Ugrás a tartalomhoz

Diffúziós műveletek

Dr. Gulyás Lajos (2011)

1. fejezet - Anyagátadási alapfogalmak

1. fejezet - Anyagátadási alapfogalmak

A környezetben és a környezetvédelemben végbemenő transzportfolyamatok jelentős része kapcsolatban van a diffúzióval. Ezekben a műveletekben anyag megy át az egyik fázisból a másik fázisba, az egymással érintkező, fázisok közötti határfelületen keresztül. Ezeket a műveleteket anyagátbocsátási vagy diffúziós műveleteknek nevezzük. A diffúziós műveleteknél egy anyagnak egy másikba való áthaladása a fázishatáron keresztül, rendszerint molekuláris méretekben történik. Amikor például víz párolog egy tóból, a vízfelszín fölött áramló levegőbe vízgőzmolekulák diffundálnak a felszínen elhelyezkedő gázmolekulákon keresztül a levegő főtömegébe, ahonnét diffúzióval vagy magával a levegőárammal távoznak. A széntüzelésű erőművekben a szén kéntartalma kéndioxiddá ég el, amit környezetvédelmi okok miatt sem engedhetünk a környezetbe, hanem valamilyen diffúziós módszerrel, például abszorpcióval el kell távolítani. A diffúziós műveletek megvalósíthatók elegyedő fázisok között is, ha például a két fázist féligáteresztő membránnal választjuk el egymástól. Ezeket a műveleteket membránműveleteknek nevezzük.

1.1. A diffúziós műveletek osztályozása

A diffúziós műveletek szilárd-, folyadék- és gáz halmazállapotú fázisok között mehet végbe. A három halmazállapotból hat érintkeztetési lehetőség vezethető le: gáz-gáz, gáz-folyadék, gáz-szilárd, folyadék-folyadék, folyadék-szilárd és szilárd-szilárd.Gáz-gáz rendszer a gyakorlatban nem valósítható meg, mivel a gázok egymással korlátlanul elegyednek.

1.1.1. Gáz-folyadék rendszerek

A gáz-folyadék rendszereknél az oldatok minden komponense nincsen jelen mérhető mennyiségben a gáz- és a folyadékfázisban. Ha a folyadékfázis tiszta, azaz egykomponensű folyadék, míg a gáz két- vagy többkomponensű, a művelet neve a diffúzió irányától függően nedvesítés vagy nedvesség-elvonás. Például ha száraz levegőt vízzel hozunk érintkezésbe, a víz egy része el fog párologni a levegőbe, a levegő páratartalma megnő. Megfordítva, nagyon nedves levegő érintkeztetése tiszta vízzel, a levegőben levő nedvesség egy részének lecsapódását eredményezheti, így nedvesség elvonása történik levegőből. Mindkét esetben a vízben oldott levegő mennyisége viszonylag kicsi, és gyakorlati szempontból feltételezhető, hogy csak a vízgőz diffundál egyik fázisból a másikba. Lehetséges olyan eset is, amelyben mindkét fázis oldat, de csak egy közös komponensük van, amely megoszlik a két fázis között. Ha például sósav és levegő elegye vízzel érintkezik, a sósav nagy mennyiségben oldódik a vízben, míg a levegő oldódása viszonylag kismértékű, ilyen módon a levegő-sósav elegy szétválasztható. Ennek a műveletnek a neve gázabszorpció. A fordított esetben viszont, ha tiszta levegőt hozunk érintkezésbe sósav vizes oldatával, a sósav egy része kilép a folyadékfázisból a gázfázisba. Ez a művelet a deszorpció. A felsorolás kedvéért megemlíthetjük azt az esetet, amelyben a gázfázis egykomponensű és a folyadékfázis tartalmazza az összes komponenseket. Ilyen eset egy vizes sóoldat bepárlása. Itt a gázfázis csak vízgőzt tartalmaz, mivel a só gyakorlatilag nem illékony. Ennek a műveletnek a lefolyása nem függ a koncentrációgradienstől, csak a forrásban levő oldatnak átadott hőmennyiségtől, így nem tekinthetjük diffúziós műveletnek.

1.1.2. Gőz-folyadék rendszerek

Ha a rendszer minden komponense mérhető mennyiségben fordul elő mindkét fázisban, és a műveletben a gőzfázis a folyadékfázisból keletkezik hő hozzávezetése útján, akkor a művelet neve desztilláció. Például alkohol és víz oldatát melegítéssel részben elpárologtatjuk, a keletkezett gőzfázis és a maradék folyadék is tartalmaz alkoholt is és vizet is, de egymástól és az eredeti oldattól is eltérő arányban. Ha a keletkezett gőzt és a maradék folyadékot fizikai úton szétválasztjuk, és a gőzt kondenzáltatjuk, két oldatot kapunk, amelyek közül az egyiknek magasabb, a másiknak alacsonyabb az alkoholtartalma. Ezen az úton az eredeti két komponenst bizonyos mértékig szétválasztottuk. Fordítva, ha egy kétkomponensű gőzelegyet részlegesen kondenzálunk, a keletkező folyadékfázis és a maradék gőz összetétele eltérő lesz. Mindkét esetben a két komponensnek a fázisok közötti kölcsönös diffúziója határozza meg a fázisok végleges összetételét.

1.1.3. Gáz-szilárd rendszerek

A gáz-szilárd rendszerek kategóriába tartozó műveleteket szintén célszerű az egyes fázisokban jelenlevő komponensek száma szerint osztályozni. Ha egy szilárd oldatot folyadékfázis közbejötte nélkül részlegesen elpárologtatunk, a keletkezett gőzfázis és a maradék szilárd fázis is tartalmazza az eredeti komponenseket, de különböző arányban. Ez a művelet a részleges szublimálás. Hasonlóan a desztilláláshoz, a végleges összetétel itt is a komponenseknek a fázisok közötti kölcsönös diffúziója útján áll be. Ezt a műveletet a gyakorlatban ritkán használják, mert a szilárd fázis kezelése ilyen feltételek mellett kényelmetlen.

Valamennyi komponens általában nem lehet jelen mindkét fázisban. Ha egy illékony folyadékkal nedvesített szilárd anyag viszonylag száraz gázzal érintkezik, a folyadék a szilárd anyagból a gázfázisba diffundál. Ezt a műveletet lehet szárítás vagy deszorpció. Ilyen lehet a nedvesség eltávolítása száraz levegővel a leszűrt kristályos anyagból. Ebben az esetben a diffúzió a szilárd fázisból a gázfázisba irányul. Ha viszont a diffúzió az ellenkező irányba megy végbe a művelet neve adszorpció. Ha például vízgőz és levegő elegyét száraz szilikagéllel érintkeztetjük, a vízgőz a szilárd anyag felületére diffundál, ott megkötődik, és így a levegő megszárítható. Lehetséges olyan eset is, amelyben a gázelegy többkomponensű és a komponensek mindegyike adszorbeálódik egy szilárd anyagon, de különböző mértékben, akkor az elválasztást frakcionált adszorpciónak nevezzük. Például propán és propilén gázelegye aktív szénnel érintkezik, mindkét szénhidrogén adszorbeálódik, de különböző mértékben, és így a gázelegy szétválasztható.

1.1.4. Folyadék-folyadék rendszerek

Két egymásban nem oldódó folyadékfázis érintkezésével járó szétválasztó műveleteket folyadék extrakciónak nevezzük. Egyszerű példa egy laboratóriumi gyakorlat, ahol vizes jódoldatot választótölcsérben széntetrakloriddal összerázzuk és utána a folyadékokat ülepedni hagyjuk. A széntetrakloridos fázisban nagy mennyiségű jódot találunk, amely a vizes fázisból ment át. A vízből egy kis mennyiség szintén oldódik a széntetrakloridban, és egy kevés széntetraklorid is oldódik a vízben, de ezek viszonylag nem számottevőek. A folyadék extrakció egy másik alkalmazása, amikor például ecetsav és aceton oldatát választjuk szét a víz és a széntetraklorid nem elegyedő keverékével történő extrakcióval. Ülepítés után mindkét folyadékfázisban találunk acetont és ecetsavat is, de különböző arányban. Ezt a műveletet frakcionált extrakciónak nevezzük.

1.1.5. Folyadék-szilárd rendszer

Ha a folyadék és a szilárd fázis is valamennyi komponenst tartalmazza, csak különböző arányban, akkor a szétválasztás lehetséges a folyadék frakcionált kristályosításával is. A műveletet ritkán alkalmazzák, mert a szilárd fázis kezelése nehézkes és a diffúzió a szilárd fázisban lassú. Egy szilárd elegy egyik komponensének kioldása szelektív oldószerrel a kilúgzás, kioldás, vagy szilárd-folyadék extrakció. Példaként megemlíthetjük az arany kioldását érceiből cianid oldatokkal, vagy az olaj extrahálását olajos magvakból hexánnal. (A cianidot tartalmazó szennyvíz okozta a Tisza élővilágában bekövetkezett katasztrófát). Hasonló mindennapi példa a kávéfőzés vagy a tea készítése. A diffúzió természetesen a szilárd fázisból a folyadékfázisba irányul. Ha a diffúzió az ellenkező irányba megy végbe, a művelet neve adszorpció. Például a nyers cukoroldatból a szennyező színes anyagok eltávolíthatók, ha az oldatot aktív szénnel hozzuk érintkezésbe, szakzsargonban aktív szénnel derítjük. Ekkor a színezőanyagok a szilárd aktív szén felületén megkötődnek. Ha például szilárd anyagot oldott állapotban tartalmazó oldatból egykomponensű szilárd anyagot választunk le, akkor az elválasztási műveletet kristályosításnak nevezzük. A gyakorlatban ezt a folyamatot rendszerint úgy alkalmazzák, hogy a művelet eredménye főleg az átadott hőmennyiség függvénye, és maga a művelet csak indirekt módon függ a koncentrációgradienstől. A kristályosítás fordított művelete az oldás. Ebben a csoportban nem ismeretes az egykomponensű folyadékfázist tartalmazó művelet.

Szilárd-szilárd rendszerek kategóriában nincs ipari szétválasztó művelet, mert a szilárd fázisok között a diffúzió sebessége rendkívül kicsi.