A szuszpenziók elválasztásának folyamata - Reichelt Chemietechnik Magazin
Minden olyan anyag, amely nem tiszta anyag, anyagok keveréke. Mivel nagyon kevés dolog, ami körülvesz minket, tiszta anyag, az anyagkeverékek szétválasztása természetesen mindennapi feladat a vegyi laboratóriumokban, és nagyban a vegyiparban is.
Az egyik leggyakoribb anyagkeverék a szuszpenzió. Ez egy folyékony és fel nem oldott, finom eloszlású szilárd részecskék heterogén keverékét jelenti. Ebben a cikkben áttekintést adunk a szilárd anyagok és a folyadékok elválasztásának különböző lehetőségeiről.
Hogyan oszthatja szét az anyagok keverékeit?
Az anyagok keverékeit heterogén vagy többfázisú és homogén vagy egyfázisú keverékekre osztjuk. A heterogén keverékeket diszperzióként is ismerjük. A legfontosabb anyagkeverékek áttekintését egy táblázatban állítottuk össze.
Narancs = heterogén, kék = homogén
A heterogén keverékeket mechanikai módszerekkel lehet elválasztani, míg a homogén keverékeknél ez nem lehetséges. Természetesen az anyagok keveréke kettőnél több alapanyagból is állhat. Megkülönböztetésükhöz bináris (két anyag), harmadlagos stb. Általános szabály, hogy a megvalósítás megkönnyítése érdekében a heterogén komponenseket először szétválasztják, majd a homogéneket.
Ülepítés - a gravitáció használata
Valószínűleg a legegyszerűbb módszer a szuszpenzió szétválasztására az ülepedés. A szilárd anyag ülepedésének lehetővé tételével két fázist kapunk, majd a folyadékot például dekantálással eltávolíthatjuk.
Az ülepedési sebesség a folyadék viszkozitásától, a szilárd részecskék méretétől és a részecskék sűrűségétől függ, ezért ez az elválasztási folyamat hosszú időt vehet igénybe. Nagy rendszereket vagy medencéket használnak iparilag üledékképzésre. Ezeket - attól függően, hogy a folyadékot vagy a szilárd anyagot kívánjuk-e kinyerni - derítőnek vagy sűrítőnek nevezzük.
Centrifugálás - a sűrűségbeli különbségek és a centrifugális erő alkalmazása
A centrifugálás alkalmas a fáziselválasztás felgyorsítására. A rögzített tengely körüli forgatással a centrifugális erő segítségével elválasztják a benne lévő tiszta anyagokat sűrűségük szerint, ezáltal a legnagyobb sűrűségű anyag gyűlik össze a forgástengelytől a legtávolabb. A centrifugálás nemcsak a szuszpenziókat választja el, hanem emulziókat és gázkeverékeket is. A laboratóriumi centrifugák számos kémiai és orvostechnikai laboratóriumban megtalálhatók. Megfelelő centrifuga csövek kaphatók betétedényként. Mivel ellenállniuk kell az erõs erõknek, ezek a laboratóriumi tartályok vagy erõsített üvegbõl, vagy eldobható tartályokként készülnek mûanyagokból, például polipropilénbõl (PP).
A centrifuga működtetésekor meg kell jegyezni, hogy az egyensúlyhiány elkerülése érdekében fontos, különösen nagy forgási sebességnél, az ellensúly súlyának beállítása, amely a centrifugálandó mintához a lehető legnagyobb mértékben hasonlít. Az úgynevezett ultracentrifugák elérhetik az 500 000 fordulat/perc értéket (fordulatszám is, fordulat/perc). Ilyen nagy sebességnél a centrifugakamrát kiürítjük a légsúrlódás minimalizálása érdekében. Az elválasztás után a felülúszó folyadék eltávolítható, például dekantálással. Nagy léptékben elválasztókat használnak, amelyek elvileg centrifugaként működnek. Nincsenek behelyezett tartályaik, de úgy működnek, mint egy mosógép, lyuk nélküli dobral. A centrifugához hasonlóan a szuszpenziót sűrűsége szerint elválasztjuk.
Vannak olyan szeparátorok, amelyek folyamatosan működnek, ami azt jelenti, hogy a szuszpenziót folyamatosan egy bemeneten keresztül táplálják be, és az elválasztott szilárd anyagot és folyadékot a kimeneteken keresztül távolítják el. Különleges, folyamatos szeparátor a hidrociklon, egy centrifugális szeparátor az emulziókhoz és szuszpenziókhoz, amelyben a dobot nem forgatják, hanem örvények keletkeznek a szuszpenzióban.
Szűrés
A szuszpenziók egyik legfontosabb elválasztási módszere a szűrés, mivel nagyon egyszerű és hatékony. Kihasználva azt a tényt, hogy egy bizonyos méretet meghaladó szilárd anyagok nem tudnak átjutni a szűrő pórusain, mechanikusan elválasztják őket a szuszpenziótól. Alapvetően megkülönböztetünk felületi és mélységi szűrőket. Mélyszűrés során az elválasztandó szilárd anyagokat porózus szűrőközegben gyűjtik össze. Ezzel szemben a felületi szűrés a szita hatást használja, így a szűrlet és a szilárd anyag egy felületen elválik. A laboratóriumban leggyakrabban alkalmazott elválasztási folyamat, a süteményes szűrés egy maradékot hoz létre a szűrőn, az úgynevezett szűrőlepényt.
Számos szűrőközeg létezik, amelyek közül a membránszűrők a leggyakoribbak a vegyi laboratóriumban. A szűrőmembránok papírból, műanyag fóliákból vagy textilszövetekből állhatnak. A szűrés legegyszerűbb szerkezete egy tölcséres papírszűrő-tartó, amelyben a szűrőpogácsát és a szűrletet a gravitáció segítségével elválasztják. A beáramlás oldalán túlnyomás vagy a lefolyó oldalán vákuum alkalmazásával az elválasztási sebesség jelentősen felgyorsítható.
A laboratórium egyszerű példái a fecskendőszűrők (túlnyomás) vagy a Büchner tölcsérek egy szívópalackkal (vákuum) kombinálva. Természetesen ez a szétválasztási folyamat nemcsak adagként használható, hanem folyamatosan alacsony szilárdanyag-koncentráció mellett is, például áramlási szűrők használatakor.
A felületi szűrés másik formája a keresztáramú szűrés. A szűrendő közeget a szűrővel párhuzamosan pumpálják, ami megakadályozza a szűrőpogácsa felhalmozódását. A szilárd anyag nem szabadul fel teljesen a folyadéktól, hanem csak sűrűsödik. Ipari szempontból például szűrőpréseket használnak, amelyek sorba rendezett szűrőlemezekből állnak és szűrőkendőkkel vannak borítva. A tömörítéssel a folyadék kiszorul, míg a szilárd marad, amelyet aztán ki lehet üríteni.
A szűrős centrifuga a centrifugálás és a szűrés kombinációja, ahol a sűrűségbeli különbség nem meghatározó az elválasztás szempontjából. A centrifugális erő túlnyomást eredményez, amely a folyadékot áttolja a szűrőn. A laboratóriumi centrifugához speciális szűrőbetétek állnak rendelkezésre, amelyek kis mértékben is lehetővé teszik a szűrő centrifugálását. Ha a részecskéket nehéz kiszűrni, mert túl kicsiek vagy kolloid módon oldódnak fel, akkor flokkulánsokat adhatunk hozzá. Segítségükkel elősegítik a részecskék agglomerációját, és ezáltal megakadályozzák, hogy a szűrlet továbbra is tartalmaz szilárd anyagot. Nehezen szűrhető szilárd anyagok, például iszap esetében gyakran használnak szűrő-segédanyagokat, például a szűrőpogácsa lazításához. Tipikus szűrő-segédanyagok a kieselguhr, a cellulóz vagy a perlit.
Egyéb elválasztási módszerek
lepárlás: A nem mechanikus megoldás, amely nemcsak oldatokhoz, hanem szuszpenziókhoz is alkalmas, a desztilláció. Általános szabály, hogy a desztilláció azonban nem a választott módszer, mert nagyobb munkamennyiséget igényel és energiaigényes.
Flotáció: A gázbuborékok különösen jól tapadnak a hidrofób részecskékhez, ami azt jelenti, hogy lebegnek és habként lebegnek a folyadék felületén, amellyel a szilárd anyag eltávolítható. Ezt az eljárást iparilag ércfeldolgozásra vagy papír újrahasznosításra használják.
Mágneses elválasztás: A finoman elosztott ferromágneses részecskéket mágneses tér alkalmazásával lehet elválasztani. A mágneses elválasztókat például a geokémiában és a háztartási hulladék feldolgozásában használják.
Melyik elválasztási módszer mire alkalmas?
Az, hogy az egyes esetekben melyik elválasztási eljárás a legalkalmasabb, különféle tényezőktől függ, az egyik alapvető kérdés az, hogy szilárd vagy folyékony, vagy mindkettőt meg kell-e kapni végtermékként. Nem ritka, hogy több elválasztási módszert alkalmaznak, akár közvetlen kombinációként, akár több folyamat egymás után.
Például a folyamattechnikában nagy mennyiségű folyadékkal a szűrés előtt gyakran egyszerű ülepítést hajtanak végre, akár a folyadék előtisztítása, akár a szűrendő keverék koncentrálása céljából. Mivel a szűréshez számos lehetőség és különféle eszköz van a piacon, mind a laboratóriumi, mind az ipari léptékben, gyakran igényes feladat kiválasztani a megfelelő elválasztási folyamatot és a megfelelő berendezéseket, például a megfelelő szűrőtípust az adott elválasztási problémához.