Proces oddelenia suspenzií - Reichelt Chemietechnik Magazin
Každá látka, ktorá nie je čistou látkou, je zmesou látok. Pretože len veľmi málo vecí, ktoré nás obklopujú, sú čisté látky, je separácia zmesí látok samozrejme každodennou úlohou v chemických laboratóriách a tiež vo veľkom rozsahu v chemickom priemysle.
Jednou z najbežnejších zmesí látok je suspenzia. Predstavuje heterogénnu zmes kvapalných a nerozpustených jemne rozptýlených tuhých častíc. V tomto článku uvádzame prehľad rôznych možností separácie pevných látok z kvapalín.
Ako môžete ďalej rozdeliť zmesi látok?
Zmesi látok sa delia na heterogénne alebo viacfázové a homogénne alebo jednofázové zmesi. Heterogénne zmesi sú tiež známe ako disperzie. Zostavili sme prehľad najdôležitejších zmesí materiálov v tabuľke.
Oranžová = heterogénna, modrá = homogénna
Heterogénne zmesi je možné separovať pomocou mechanických metód, čo pre homogénne zmesi nie je možné. Zmes látok môže samozrejme pozostávať aj z viac ako dvoch základných látok. Na ich rozlíšenie sa nazývajú binárne (dve látky), terciárne atď. Spravidla sa kvôli ľahšej implementácii najskôr oddelia heterogénne zložky a potom homogénne zložky.
Sedimentácia - použitie gravitácie
Pravdepodobne najjednoduchšou metódou na oddelenie suspenzie je sedimentácia. Dve fázy sa získajú usadením pevnej látky a kvapalina sa potom môže odstrániť, napríklad dekantáciou.
Rýchlosť sedimentácie závisí od viskozity kvapaliny, veľkosti pevných častíc a hustoty častíc, a preto môže tento separačný proces trvať dlho. Na sedimentáciu sa priemyselne používajú veľké systémy alebo nádrže. Tieto sa nazývajú - v závislosti od toho, či chcete extrahovať kvapalinu alebo pevnú látku - čistič alebo zahusťovadlo.
Odstredenie - použitie rozdielov hustoty a odstredivej sily
Odstredenie je vhodné na urýchlenie fázovej separácie. Otáčaním okolo pevnej osi sa pomocou odstredivej sily oddeľujú obsiahnuté čisté látky podľa ich hustoty, pričom látka s najvyššou hustotou sa zhromažďuje najďalej od osi otáčania. Odstreďovaním sa neoddeľujú iba suspenzie, ale aj emulzie a zmesi plynov. Laboratórne odstredivky nájdete v mnohých laboratóriách chemických a lekárskych technológií. Vhodné centrifugačné skúmavky sú k dispozícii ako vložené nádoby. Pretože musia odolávať silným silám, sú tieto laboratórne kontajnery vyrobené buď z vystuženého skla, alebo ako jednorazové kontajnery z plastov, ako je polypropylén (PP).
Pri prevádzke centrifúgy je potrebné poznamenať, že je obzvlášť dôležité pri vysokých otáčkach nastaviť protizávažie s hmotnosťou, ktorá je čo najviac podobná vzorke, ktorá sa má centrifugovať, aby sa zabránilo nerovnováhe. Takzvané ultracentrifúgy dosahujú až 500 000 otáčok za minútu (tiež otáčky za minútu, otáčky za minútu). Pri takýchto vysokých rýchlostiach sa odstredivá komora evakuuje, aby sa minimalizovalo trenie vzduchu. Po separácii je možné kvapalinu nad usadeninou odstrániť, napríklad dekantáciou. Vo veľkom sa používajú separátory, ktoré v zásade fungujú ako odstredivka. Nemajú vložené nádoby, ale fungujú ako práčka s bubnom bez otvorov. Rovnako ako v prípade centrifúgy sa suspenzia separuje podľa svojej hustoty.
Existujú odlučovače, ktoré pracujú nepretržite, čo znamená, že suspenzia je neustále privádzaná cez vstup a oddelené pevné látky a kvapalina sú odvádzané cez výstupy. Špeciálnym kontinuálnym odlučovačom je hydrocyklón, odstredivý odlučovač emulzií a suspenzií, v ktorom sa neotáča bubon, ale namiesto toho sa v suspenzii vytvárajú víry.
Filtrácia
Jednou z najdôležitejších metód separácie suspenzií je filtrácia, pretože je veľmi jednoduchá a efektívna. Využitím skutočnosti, že tuhé látky nad určitú veľkosť nemôžu prechádzať cez póry filtra, sú mechanicky oddelené od suspenzie. Základné rozlíšenie sa robí medzi povrchovými a hĺbkovými filtrami. Pomocou hĺbkovej filtrácie sa pevné látky, ktoré sa majú oddeliť, zhromažďujú vo vnútri pórovitého filtračného média. Naproti tomu povrchová filtrácia využíva sitový efekt, takže filtrát a pevná látka sú oddelené na jednom povrchu. Najčastejšie v laboratóriu používaný separačný proces, filtrácia koláča, vytvára na filtri zvyšok, takzvaný filtračný koláč.
Existuje celý rad filtračných médií, z ktorých sú v chemickom laboratóriu najbežnejšie membránové filtre. Filtračné membrány môžu pozostávať z papiera, plastových fólií alebo textilných látok. Najjednoduchšou štruktúrou pre filtráciu je držiak papierového filtra s lievikom, pomocou ktorého sa pomocou gravitácie oddeľuje filtračný koláč a filtrát. Použitím pretlaku na strane prítoku alebo podtlaku na strane odtoku sa dá rýchlosť separácie výrazne urýchliť.
Jednoduchým príkladom z laboratória sú striekačkové filtre (pretlak) alebo Büchnerove lieviky v kombinácii s sacou fľašou (vákuum). Tento separačný proces sa samozrejme dá použiť nielen ako dávkový, ale aj kontinuálne pri nízkych koncentráciách tuhej látky, napríklad pri použití prietokových filtrov.
Ďalšou formou povrchovej filtrácie je priečna filtrácia. Médium, ktoré sa má filtrovať, sa čerpá rovnobežne s filtrom, čo zabraňuje hromadeniu filtračného koláča. Tuhá látka nie je úplne zbavená kvapaliny, ale je iba zahustená. Napríklad priemyselne sa používajú filtračné lisy, ktoré pozostávajú z filtračných dosiek v rade a sú pokryté filtračnými tkaninami. Stlačením sa kvapalina vytlačí, zatiaľ čo tuhá látka zostane a potom sa môže vyprázdniť.
Filtračná odstredivka je kombináciou odstreďovania a filtrácie, pričom rozdiel v hustote nie je pre separáciu rozhodujúci. Odstredivá sila vytvára pretlak, ktorý tlačí kvapalinu cez filter. Pre laboratórnu odstredivku sú k dispozícii špeciálne filtračné vložky, ktoré umožňujú odstredenie filtra aj v malom rozsahu. Ak je ťažké odfiltrovať častice, pretože sú príliš malé alebo sú koloidné rozpustené, je možné pridať flokulanty. S ich pomocou sa podporuje aglomerácia častíc, a tým sa zabráni tomu, aby filtrát stále obsahoval pevné látky. V prípade pevných látok, ktoré sa ťažko filtrujú, ako je napríklad kal, sa často používajú filtračné prostriedky, napríklad na uvoľnenie filtračného koláča. Typickými pomocnými látkami filtra sú kremelina, celulóza alebo perlit.
Iné metódy separácie
destilácia: Nemechanickou možnosťou, ktorá je vhodná nielen pre roztoky, ale aj pre suspenzie, je destilácia. Spravidla však destilácia nie je metódou voľby, pretože si vyžaduje väčšie množstvo práce a je energeticky náročná.
Flotácia: Plynové bubliny zvlášť dobre priľnú k hydrofóbnym časticiam, čo znamená, že sú nadnášané a plávajú na povrchu kvapaliny ako pena, pomocou ktorej je možné odstrániť pevnú látku. Tento proces sa priemyselne využíva na spracovanie rúd alebo na recykláciu papiera.
Magnetická separácia: Jemne rozdelené feromagnetické častice je možné oddeliť pôsobením magnetického poľa. Magnetické separátory sa používajú napríklad v geochémii a pri spracovaní domáceho odpadu.
Ktorá metóda separácie je na čo najvhodnejšia?
Ktorý separačný proces je pre každý jednotlivý prípad najvhodnejší, závisí od rôznych faktorov, jednou zo základných otázok je, či by sa ako konečný produkt mal získať tuhý alebo kvapalný produkt alebo oboje. Nie je nezvyčajné použiť niekoľko metód separácie, a to buď ako priamu kombináciu, alebo ako postupnosť niekoľkých postupov za sebou.
Napríklad v procesnom inžinierstve s veľkým množstvom kvapaliny sa pred filtráciou často vykonáva jednoduchá sedimentácia, a to buď na predčistenie kvapaliny, alebo na zahustenie zmesi, ktorá sa má filtrovať. Pretože na trhu existuje veľké množstvo možností a rôznych prístrojov na filtráciu, a to ako pre laboratórium, tak aj pre technický priemysel veľkého rozsahu, je často náročnou úlohou zvoliť vhodný separačný proces a správne zariadenie, ako je správny typ filtra, pre príslušný problém separácie.