MHOHQWL D UHJHQHUiOiV KDQHP D P YHOHW VRUiQ FpOKR] PpUWHQ YiOWR]WDWMiN PHJ D NRPSRQHQVHN HJ\HQV~O\L PHJRV]OiViW,

WXODMGRQNpSSHQ FVDN UpV]OHJHV UHJHQHUiOiV MiWV]yGLN OH $ SHULRGLNXV P YHOHW VRUiQ D]

RV]ORSV]HU P YHOHWL HJ\VpJEHQ D NRPSRQHQVHN ÄIURQWMDL´ HO UH-hátra mozognak, illetve

FLNOLNXVDQFVHUpO GQHN>@

Az alkalmazott paraméterek intenzív termodinamikai áOODSRWMHO] N K PpUVpNOHW Q\RPiV NpPLDL SRWHQFLiO HOHNWURNpPLDL SRWHQFLiO $ SDUDPpWHUYiOWR]WDWiV DPHO\ D P YHOHWL HJ\VpJ

be- pV NLPHQHWL IHOOHWpQ LOOHWYH D SDOiVWMiQ W|UWpQKHW OHKHW OpSFV V-, impulzus-, háromszöghullám, négyszöghullám-, harmonikus függvény szerinti, stb.

$IRNR]DWRVUHJHQHUiOiVPLDWWQHPV]NVpJHVV]pOV VpJHV]HPLSDUDPpWHUHNDONDOPD]iVDH]

HJ\UpV]W HQHUJHWLNDLODJ HO Q\|V >@ PiVUpV]W NtPpOHWHV N|UOPpQ\HN N|]|WW W|UWpQKHW D V]pWYiODV]WiVtJ\H]HNDP YHOHWHNLJHQHO Q\|VHQDONDlmazhatók nagy-molekulájú, érzékeny szerves anyagok szétválasztására is. A szétválasztás során nem alkalmaznak „segédanyagot”, amely hígítja és szennyezheti a szétválasztandó komponenseket, ill. a termékeket és további szétválasztási gondokat okozhat [3, 4].

$] ~M WtSXV~ FLNOLNXV NRPSRQHQVV]pWYiODV]WiVL P YHOHWHN DODSJRQGRODWD :LOKHOPW O >@

V]iUPD]LN $] HUHGHWL HOMiUiV N|]OpVH yWD VRNDW IHMO G|WW NO|QE|] P YHOHWFVRSRUWRN

alakultak ki:

− 1\RPiVYiOWyHOMiUiVRNPHO\HNHW]iUWWHU Ji]NURPDWRJUiILiQDNLVWHNLQWhetünk [6], és ma már részben ipari alkalmazást nyertek [7, 8, 9].

− &LNOLNXV ]yQiV DGV]RUSFLyV HOMiUiVRN DPHO\HN Q\LWRWW WHU ]HPPyGEDQ Ji]- és folyadékelegyek szétválasztására alkalmasak. A módszert Pigford és munkatársai [10]

SXEOLNiOWiN HOV NpQW $ V]étválasztandó elegy folyamatosan áramlik a töltetet tartalmazó,

FV V]HU P YHOHWL HJ\VpJHQ NHUHV]WO $ P YHOHW VRUiQ UHQGV]HULQWD]HOHJ\ SDUDPpWHUHLW

változtatják az oszlop bemenetén [11, 12, 13], vagy az oszlop palástján hoznak létre paraméterváltoztatáVW>@0LQGNpWPHJROGiVEDQDP YHOHWLHJ\VpJNLPHQHWpQDIOXLGXP

összetétele periodikusan változik. Recirkulációval az elválasztás „élessége” és így a

WHUPpNWLV]WDViJRNLVQDJ\PpUWpNEHQQ|YHOKHW N>@

− Paraméteres szivattyúzási eljárások, melyek a nyitRWW WHU Q\XJYyUpWHJHV DGV]RUSFLyV LRQFVHUpV P YHOHWHN VSHFLiOLV YiOWR]DWDL .O|QE|] QDJ\UpV]W PpJ D NXWDWiV Ii]LViEDQ OHY PyGV]HUHLDODNXOWDNNLDPHO\HNNHODNRUiEEDQFVDNLJHQQDJ\HQHUJLDEHIHNWHWpVVHO V]pWYiODV]WKDWy HOHJ\HNHW OHKHW NHGYH] NLKRzatallal és igen magas terméktisztasággal

IHOGROJR]QL (O Q\|VHQ DONDOPD]KDWyN LJHQ NLV NRQFHQWUiFLyEDQ MHOHQ OHY NRPSRQHQVHN

kivonására, koncentrálására környezetvédelmi és bioszeparációs területeken is [16, 17, 18, 19].

2.2. Paraméteres szivattyúzás

$ SDUDPpWHUHV V]LYDWW\~]iVL P YHOHW OpQ\HJH D] KRJ\ D V]pWYiODV]WDQGy NRPSRQHQVHNHW WDUWDOPD]y IOXLGXPRW V]LOiUG LRQFVHUpO YDJ\ DGV]RUEHQV W|OWHWHQ SHULRGLNXVDQ YiOWDNR]y LUiQ\EDQ iWV]LYDWW\~]]iN EL]RQ\RV SDUDPpWHUHNQHN D P YHOHWL HJ\VpJ SHUHPHLQ W|UWpQ

megváltoztatása mellett. Az alkalmazható paraméterek olyan intenzív termodinamikai

iOODSRWMHO] N DPHO\HNQHN SHULRGLNXV YiOWR]WDWiViYDO pU]pNHQ\HQ YiOWR]LN D NRPSRQHQVHN

egyensúlyi megoszlása. A szivattyúzást és a paraméterváltoztatást ciklikusan ismételve a

FV V]HU P YHOHWL HJ\VpJEHQ HJ\UH pOHVHEE NRQFHQWUiFLySURILO DODNXO NL D] RV]ORSYpJHNKH]

csatlakozó tartályokban pedig egyre jobban elkülönülnek a komponensek.

A paraméteres szivattyúzás egy ciklusa négy részperiódusból áll:

1. paraméterváltoztatás,

V]LYDWW\~]iVD]HOV WDUWiO\EyODPiVRGLNED

3. paraméterváltoztatás,

V]LYDWW\~]iVDPiVRGLNWDUWiO\EyOD]HOV EH

A paramétereket tekintve jelenleg igen intenzíven kutatott terület a pH [20, 21, 22] és a

WHUPLNXV K PpUVpNOHWYiOWy SDUDPpWHUHVszivattyúzás. Shaffer [23] és Chen [24] enzimek, vitaminok, proteinek szétválasztását, tisztítását vizsgálták. A szétválasztandó komponenseket tartalmazó oldat pH-MiW D NpV]OpNEH YDOy EHOpSpV HO WW iOOtWMiN EH DGRWW S+-jú pufferoldatot tartalmazó dializáló cellákban. Szilárd fázisként általában nagy porozitású, speciális

LRQFVHUpO JpOHNHWDONDOPD]QDN>@

$ WHUPLNXV SDUDPpWHUHV V]LYDWW\~]iVL P YHOHWHNQHN V]iPRV HO Q\|V WXODMGRQViJD YDQ V]pWYiODV]WiVKR] V]NVpJHV HQHUJLiWDODFVRQ\K IRN~K N|]OpVVHOEiztosítják (általában a 280-

.K PpUVpNOHWWDUWRPiQ\EDQP N|GQHNDK HEEHQDWDUWRPiQ\EDQN|QQ\HQN|]|OKHW

illetve elvonható, nem szükséges segédanyag, a szilárd-fluid egyensúlyi viszonyok

K PpUVpNOHWIJJpVH SHGLJ V]pOHVN|U DONDOPD]iVL OHKHW VpJHW biztosít [26], nem használnak eluenst, regenerálószert, a termékek nem hígulnak, nagyfokú szeparációt lehet elérni.

$WHUPLNXVSDUDPpWHUHVV]LYDWW\~]iVLP YHOHWHNIDMWiL

A K N|]OpVPyGMDV]HULQWkét típust különböztetünk meg; a folyamatos és a FLNOLNXVK N|]OpVW

[27].

)RO\DPDWRVK N|]OpV

(EEHQ D] HVHWEHQ HOV GOHJHVHQ FVDN D IOXLG Ii]LV K PpUVpNOHWpW YiOWR]WDWMiN PHJ (J\LN OHKHW VpJNpQWD]RV]ORSNpWYpJpQHVHWOHJN|]EHQV KHO\HLQLVK FVHUpO NHWKHO\H]QHNHO>@

$ IRO\DPDWRV K N|]OpV PiVLNváltozata szerint a szétválasztandó komponenseket tartalmazó

KLGHJpVPHOHJWiUROyWDUWiO\RNDWDGRWWK PpUVpNOHWHQWDUWMiN>@

(]HNHW D SDUDPpWHUHV V]LYDWW\~]iVL P YHOHWHNHW N|]YHWHWW K N|]OpV PyGV]HUHNQHN LV QHYH]LN PLYHO D V]LOiUG LRQFVHUpO W DGV]RUEenst tartalmazó ágy melegítése-K WpVH IOXLGXP

közvetítésével történik.

&LNOLNXVK N|]OpV

$ UpV]SHULyGXVRNEDQ D] RV]ORS K PpUVpNOHWpW DGRWW pUWpNUH iOOtWMiN EH D NpV]OpN SDOiVWMD PHQWpQNLDODNtWRWWK W -I W N|SHQ\VHJtWVpJpYHO$]RV]ORSK PpUVpNOHWpWDNkor változtatják meg, amikor a fluidum áramlási iránya megváltozik. A termikus módszernél ez a

OHJJ\DNUDEEDQ DONDOPD]RWW PHJROGiV DPHO\HW N|]YHWOHQ K N|]OpV PyGV]HUQHN LV QHYH]QHN

[29].

&pOV]HU KD D] RV]ORS K PpUVpNOHWpQHN PHJYiOWR]WDWiVDNRU D V]pWYiODsztandó elegyet nem áramoltatjuk mindaddig, amíg az oszlopban az új termikus- és komponens egyensúly ki nem

DODNXO WRYiEEi KD D] RV]ORSED EHOpS V]pWYiODV]WDQGy IRO\DGpNHOHJ\ K PpUVpNOHWH PHJHJ\H]LN D] RV]ORS K PpUVpNOHWpYHO (EEHQ D] HVHWEHQ D V]pWYiODVztandó folyadékelegy izoterm körülmények között áramlik, a termikus tranziensek nem befolyásolják (rontják) a szétválasztást [27].

$ OHJW|EE N|]YHWOHQ K N|]OpV PyGV]HU D]RQEDQ VHP iUDPROWDWiV QpONOL WHUPRV]WiOiVL LG W

nem alkalmaz, sem a szétválasztandó folyadékelegyet nem termosztálja az oszloppal azonos

K PpUVpNOHWUH (]HN KDWiViW My N|]HOtWpVVHO HOKDQ\DJROKDWyQDN WDUWMiN >@ NO|Q|VHQ QDJ\

átáramoltatott folyadék térfogat/ oszlop térfogat arány esetén.

$ YL]VJiODWRNDW ODERUDWyULXPL PpUHW NLV iWPpU M 'l=1-3 cm) oszlopokat tartalmazó berendezésekkel végezték.

1DJ\REEiWPpU M RV]ORSRNHVHWpQHO Q\|VD]~QNRPELQiOWK N|]OpVN|]YHWOHQpVN|]YHWHWW K N|]OpVHJ\LGHM DONDOPD]iVD>@

A méretnövelés és az energia felhasználás kérdéseivel foglalkozik Stokes és Chen [32]. Az

RV]ORS iWPpU MpQHN N|]YHWOHQ Q|YHOpVH KHO\HWW FV N|WHJHV K FVHUpO WtSXV~

oszlopkonstrukciót javasolnak. Toluol-heptán-szilikagél rendszer vizsgálatával kimutatták,

KRJ\ D P YHOHW HQHUJLDLJpQ\H D GHV]WLOOiFLy HQHUJLD IHOKDV]QiOiVival azonos nagyságrendbe esik.

Az üzemvitel szerint az alapján csoportosíthatunk, hogy a készülékbe ciklikusan vezetünk-e be friss szétválasztandó elegyet, veszünk-e el termékeket, illetve a betáplálás és/vagy a termékek elvétele folyamatosan történik-e.

Szakaszos módszer.

$ P YHOHW VRUiQ D NpV]OpNEH QHP DGDJROXQN IULVV V]pWYiODV]WDQGy HOHJ\HW D WHUPpNHNHW D P YHOHW YpJpQ YHVV]N HO D WDUWiO\RNEyO $ P YHOHW PHJNH]GpVH HO WW D V]LOiUG LRQFVHUpO W DGV]RUEHQVW WDUWDOPD]y RV]ORSRW PHJKDWiUR]RWW K PpUVpNOHWHQ HJ\HQV~O\ED KR]]uk a

V]pWYiODV]WDQGy IRO\DGpN HOHJJ\HO pV XJ\DQLO\HQ |VV]HWpWHO IRO\DGpNRW W|OWQN D NpV]OpN

HJ\LN WDUWiO\iED LV )RO\DPDWRV K N|]OpV HVHWpQ EHiOOtWMXN D YiODV]WRWW K PpUVpNOHWpUWpNHNHW

és a folyadékot átszivattyúzzuk az oszlopon a készülék másik tartályába, majd

YLVV]DiUDPROWDWMXN D] RV]ORSRQ HOOHQWpWHV LUiQ\EDQ D] HOV WDUWiO\ED $ P YHOHW H]XWiQ FLNOLNXVDQLVPpWO GLN>@$FLNOLNXVN|]YHWOHQK N|]OpV UHQGV]HUHND]RV]ORSK PpUVpNOHWpW

is megváltoztatják az áramlás irányának megváltoztatásakor.

A s]pWYiODV]WiVPpUWpNHW|EEWpQ\H] IJJYpQ\H

− DV]LOiUGpVDIOXLGIi]LVMHOOHP] L

− D]DONDOPD]RWWK PpUVpNOHW-különbség,

− a félciklusonként átáramoltatott térfogat,

− az átáramoltatás sebessége,

− D]DGV]RUEHQVLRQFVHUpO RV]ORSJHRPHWULiMD

A szétválasztás jellemzésére a ciklusszám függvényében meghatározott tartály koncentrációkat (tartálytranziens görbék), ill. a szeparációs faktort használják, amely az adott komponens két tartálybeli koncentrációjának hányadosa.

Wilhelm és Sweed [33] toluol és n-heptán elválasztását vizsgálták szilikagél adszorbensen,

N|]YHWOHQ K N|]OpV PyGV]HUUHO .pW K PpUVpNOHWpUWpN N|]|WW GROJR]WDN « . pV

288…343 K. Az eredmények azt mutatják, hogy a szétválasztás akkor jobb, ha a hideg

IpOFLNOXVpVDPHOHJIpOFLNOXVN|]|WWLK Pprsékletkülönbség nagyobb. Igen érzékenyen függ a

V]pWYiODV]WiVD]iWiUDPROWDWiVVHEHVVpJpW OLV.tVpUOHWHLNVRUiQNLViWiUDPROWDWiVVHEHVVpJJHO

50 ciklus után 10⁵QDJ\ViJUHQG V]HSDUiFLyVIDNWRUWpUWHNHODWROXROUD

Nasseri és munkatársai [30] részletesen vizsgálták a toluol-n-heptán elegy szétválasztását

NO|QE|] P YHOHWL MHOOHP] N IJJYpQ\pEHQ $ NtVpUOHWL HUHGPpQ\HLN UpV]EHQ MyO HJ\H]QHN

Wilhelm és Sweed [33] eredményeivel, részben pedig kiegészítik azokat. Megállapították, hogy a szétválasztás jelent V PpUWpNEHQ Q|YHNV]LN D] RV]ORS KRVV]iQDN Q|YHOpVpYHO pV D

félciklusonként átáramoltatott oldat térfogatának csökkentésével.

A szakaszos, termikus, ioncserés paraméteres szivattyúzás megvalósítása Butts, Sweed és

&DPHUR>@QHYpKH]I ] GLNDNLN.+

-H⁺ kpWNRPSRQHQV pV.+

-Na⁺-H⁺ három-NRPSRQHQV

kationrendszer elválasztását tanulmányozták Cl^– DQLRQ MHOHQOpWpEHQ N|]YHWOHQ K N|]OpV

módszerrel. A kísérleteiket során 60× FP PpUHW GXSOLNiOW NLYLWHO RV]ORSRW KDV]QiOWDN

amelyet Dowex 50×HU VHQ VDYDV NDWLRQFVHUpO J\DQWiYDO Gsz = 0,3 mm) töltöttek meg. Az

DODFVRQ\DEEK PpUVpNOHWHW.DPDJDVDEEK PpUVpNOHWHW.pUWpN UHYiODV]WRWWiN$

kationok kezdeti folyadékfázisbeli összkoncentrációja 0,1 gekv/dm³, míg az oldatok

|VV]HWpWHOHN|]HOtW OHJHNYLmoláris, a félciklusonként átáramoltatott térfogat és az oszlop üres térfogatának hányadosa (γ) 1,62 volt mindkét ionrendszerrel végzett kísérlet esetén. A felfelé átáramoltatást a meleg, a lefelé áramoltatást a hideg félciklusban végezték.

A K⁺-H⁺ ionrendszer esetén a K⁺V]HOHNWLYLWiVDDK PpUVpNOHWHPHOpVpYHOFV|NNHQtJ\D.+ a

IHOV D++

pedig az alsó tartályban dúsult. Méréseik során a K⁺ szeparációs faktora 25000, a H⁺ szeparációs faktora 23000 értéket is elért 140 ciklus után.

A K⁺-Na⁺-H⁺ ionrendszer esetén a K⁺-Na⁺ és a Na⁺-H⁺ biner rendszerekre vonatkozó szelektivitási adatok alapján a K⁺>Na⁺>H⁺ szelektivitási sorrendet állították fel. Az ionok a

V]HOHNWLYLWiVXNQDNPHJIHOHO VRUUHQGEHQKHO\H]NHGWHNHODNpV]OpNEHQD.+

DIHOV D++

az alsó tartályban, míg a Na+ mindkét tartályból az oszlopba áramlott. A K⁺ szeparációs faktora 52000, a H⁺ szeparációs faktora 97000 volt 140 ciklus után.

Grevillot és munkatársai (35) Cu²⁺ és Ag⁺ elválasztását tanulmányozták NO3-

anion

MHOHQOpWpEHQ'XROLWH&HU VHQVDYDVPDNURSyUXVRV LRQFVHUpO P J\DQWiQ$ PpUpVHNKH]

0,5 gekv/dm³ |VV]NRQFHQWUiFLyM~ HNYLPROiULV NH]GHWL |VV]HWpWHO ROGDWRW KDV]QiOWDN $

kísérletek során változtatták a félciklusonként átáramoltatott térfogatot. Az Ag⁺ szeparációs faktora igen érzékenyen változott a γ értékével. A γ növelésével kezdetben növekszik a

szétválasztás, majd rohamosan csökken. A legjobb eredményt γ=2,1 értéknél kapták, az Ag szeparációs faktora 500 volt 91 ciklus után.

A Butts [34] által tanulmányozott K⁺-H⁺ NpWNRPSRQHQV UHQGV]HUEHQ DPikor a félciklusonként átáramoltatott oldattérfogatot kisebbnek választották, mint az oszlop üres térfogata (γ<1) érdekes eredményt kaptak. Azt tapasztalták, hogy a ciklusszám növelésével a H⁺ koncentrációja az alsó tartályban kezdetben növekedett, majd pedig csökkent. Ez két

HOOHQWpWHV KDWiV HUHG MHNpQW pUWHOPH]KHW $] LRQFVHUpV V]HOHNWLYLWiV K PpUVpNOHWIJJpVH D]W

eredményezi, hogy a H⁺ lefelé halad az oszlopban. Az oldószer- és elektrolit-adszorpciós

MHOHQVpJHN K PpUVpNOHWIJJpVH PLDWW SHGLJ D] |VV]HV Lon felfelé mozog, így a H⁺ ion is. A

FLNOXVV]iP Q|YHOpVpYHO NH]GHWEHQ D] HOV KDWiV YDQ W~OV~O\EDQ PDMG SHGLJ D] XWyEEL pUYpQ\HVO D IHOV WDUWiO\EDQ W|PpQ\HEE D] DOVy WDUWiO\EDQ SHGLJ KtJDEE ROGDWRW NDSWDN D

kezdeti oldatnál.

Az oldószer- és elektrolit-DGV]RUSFLyV MHOHQVpJHN K PpUVpNOHWIJJpVpE O V]iUPD]y KDWiVRN MHOOHP]pVpUHDWHOMHVV]HSDUiFLyVIDNWRUW76)KDV]QiOMiNDPHO\DIHOV pVD]DOVyWDUWiO\EDQ OHY ROGDW|VV]NRQFHQWUiFLyMiQDNKiQ\DGRVD

Butts [34] kísérleti körülményei között γ=0,88 értéknél TSF=9,44 volt, γ=1,62-nél pedig TSF=1,11 értéket kaptak 140 ciklus után. Grevillot és munkatársai [35] Cu²⁺–Ag⁺ elválasztásakor tapasztaltak hasonló jelenséget γ<2,1 értékek esetén. Ezek az eredmények egyrészt azt mutatják, hogy a gyantafázis melegen vagy több vizet és/vagy kevesebb elektrolitot tartalmaz, mint hidegen, másrészt pedig az oldószer és elektrolit-adszorpciós

NDSDFLWiV K PpUVpNOHWIJJpVH QDJ\RQ NLVPpUWpN GH D FLNOLNXV P YHOHW VRUiQ D KDWiVD

|VV]HJ] GLNpVMyOPpUKHW YiOWR]iVWRNR]

Félfolyamatos módszer

$] HO tUW SURJUDPQDN PHJIHOHO HQ EL]RQ\RV UpV]SHULyGXVRNEDQ IULVV V]pWYiODV]WDQGy

folyadékelegyet adagolunk a készülékbe, és a termékeket is csak bizonyos részperiódusokban

YHVV]N HO $ V]DNDV]RV PyGV]HUKH] KDVRQOyDQ YiOWR]LN D K WpVL-I WpVL SURJUDP pV D

folyadékfázis áramlási iránya is. Az eredeti szétválasztandó folyadékelegyet általában valamelyik tartályba illetve az oszlop valamelyik végére adagoljuk, és a termékeket is innen

YHVV]NHOPHJKDWiUR]RWWLG EHOLSURJUDPV]HULQW

Gregory és Sweed [36] 0,05 gekv/dm³ koncentrációjú NaCl oldat sómentesítését vizsgálta

%LRUDG $* $ LRQFVHUpO J\DQWiQ D] D] DOiEEL IpOIRO\DPDWRV SDUDPpWHUHV V]LYDWW\~]iVL

PyGV]HUUHO$KLGHJIpOSHULyGXVEDQD]RV]ORSRWOHK W|WWpN.-UHpVD]RV]ORSIHOV YpJpQ

szétválasztandó oldatot tápláltak be. Ennek során az oszlop alján távozó NaCl-ban szegény

ROGDW HOV UpV]OHWpW IHQpNWHUPpNNpQW HOYHWWpN D WRYiEEL UpV]pW HQJHGWpN D] DOVy WDUWiO\ED (]XWiQNHUOWVRUDIHOV WDUWiO\EDQOHY ROGDWiWiUDPROWDWiViUDD]DOVyWDUWiO\ED0DMGDPHOHJ

félperiódus következett. Az oszlopot felmelegítették 328 K-re, és az alsó tartály tartalmát

IHOIHOp iUDPROWDWWiN D] RV]ORSRQ NHUHV]WO PLN|]EHQ D] RV]ORS IHOV YpJpQ NLOpS 1D&O-ban

G~V ROGDW HOV UpV]OHWpW IHMWHUPpNNpQW HOYHWWpN D WRYiEEL UpV]pW SHGLJ D IHOV WDUWiO\ED HQJHGWpN(]XWiQ~MDEEFLNOXVNH]G G|WW

+DVRQOy NtVpUOHWL EHUHQGH]pVEHQ YL]VJiOWiN &KHQ pV PXQNDWiUVDL HQ]LPHN >@ NO|QE|]

izomerek [38, 39] szétválasztását. Javasolták – a rektifikálás analógiájára –DIHOV pVD]DOVy

refluxarány bevezetését. A termékek koncentrációjának alakulása ezen arányoktól is függ.

Termelékenyebb eljárás, mint a szakaszos, de a termékek tisztasága csökken. Lineáris

L]RWHUPiNNDOMHOOHPH]KHW UHQGV]HUHNHVHWpQPHJKDWiUR]KDWyD]DUHIOX[DUiQ\DPHO\PHOOHWW IHOV EHWiSOiOiVVDO D IHQpNWHUPpN WLV]WDViJD HOpUKHWL D V]DNDV]RV PyGV]HUUHO HOpUKHW

tisztaságot [40], a fejtermék tisztasága azonban minden esetben kisebb, mivel a

V]pWYiODV]WDQGy HOHJ\ EHWiSOiOiVD pV D IHMWHUPpN HOYpWHOH LG EHQ HOWROYD XJ\DQ GH D]RQRV

helyen történik.

Folyamatos módszer

$] MHOOHP]L KRJ\ D P YHOHW VRUiQ IRO\DPDWRVDQ DGDJROMXN D IULVV V]pWYiODV]WDQGy

folyadékelegyet, és a termékeket is folyamatosan vesszük el [41].

$] HOV MDYDVODWRN pV NtVpUOHWL HUHGPpQ\HN :LOKHOPW O > @ V]iUPD]QDN DNL 1D&O-víz szétváODV]WiViW YL]VJiOWD D] DOiEEL N|]YHWHWW K N|]OpV IRO\DPDWRV PyGV]HUUHO $ V]pWYiODV]WDQGy ROGDWRW K FVHUpO EHQ OHK W|WWH .-re és az oszlop tetejére adagolta, miközben az oszlop alján távozó NaCl-ben szegény oldatot fenéktermékként elvette. A meleg félperiódusban a szétválasztandó oldatot 363 K-re melegítette, és az oszlop aljára vezette, az oszlop tetején távozó NaCl-EHQ G~V ROGDW SHGLJ IHMWHUPpNNpQW WiYR]RWW $ P YHOHWHW

periódikusan tovább folytatva a termékek összetétele néhány ciklus után állandósult. A legjobb szeparációs faktor (a termékek NaCl koncentrációjának aránya) 1,22 volt.

&KHQ pV +LOO >@ D IpOIRO\DPDWRV IHOV EHWiSOiOiV~ PyGV]HUW IHMOHV]WHWWH WRYiEE IRO\DPDWRV

módszerré. Ebben az esetben a friss szétválasztandó elegyet folyamatosan adagolják az oszlop

WHWHMpUH pV D WHUPpNHNHW LV IRO\DPDWRVDQ YHV]LN HO D] RV]ORS NpW YpJpU O $ IHQpNWHUPpN

tisztasága hasonlóképpen alakul, mint a félfolyamatos módszernél [40], de a fejtermék tisztasága valamivel kisebb a folyamatos betáplálás miatt.

GuptDpV6ZHHG>@N|]|OWHJ\IRO\DPDWRVPyGV]HUWNpWNRPSRQHQV HOHJ\HNQDJ\WLV]WDViJ~

szétválasztására. Két oszlopot alkalmaztak, és az oszlopok közötti tartályba táplálták be

IRO\DPDWRVDQDV]pWYiODV]WDQGyHOHJ\HWDIHOV RV]ORSWHWHMpU OpVD]DOVyRV]ORS aljáról pedig

IRO\DPDWRVDQYHWWpNHODWHUPpNHNHW$]RV]ORSRNDWYiOWDNR]YDK W|WWpN-I W|WWpNPLN|]EHQD

folyadékfázis (reflux) áramlási irányát is periodikusan változtatták. Kísérleti eredményeket nem közöltek, de számításuk szerint mindkét termék tisztasága megközelítheti a szakaszos

PyGV]HUUHO HOpUKHW WHUPpNWLV]WDViJRNDW .pV EE NtVpUOHWLOHJ LV LJD]ROWiN D NpWRV]ORSRV D]RQRV PLQ VpJ W|OWHWHW WDUWDOPD]y YiOWR]DWRN DONDOPD]KDWyViJiW D IRO\DPDWRV SDUDPpWHUHV V]LYDWW\~]iVLP YHOHWHNWHUOHWpQ>6].

6LPRQ pV PXQNDWiUVDL > @ UpV]OHWHVHQ YL]VJiOWiN VRNNRPSRQHQV DPLQRVDY

keverékek feldolgozhatóságát adszorpciós és ioncserés módszerekkel. A termikus paraméteres

V]LYDWW\~]iVL P YHOHWHN NO|QE|] YiOWR]DWDL HO Q\|VHQ DONDOPD]KDWyN DPLQRVDY NHYerékek

NRQFHQWUiOiViUDV]HSDUiFLyMiUDpVHJ\HGLQDJ\WLV]WDViJ~DPLQRVDYDNHO iOOtWiViUDLV>@

0LQG HOPpOHWL PLQG J\DNRUODWL V]HPSRQWEyO pUGHNHVHN D NO|QE|] PLQ VpJ W|OWHWHNHW

alkalmazó eljárások [52]. Glükóz-fruktóz szeparációját vizsgálata Sheng és Costa[53, 54]

NpWRV]ORSRV EHUHQGH]pVEHQ $ W|OWHW D] HJ\LN RV]ORSEDQ NDUERQiW IRUPiM~ DQLRQ FVHUpO D PiVLNRV]ORSEDQNDOFLXPIRUPiM~NDWLRQFVHUpO $JONy]-fruktóz rendszer szelektivitása az

HJ\HV W|OWHWHNHQ IRUGtWRWW H] OHKHW Yp WHV]L D V]HSDUáció mellett az egyes komponensek

HJ\LGHM NRQFHQWUiOiViWLV

2.3. A szakaszos, termikus ioncserés paraméteres szivattyúzás matematikai modelljei

$ IHQWL P YHOHWWHO NDSFVRODWEDQ SXEOLNiOW PDWHPDWLNDL PRGHOOHNHW NpW QDJ\ FVRSRUWED

oszthatjuk: egyensúlyi és nem egyensúlyi modellekre.

Az egyensúlyi modellek a kinetikai hatásokat nem veszik figyelembe, és a keveredési

MHOHQVpJHN LV HOKDQ\DJROMiN H]pUW UHQGV]HULQW D NtVpUOHWL HUHGPpQ\HNQpO NHGYH] EE

eredményeket adnak. Az egyensúlyi modellek további csoportosítása a figyelembe vett egyensúlyi összefüggés alakja szerint lehetséges. Bizonyos modellek lineáris izotermát használnak, míg más modellek figyelembe veszik az izoterma nem lineáris jellegét. Az

HO EELHN QDJ\REE QHKp]VpJ QpONO PHJROGKDWyN YLV]RQW LRQFserés folyamat esetén csak kis koncentráció tartományban használhatók. A nemlineáris izotermát használó modellek megoldása nehezebb, de alkalmasabbak az ioncserés folyamatok egyensúlyi leírására.

$KKR]KRJ\DSDUDPpWHUHVV]LYDWW\~]iVLP YHOHWÄOHONLYLOiJit” megérthessük, az egyensúlyi

PRGHOOHN QDJ\RQ QDJ\ VHJtWVpJHW WXGQDN Q\~MWDQL KLV]HQ D P YHOHW LJD]L KDMWyHUHMH D]

HJ\HQV~O\LYLV]RQ\RNEDQNHUHVHQG

A nem egyensúlyi modellek valamilyen formában figyelembe veszik a komponensátadás kinetikáját. Legtöbbször csak numerikus módszerekkel megoldható parciális differenciálegyenleteket tartalmaznak, és realisztikusabb eredményeket szolgáltatnak.

2.3.1. Egyensúlyi modellek

3LJIRUG pV PXQNDWiUVDL >@ N|]|OWpN HO V]|U D V]DNDV]RV SDUDPpWHUHV V]LYDWW\~]iVL P YHOet

HJ\HQV~O\L PRGHOOMpW )HOWpWHOH]WpN KRJ\ D] RV]ORS PLQGHQ SRQWMiQ SLOODQDWV]HU HQ EHiOO D]

egyensúly és az egyensúlyi összefüggés lineáris. Az axiális keveredést elhanyagolták. Ezen

HJ\V]HU VtWpVHNNHO HJ\ KLSHUEROLNXV SDUFLiOLV GLIIHUHQFLiOHJ\HQOHWKH] jutottak, melyet a karakterisztikák módszerével oldottak meg. A karakterisztika vonalakat felhasználták a

V]pWYiODV]WiVL P YHOHW JUDILNXV V]HPOpOWHWpVpUH 9DOyV]tQ OHJ H]HQ HO Q\|V WXODMGRQViJDL

miatt elméletét általánosították, finomították, továbbfejlesztették [58, 59], és igen

V]pOHVN|U HQ KDV]QiOMiN .O|Q|VHQ ~M P YHOHWL PHJROGiVRN UHFLUNXOiFLyV IRO\DPDWRV IpOIRO\DPDWRV > @ NO|QE|] PLQ VpJ W|OWHWHNHW WDUWDOPD]y W|EERV]ORSRV UHQGV]HUHN

> @ NLGROJR]iViKR] Q\~MW VHJtWVpJHW 1DJ\ HO Q\H ezeknek a modelleknek, hogy használatukhoz nincs szükség különösebb szoftverre, az eredmények általában algebrai összefüggések, amelyek a tartály koncentrációkat illetve a szeparációs faktorokat adják a ciklusszám függvényében. Használatukat a legnagyobb mértékben az korlátozza, hogy csak lineáris izotermák esetén használhatók.

$QHPOLQHiULVNURPDWRJUiILDHOPpOHWpQHNNLGROJR]iVD>@OHKHW YpWHWWHDNRQFHQWUiFLy- hullámok sebességének számítását nemlineáris egyensúlyi rendszerek esetén is. Ezeket az eredményeket felhasználva dolgozta ki Camero és Sweed [65, 66] a paraméteres szivattyúzás

QHPOLQHiULV HOPpOHWpW ( V]HULQW V]iPtWKDWyN D] LRQFVHUpO RV]ORSEDQ D P YHOHW VRUiQ

kialakuló koncentrációprofilok és ezek viselkedése az áramoltatási részperiódusokban. Igen

QDJ\ HO Q\H KRJ\ QDJ\V]iP~ YpJWHOHQ FLNOXV XWiQ NLDODNXOy iOODQGósult

koncentrációprofilok (kvázi-VWDFLRQiULXV iOODSRW PHJKDWiUR]KDWyN D N|]EHQV FLNOXVRN

kiszámítása nélkül. Mivel alapmunkának tekintettem és tovább fejlesztettem, az alábbiakban röviden bemutatom az elméletet.

Tételezzük fel, hogy a folyamat a követkH] LGHiOLVIHOWpWHOHNNHOMHOOHPH]KHW

− A rendszer egydimenziós az áramlás irányában uniform keresztmetszettel.

− A fluidum térfogati sebessége és a nyuJYyUpWHJHVRV]ORSUHVWpUIRJDWLWpQ\H] MH állandó az oszlop hossza mentén.

− Az axiális keveredés elhanyagolható a konvektív transzport mellett.

− A lokális egyensúly az oszlopban mindenütt fennáll a folyadék- és a szilárd fázis között.

− Az ioncserés folyamat izoterm és izochor.

7HNLQWVQN HJ\ NpWNRPSRQHQV L M LRQFVHUpV UHQGV]HUW ËUMXN IHO D NHGYH] EEHQ N|W G L NRPSRQHQVPpUOHJpWD]LRQFVHUpO RV]ORSGLIIHUHQFLiOLVWpUUpV]pUHYRQDWNR]yDQ

0 ) 1

0 ( =

∂

− ∂

∂ + + ∂

∂

∂

t q z

v c t

c ε

ε ⁽¹⁾

Az egyensúlyi összefüggés:

q=q(c, T) (2)

$PDWHPDWLNDLHOHP]pVHJ\V]HU VtWKHW DN|YHWNH] GLPHQ]LyPHQWHVYiOWR]yNEHYH]HWpVpYHO

L t v⋅

α = ⁽³⁾

L

l= z (4)

Q y q C ;

x c

0

=

= (5)

C0

Q ) 1 (

⋅ ε

ε

= −

µ (6)

A dimenziómentes változók felhasználásával az alábbi egyenletekhez jutunk:

y 0 x l

x =

α

∂ µ∂ α+

∂ +∂

∂

∂ (7)

) T , x ( y

y= (8)

A (7) egyenletet α

∂

∂x-val végig osztva és a parciális differenciálra érvényes összefüggést alkalmazva kapjuk:

0

1  =



 





∂ + ∂

 +



 





∂

− ∂

l

x x

y

l µ

α (9)

A (9) összefüggést átrendezve és annak figyelembevételével, hogy FVXSán l függvénye rögzített x mellett, másrészt az egyensúlyi izoterma deriváltja szintén csak x-W OIJJpVO-W O

független, az alábbi egyenletet kapjuk:

dx 1 dy dl d

x

µ +

 =



 



= α

σ (10)

$ IHQWL HJ\HQOHWE O OiWKDWy KRJ\ D] α−l függvén\ NO|QE|] U|J]tWHWW IRO\DGpNIi]LVEHOL

koncentrációértékek (x) mellett egyeneseket ad, melyek meredekségükben (σ) különböznek

HJ\PiVWyODWWyOIJJ HQKRJ\D]DGRWW[pUWpNQpOPHNNRUDD]L]RWHUPDPHUHGHNVpJH(]HNHW

az egyeneseket nevezzük karakterisztikáknak. Fizikailag σ^-1 az a dimenziómentes sebesség, amellyel az adott karakterisztikához tartozó x koncentráció halad.

7HJ\N IHO KRJ\ D NHGYH] EEHQ N|W G NRPSRQHQV DPHO\UH D IHQWL |VV]HIJJpVHNHW

levezettük) izotermájára minden x-nél érvényesek az alábbi összefüggések:

, dx 0

dy > (11)

.

2 0

2 <

dx y

d (12)

$|VV]HIJJpVE ON|YHWNH] HQσ>1. Ez két dolgot jelent:

a). 0LQGHQ NDUDNWHULV]WLND SR]LWtY PHUHGHNVpJ D] O-α GLDJUDPEDQ $ IHOWpWHOE O N|YHWNH] HQ H] D PHUHGHNVpJ D NRQFHQtráció növekedésével csökken. Ezzel

HJ\H] HQDQDJ\NRQFHQWUiFLyNJ\RUVDEEDQPR]RJQDNPLQWDNLVNRQFHQWUiFLyN

b). Bármely koncentráció sebessége kisebb, mint a folyadéké, ugyanis a (10) egyenletbe behelyettesítve a dimenziómentes változók kifejezését és deriválva az alábbi egyenletet kapjuk:

x x

dx dy v dt

dz



 

 + 

 =



 





µ 1

(13)

Az a.) pontnak a szakaszos paraméteres szivattyúzás szempontjából további következménye, hogy a koncentrációfront élesedik abban az áramoltatási részperiódusban, amelyben a

NHGYH] EEHQ N|W G NRPSRQHQV N|W GLN PHJ 8J\DQLV HEEHQ D IpOFLNOXVEDQ D] iUDPOiV LUiQ\iEDQ D NHGYH] EEHQ N|W G NRPSRQHQV NRQFHQWUiFLyMD PRQRWRQ FV|NNHQ $] pOHVHG

NRQFHQWUiFLyIURQW V]pOV HVHWEHQ OpSFV V IJJYpQQ\p DODNXO NDUDNWHULV]WLNiMiQDN PHUHGHNVpJpWDN|YHWNH] összefüggéssel számíthatjuk:

{ } { }

dl 1 d ^S

S  = +µ



 



= α

σ (14)

$NDSFVRV]iUyMHOEHQOpY HJ\HQpUWpNW|UWHN DNRQFHQWUiFLyOpSFV K|]WDUWR]yV]LOiUG-, illetve folyadékfázisbeli koncentrációk különbségei. Ebben az esetben a

( )

függvény dimenziómentes haladási sebességét.

Abban az áramoltatási részperiódusban pedig, amelyben a kisebb szelektivitású komponens

N|W GLNPHJD]HO ] IpOFLNOXVEDQNLDODNXOWNRQFHQWUiFLySURILOV]pWWHUOH[SDQ]LyVDUiQ\RV

alakú front alakul ki. Ebben a félciklusban ugyanis az áramlás irányában a kisebb szelektivitású komponens koncentrációja monoton csökken az oszlop hossza mentén, és a (10) és (13) összefüggések szerint a kisebb koncentrációk mozognak gyorsabban.

Az elmélet szerint számíthatók az LRQFVHUpO RV]ORSEDQ D P YHOHW VRUiQ NLDODNXOy

koncentrációprofilok. Nagyszámú ciklus után kialakuló állandósult koncentrációprofilok (kvázi-VWDFLRQiULXViOODSRWMHOOHP] LSHGLJN|]YHWOHQOPHJKDWiUR]KDWyNDN|]EHQV FLNOXVRN

kiszámítása nélkül. A számolás menetét az 1. ábra segítségével az alábbiakban mutatom be.

Tekintsünk egy olyan rendszert, amely i és j szétválasztandó ionokat tartalmaz. Tételezzük

IHO KRJ\ D] L LRQ LRQFVHUpV HJ\HQV~O\D NHGYH]

( )

K PpUVpNOHW HPHOpVpYHO Q|YHNV]LN /HJ\HQ DODFVRQ\DEE D K PpUVpNOHW D IRO\DGpN IHOIHOp iUDPROWDWiVDNRU pV PDJDVDEE D OHIHOp iUDPROWDWiV VRUiQ $] LRQFVHUpO RV]ORSRW D FLNOLNXV P YHOHW PHJNH]GpVH HO WW D] DODFVRQ\DEE K PpUVpNOHWHQ 7+ KR]]XN HJ\HQV~O\ba a szétválasztandó x_i⁰ |VV]HWpWHO IRO\DGpNHOHJJ\HO pV XJ\DQLO\HQ |VV]HWpWHO DGRWW WpUIRJDW~

(∆9 IRO\DGpNRW W|OWVQN D PHOHJ WDUWiO\ED LV $ UHQGV]HUEH tJ\ D N|YHWNH] PHQQ\LVpJ L

komponens kerül (1.a. ábra):

− a tartályba: ∆V⋅C₀⋅x⁰_i,

− az oszlop folyadékfázisába: ε⋅V_k ⋅C₀⋅x_i⁰,

− D]RV]ORSLRQFVHUpO Ii]LViED

( )

(

)

1. ábra

A kvázi-VWDFLRQiULXViOODSRWNLDODNXOiVDD]LRQFVHUpO RV]ORSEDQ

Vezessük be az alábbi változókat:

Vk

V

⋅ ε

= ∆

γ az átáramoltatás dimenziómentes ideje (15)

( )

C0

Q 1

⋅ ε

⋅ ε

= −

µ kapacitás arány (16)

Ezek felhasználásával az i ion összes mennyisége:

( ) ( )

[

]

V C

M_il =ε⋅ _{0 k} 1+γ _i⁰+µ _i⁰ _i⁰, (17) Tegyük fel, hogy a kvázi-VWDFLRQiULXViOODSRWHOpUpVHXWiQDNpV]OpNIHOV meleg tartályában csak i ionok vannak

(

)

(

)

Vegyük azt a kvázi-stacionárius esetet, amikor egy meleg áramoltatási áramoltatási részperiódus utáni koncentrációprofil alakul ki az oszlopban. Ekkor az i ion a meleg lefelé

iUDPROWDWiVVRUiQOpSFV VIJJYpQ\V]HULQWD]RV]ORSHJ\δiGLPHQ]LyPHQWHVKRVV]~ViJ~IHOV

szakaszán helyezkedik el (1.b ábra).

( )

( )

i k

ik V C 1 QV C V 1

M =ε⋅ ⋅δ ⋅ + −ε δ =ε⋅ +µδ (18)

Mivel az i ionok teljes mennyisége állandó, Mil=Mik, fejezzük ki δi értékét a (17) és a (18)

|VV]HIJJpVE O

( ) ( )

µ µ δ γ

+ +

= +

1

, 1x_i⁰ y_i⁰ x_i⁰ TH

i (19)

xA=0 szétválasztást csak akkor kaphatunk, ha δi D]D] OHIHOp iUDPROWDWiV VRUiQ D OpSFV V

függvény nem tör át az oszlop alján. Fejezzük ki γ értékét a (19) összefJJpVE OILJ\HOHPEH

véve, hogy δi<1:

( )

[ ]

x

TH , x y 1 1

0 i

0 i 0

i − ≡

− µ

< +

γ (20)

xF=1 szétválasztást pedig csak akkor várhatunk, ha a hideg felfelé áramoltatás során az expanziós front legnagyobb sebességgel haladó koncentrációja γGLPHQ]LyPHQWHVLG DODWWδi- nél kisebb dimenziómentes távolságot teszi meg (1.c. ábra).

( )

( )

σ⁻ F i F i

1 x ,TH , azaz x ,TH (21)

A

( )

TH , x F

dx F

1 dy TH ,

x = +µ

σ (22)

mivel az xF koncentrációk haladnak a leggyorsabban, és az áramlás hidegen történik.

Helyettesítsük a (21)-be a (22) és (19) kifejezéseket, és fejezzük ki γ értékét:

( )

0 i

TH , x

0 i 0 i 0 i

x dx

1 dy 1

TH , x y x

F

− µ

+ µ + µ

< +

γ =F2 (23)

&DPHURpV6ZHHG>@HJ\HQV~O\LHOPpOHWHDYpJV V]HSDUiFLyV]HPSRQWMiEyODODSYHW HQ

négy esetet különböztet meg:

1. 2.a ábra: xF = 1 xA = 0 γ < min. (F1, F2), 2. 2.b ábra: xF < 1 xA = 0 F1 > γ > F2 3. 2.c ábra: xF = 1 xA > 0 F1 < γ < F2 4. 2.d ábra: xF < 1 xA > 0 γ > max. (F1, F2).

1

a. 1.tipus, x =1, x =0F A

Hideg

Meleg

x =0i

x =1i

δi

l 0

α

γ γ

Meleg Hideg

b. 2.tipus, x <1, x =0F A

δi

Meleg Meleg Hideg

Hideg

c. 3.tipus, x =1, x >0F A d. 4.tipus, x <1, x >0F A

δi

δi

2. ábra A kvázi-stacionárius állapotok karakterisztika rendszere

$ IHQWL NULWpULXPRN OHYH]HWpVpKH] WXODMGRQNpSSHQ D] HOV HVHWHW IHOWpWHOH]WN $

esetben az 1. esetUH YRQDWNR]y IHOWpWHOHN YiOWR]KDWQDN D] HOWpUpV PpUWpNpW O IJJ HQ (]HN

részletezése azonban meghaladja a dolgozat kereteit.

$] HOPpOHW V]HULQW D] ROGDW NRQFHQWUiFLyWyO D NH]GHWL LRQ|VV]HWpWHOW O D] DONDOPD]RWW K PpUVpNOHWHNHQpUYpQ\HV L]RWHUPiNWyO pV D félkciklusonként átáramoltatott térfogattól függ, hogy a fenti négy eset közül melyik valósul meg.

Az elmélet igen nagy hátránya, hogy csak állandó ioncserés szelektivitású együtthatók esetén használható.

2.3.2. Nem egyensúlyi modellek

A paraméteres s]LYDWW\~]iVLP YHOHWHWHJ]DNWXOOHtUyPDWHPDWLNDLPRGHOOQHNWDUWDOPD]QLDNHOO

az ioncsere kinetikáját és a keveredési effektusokat leíró összefüggéseket is. A parciális differenciál egyenletrendszer analitikus megoldása nem létezik, csak numerikus módszerekkel oldható meg. Az alábbiakban röviden összefoglaltam a szakirodalomban található jellegzetes modell típusokat.

$] HOV QHP HJ\HQV~O\L V]iPtWiVL HOMiUiV QHP VRNNDO 3LJIRUG >@ HJ\HQV~O\L HOPpOHWH XWiQ

jelent meg. Ez a STOP-GO algoritmus, amelyet Wilhelm és Sweed [67] fejlesztett ki. Ebben az eljárásban a parciális differenciálegyenleteket közönséges differenciálegyenletekké alakítják, majd a karakterisztikák módszerét használják, de nem szükséges, hogy a szilárd és a folyadék fázis egyensúlyba kerüljön, és nem kell, hogy az egyensúlyi összefüggés lineáris legyen. A közönséges differenciálegyenleteket numerikus módszerrel oldják meg úgy, hogy a z–W VtNRW D KHO\ pV LG GLIIHUHQFLiNQDN PHJIHOHO HQ IHORV]WMiN (O V]|U D IRO\DGpNRW

áramoltatják a szilárd- és folyadékfázis közötti komponensátadás nélkül (GO), majd ezután a folyadék áramoltatása nélkül számítják a komponensek fázisok közötti transzportját (STOP).

A STOP-GO eljárást használták ahhoz, hogy megmutassák a szeparáció növekedését, amint a komponensátadiVL WpQ\H] Q D IRO\DGpN iWiUDPROWDWiVL VHEHVVpJH FV|NNHQ $ V]iPtWiVRN DODSMiQ D V]pWYiODV]WiV HO V]|U Q|YHNV]LN D FLNOXVV]iP Q|YHOpVpYHO PDMG DV]LPSWRWLNXVDQ

beáll valamilyen értékre.

Gupta és Sweed [68] a nyugvóréteges oszlop kaszkádmodelljét alkalmazták a paraméteres

V]LYDWW\~]iVL P YHOHW OHtUiViUD OLQHiULV L]RWHUPiW IHOWpWHOH]YH $ PRGHOO NDV]NiGV]iPiW D NRPSRQHQViWDGiVL WpQ\H] pV D] D[LiOLV NHYHUHGpV pUWpNH DODSMiQ KDWiUR]WiN PHJ 1 V]iP~

tökéletesen kevert kaszkádra és a két tartályra (2N+2) közönséges lineáris differenciálegyenletet írtak fel. A modell egyenletrendszere a mátrix hatványozás, a Laplace transzformáció vagy a véges differenciák módszerével oldható meg.

$ V]HU] N >@ PpJ EHPXWDWWDN HJ\ HOPpOHWHW ÄPDMGQHP HJ\HQV~O\L´ HOYiODV]WiVUDamely hasonlít a nyugvóréteges oszlop egyensúlyi kaszkádmodelljére. A „majdnem egyensúlyi”

PRGHOO VRNNDO NHYHVHEE V]iPtWyJpSLG W LJpQ\HO PLQW PiV DOJRULWPXV GH PHJIHOHO

pontossággal csak közel egyensúlyi szeparációnál használható.

Grevillot és Tondeur [69, 70, 71, 72] a nem egyensúlyi, szakaszos és folyamatos paraméteres

V]LYDWW\~]iVL P YHOHW OHtUiViUD WXODMGRQNpSSHQ D] RV]ORS HJ\HQV~O\L NDV]NiGPRGHOOMpW DONDOPD]]iND N|YHWNH] YiOWR]DW V]HULQW $] RV]ORS 1 V]iP~ W|NpOHWHVHQNHYHUW NDV]NiGEyO

áll, az egyHV NDV]NiGRNEDQ HJ\HQV~O\L pV iWDGiVL IRNR]DWRN HJ\PiVW N|YHW VRUD M|Q OpWUH

egyensúly a folyadék- és a szilárd fázis között, majd egy kaszkád teljes folyadékfázisának,

YDJ\DIRO\DGpNIi]LVHJ\UpV]pQHND]iWDGiVDDN|YHWNH] NDV]NiGED

A kaszkádszámot éV D] iWDGiVL IRNR]DWRN V]iPiW D NRPSRQHQViWDGiVL WpQ\H] D] D[LiOLV

keveredés és a folyadékelegy áramlási sebessége alapján határozzák meg. A két

PRGHOOSDUDPpWHU V]iPV]HU pUWpNH D KLGHJ- és a meleg áramoltatási részperiódusban

V]NVpJV]HU HQQHPOHKHWD]onos.

Nasseri [30] a fenti modelltípusokat részletesen összehasonlította, és megadta a modellparaméterek számításának módszereit is.

A legújabb publikációkban közölt matematikai modellek már majdnem teljesnek mondhatók:

figyelembe veszik a keveredési ténye] W NOV - EHOV NRPSRQHQViWDGiVL WpQ\H] NHW K iWDGiVLpVK YH]HWpVLWpQ\H] NHW>@

9pJO PHJHPOtWHP D 9( 9HJ\LSDUL 0 YHOHWL 7DQV]pNpQ NLGROJR]RWW QHP-egyensúlyi modelleket [27, 47-@ $ V]HU] N D GLIIHUHQFLiOLV PpUOHJHJ\HQOHWHNHW PHJIHOHO Nezdeti- és peremfeltételekkel a véges differenciák módszerével oldották meg. A modell nagy átáramoltatási sebességek tartományában igen jó eredményeket szolgáltat [27]. A numerikus módszer igen érzékenyen reagál a lépésközök helyes megválasztására, a szükspJV]HU HQ NLV OpSpVN|]|NPLDWWD]RQEDQDV]iPtWiVLLG PHJOHKHW VHQKRVV]~

$ SDUDPpWHUHV V]LYDWW\~]iVL P YHOHWHN SRQWRV V]iPtWiVD NO|Q|VHQ QDJ\WLV]WDViJ~ DQ\DJRN HO iOOtWiVD HVHWpQ iOWDOiEDQ LJHQ LG LJpQ\HV P YHOHW (J\UpV]W QXPHULNXV PyGV]HUHNHW NHOO

használni másrészt pedig, ciklusszámonként két „áttörési görbét” kell több nagyságrend

NRQFHQWUiFLyWDUWRPiQ\EDQOHKHW OHJSRQWRVDQNLV]iPROQL$]DOJRULWPXVRNFLNOXVUyO-ciklusra

V]iPROQDN pV tJ\ D QXPHULNXV PyGV]HUHNQpO PLQGLJ IHOOpS KLED LV FLNOXVUyO-ciklusra

KDOPR]yGLN (]HQ W~OPHQ HQ D] LRQFVHUpV P YHOHWHNQpO D W|OWHW GX]]DG-zsugorodik a

SHULRGLNXV K PpUVpNOHW LQJDGR]iV pV D] LRQRV IRUPiN YiOWR]iVD PLDWW D WDUWiO\|VV]HWpWHOHN NO|QE|] VpJH V U VpJ NO|QEVpJHN LOO D K PpUVpNOHW WUDQ]LHQVHN

pedig szabadkonvekciós áramlásokat indukálnak.

gVV]HIRJODOiVNpQW HOPRQGKDWy KRJ\ D SDUDPpWHUHV V]LYDWW\~]iVL P YHOHW D] DODSJRQGRODW N|]OpVHyWDVRNDWIHMO G|WW PLQGDYL]VJiOWLQWHQ]tYSDUDPpWHUHNHWIi]LVUHQGV]HUHNHW

komponenseket, mind a küO|QE|] P YHOHWL YiOWR]DWRNDW PHJROGiVRNDW pV PRGHOOHNHW WHNLQWYH.O|Q|VHQDQDJ\WLV]WDViJ~DQ\DJRNHO iOOtWiViYDOIRJODONR]yN|]OHPpQ\HND]RQEDQ

hiányosak az eljárások tervezése, optimálása szempontjából meghatározónak mutatkozó

P YHOHWLMHOOHP] NV]iPa és tartománya tekintetében.

3. KÍSÉRLETI RÉSZ

3.1. Az alkalmazott analitikai módszerek

Munkám során H⁺, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^– ionok mennyiségét határoztam meg vizes

ROGDWEDQ NO|QE|] NRQFHQWUiFLyWDUWRPiQ\RNEDQ $ NDWLRQRN SRQWRV HOHP]pVpW

nagympUWpNEHQHO VHJtWHWWHKRJ\D]ROGDWEDQPLQGHQHVHWEHQFVDNNpWNRPSRQHQVHIRUGXOW HO tJ\D]HVHWOHJHV]DYDUyKDWiVRNDWILJ\HOHPEHWXGWDPYHQQL

A H⁺ ion koncentrációját acidi-alkalimetriásan határoztam meg 0,01-1 gekv/l tartományban. A Na⁺ és K⁺ meghatározását ZEISS AAS1 típusú atomabszorpciós spektrofotométerrel emissziós üzemmódban végeztem 589,2 nm, illetve 404,5 nm hullámhosszon 0,01-5 mekv/l koncentrációtartományban. Abszorpciós üzemmódban mértem a Mg²⁺ és Ca²⁺ ionok koncentrációját 0,01-10 mekv/dm3 koncentráció- tartományban 285,2 nm és 422,7 nm hullámhosszon. Az egyes ionok mennyiségi meghatározását összehasonlító görbe segítségével végeztem. Több, állandó összkationtartalmú kalibráló oldatsorozatot készítettem, amelyben a meghatározni kívánt elem kRQFHQWUiFLyMiW YiOWR]WDWWDP D P V]HU PpUpVL WDUWRPiQ\iQ EHOO (OHP]pVNRU D

mintával azonos összkationtartalmú kalibráló oldatsorozatot használtam az összehasonlító görbe felvételéhez. A zavaró hatások így egyformán érvényesültek mindkét esetben, a megszünWHWpVNU OQHPNHOOHWWNO|QJRQGRVNRGQRP>@

$] HOHP]pVHN VRUiQ HPLVV]LyV pV DEV]RUSFLyV ]HPPyGEDQ LV OHYHJ -acetilén lángot és a

P V]HUHOIRUGtWKDWySLOODQJypJ MpWKDV]QiOWDP

A Mg²⁺ és Ca²⁺ ionok mennyiségét nagyobb koncentrációtartományban komplexoPHWULiVDQP('7(PpU ROGDWWDOKDWiUR]WDPPHJ$0J2+

ionok elemzését eriokrómfekete–T indikátor jelenlétében, 10-es pH-jú oldatban végeztem. A 10-es pH értéket NH4OH/NH4Cl puffer oldat segítségével állítottam be. A Ca²⁺ koncentrációt murexid indikátor mellett, 12-13 pH értéken határoztam meg. A pH-t NaOH 10 %-os oldatával állítottam be [75].

A Cl^–-ion koncentrációját 0,1 N AgNO3 oldattal titrálva határoztam meg pH=5…11 értéknél. Indikátorként 5 %-os K2CrO4 oldatot használtam [76].

$]LRQFVHUpO J\DQWDHO NpV]tWpVHMHOOHP]pVH

$ NtVpUOHWHNKH] 9DULRQ .60 HU VHQ VDYDV GLYLQLO-benzollal térhálósított polisztirol gyantavázú, RSO₃⁻ DNWtY FVRSRUWRNDW WDUWDOPD]y PDNURSyUXVRV NDWLRQFVHUpO J\DQWD

dsz=0,5…0,7 mm-es szemcsefrakcióját használtam.

$ NHUHVNHGHOPL PLQ VpJ LRQFVHUpO DQ\DJRW D J\iUWiV VRUiQ D J\DQWDIi]LVED MXWy V]HQQ\H] GpVHN HOWiYROtWiVD FpOMiEyO D] DOiEEL PyGRQ NH]HOWHP $ GHV]WLOOiOW Yt]EHQ

duzzasztott gyantát oszlopba töltöttem, majd öt alkalommal váltakozva H⁺ és Na⁺ formára hoztam 1 gekv/dm³ +&O LOOHWYH 1D2+ ROGDWWDO 9pJO D] LRQFVHUpO J\DQWiW GHV]WLOOiOW

vízzel elektrolitmentesre mostam.

$ SDUDPpWHUHV V]LYDWW\~]iVL NtVpUOHWHNKH] D IHQWL J\DQWD HJ\ UpV]pW LRQFVHUpO RV]ORSEDQ

0,1 gekv/dm³ CaCl2 oldattal Ca²⁺ formára hoztam és a felhasználásig desztillált víz alatt tároltam.

Az egyensúlyi mérésekhez a fenti módon tisztított gyanta egy-HJ\ UpV]pW LRQFVHUpO

oszlopban H⁺, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ formára hoztam, 0,1 gekv/dm³ HCl, NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2DOWYHJ\V]HUHNE ONpV]ített oldatokkal, desztillált vízzel elektrolitmentesre mostam,

PDMG OHYHJ Q V~O\iOODQGyViJLJ V]iUtWRWWDP $] tJ\ HO NpV]tWHWW LRQFVHUpO J\DQWiW OpJPHQWHVHQ]iUKDWyP DQ\DJGRER]RNEDQWiUROWDP

$] LRQFVHUpO DQ\DJRN OHJDODSYHW EE PHQQ\LVpJL MHOOHP] MH D Napacitásérték.

Meghatároztam a fenti légszáraz gyanták kapacitását mekv/g légszáraz gyanta egységben, és a vízben ülepített gyantaoszlop egységnyi térfogatára vonatkoztatott kapacitást mekv/cm³ egységben.

$ NO|QE|] IRUPiM~ OpJV]iUD] J\DQWiN NDSDFLWiV DGDWDLW D N|YHWNH] PyGRQ KDWiUR]WDP

meg. Körülbelül 5 g légszárazon bemért gyantát desztillált vízben 24 óráig duzzasztottam,

PDMG LRQFVHUpO RV]ORSED W|OW|WWHP $ J\DQWDIi]LVEDQ OHY LRQRNDW cm³ 1 ekv/dm³ koncentrációjú CaCl2 oldattal leszorítottam (Ca²⁺ formájú gyanta esetén MgCl2 oldatot használtam). A Na⁺ és K⁺ IRUPiM~ J\DQWiW HO ]HWHVHQ EL]WRQViJRVDQ ++

formába hoztam 500 cm³ 1 ekv/dm³ HCl oldattal, a pontosabb acidi-alkalimetriás elemzés miatt.

Az oszlopról lefolyó oldatot 500 cm³-es normál lombikbaJ\ MW|WWHPPDMGMHOLJW|OW|WWHP

desztillált vízzel. A lombikból mintákat véve meghatároztam a gyantáról leszorított ionok

PHQQ\LVpJpW DPHO\E O D EHPpUW J\DQWD W|PHJpQHN LVPHUHWpEHQ NLV]iPROWDP D OpJV]iUD]

gyanta tömegegységére vonatkoztatott kapacitás adatokat.

Több párhuzamos mérés és elemzés eredményeként az alábbi adatokat kaptam; mekv/g légszáraz gyanta egységben:

04 , 4 Q^SZ_H+ =

76 , 3 Q^SZ_Na+ =

67 , 3 Q^SZ_K+ =

48 , 3 Q^SZ_Mg2+ =

88 , 3 Q^SZ_Ca2+ =

A másik fontos kapacitásérték a gyantaoszlop egységnyi térfogatára vonatkoztatott kapacitás, amelyet az alábbi módon határoztam meg desztillált vízben duzzasztott gyantára vonatkozóan.

Körülbelül 10 g légszárazon bemért gyantát tettem desztillált vizet tartalmazó 25 cm³-es

PpU KHQJHUEH PDMG LG N|]|QNpQW NHYHUYH yUiLJ iOOQL KDJ\WDP pV PHJKDWiUR]WDP D

leülepedett gyantaoszlop térfogatát. A kapott adatokból, a bemért légszáraz gyanta tömegének és tömegegységére vonatkozó kapacitásának ismeretében kiszámoltam a gyantaoszlop egységnyi térfogatára vonatkoztatott kapacitásértékeket.

$N|YHWNH] HUHGPpQ\HNHWNDSWDPPHNYFP3

gyantaoszlop egységekben:

17 , 2 Q_H^N+ =

21 , 2 Q^N_Na+ =

22 , 2 Q^N_K+ =

08 , 2 Q^N_Mg2+ =

36 , 2 Q_Ca^N2+ =

3.3. Egyensúlyi mérések

$ WHUPLNXV LRQFVHUpV SDUDPpWHUHV V]LYDWW\~]iVL P YHOHW VRUiQ D NRPSRQHQVV]pWYiODV]WiVW DODSYHW HQPHJKDWiUR]]DD]LRQFVHUpVHJ\HQV~O\LYLV]RQ\RNK PpUVpNOHWIJJpVH

Kísérletileg meghatároztam a H⁺, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ ionok minden kétkompRQHQV

rendszerében az ioncsere-izotermákat 288 K-en és 333 K-en, 0,1 gekv/dm³

ROGDWNRQFHQWUiFLyQiO .O|QE|] YHJ\pUWpN NDWLRQRN HVHWpQ gekv/dm³ és 1 gekv/dm³ oldatkoncentrációknál is végeztem méréseket.

Az egyensúlyi méréseket sztatikus módszerrel, izoterm körülmények között végeztem.

HCl, NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2 DOW YHJ\V]HUHNE O gekv/dm³

NRQFHQWUiFLyM~W|U]VROGDWRNDWNpV]tWHWWHP$GRWWPHQQ\LVpJ PHJIHOHO IRUPiM~OpJV]iUD]

J\DQWiW PpUWHP D IHQWL W|U]VROGDWRNEyO NO|QE|] WpUIRgatarányokban. A gyanta tömegét

~J\ YiODV]WRWWDP PHJ KRJ\ D J\DQWDIi]LVEDQ pV D] ROGDWIi]LVEDQ OHY NDWLRQRN

mennyisége kb. megegyezzen. Minden esetben két párhuzamos méréssorozatot

NpV]tWHWWHP D] HJ\LNHW D] DODFVRQ\DEE K PpUVpNOHWHQ K), a másikat a magasabb

K PpUVpNOHWHQ K) termosztáltam kb. 36 órán át. Ezután a fázisokat szétválasztottam, és meghatároztam a folyadékfázis összetételét. Az így nyert adatokból, az oldattérfogat (10 cm³) és a gyantakapacitás ismeretében számoltam az izoterma pontjait és a szelektivitási együtthatókat.

A kísérleti eredményeket és a termikus paraméteres szivattyúzás szempontjából lényeges következtetéseket a [78] közleményben találhatjuk meg.

$]HJ\HQV~O\LPpUpVHNHUHGPpQ\HLE ODDEiEUiNRQPXWDWRNEHQpKiQ\DW

A PpUpVL DGDWRN DODSMiQ D] LRQFVHUpV HJ\HQV~O\L YLV]RQ\RN MHOHQW V PpUWpNEHQ K PpUVpNOHWIJJ N .O|Q|VHQ pU]pNHQ\HN D]RN D UHQGV]HUHN DPHO\HNEHQ D] HJ\LN

komponens K⁺ vagy Mg²⁺ ÈOWDOiEDQ D MREEDQ N|W G LRQ V]HOHNWLYLWiVD D K PpUVpNOHW

emelésével csökken, kivéve azokat az eseteket, amikor az egyik ion Mg²⁺ vagy Ca²⁺.