Tehnologii generale - bilanț de materiale

Să se întocmească bilanţul de materiale în formă tabelară şi grafică a utilajului principal a întregului flux tehnologic în procesul de obţinere a 3000kg /h apă reziduală prin procedeul de electroosmoză , concentraţia de sare în apă este de 850 mg/l de NaCl.

Capitolul I

1.1Scurt istoric

Osmoza este un fenomen de curgere a apei prin membrane semipermeabile care blochează transportul sărurilor sau a altor soluţii prin ea.Osmoza este un efect fundamental în sistemele biologice , se aplică la purificarea apei şi desalinizare tratarea rezidurilor şi în multe alte procese chimice şi biochimice de laborator

Când două volume de apă sau alt solvent , sunt separate de o membrană semipermeabilă apa va curge din partea cu soluţie de concentraţie mică spre partea de soluţie cu concentraţie maximă Curgerea poate fi oprită sau chiar inversată prin aplicarea unei presiuni externe pe partea cu concentraţie mai mare În acest caz fenomenul se numeşte osmoză inversă

Dacă sunt molecule de substanţă dizolvată numai într-o parte a sistemului atunci presiunea care opreşte curgerea este numită presiune osmotică

Mişcarea unei molecule de substanţă dizolvată în solvent este izolată de moleculele solventului care o înconjoară De fapt mişcarea soluţiei este determinată de fluctuaţiile coliziunilor cu moleculele solventului din apropiere Totuşi media frecvenţei căldurii moleculei este aceeaşi ca şi când ar fi fost liberă într-un gaz [1]

De câte ori o deplasare a soluţiei este blocată de un perete îi va transfera momentul şi deci va genera presiune asupra lui De vreme ce frecvenţa este aceea cu a molecule moleculei libere , presiunea va fi aceeaşi cu a gazului ideal şi aceeaşi cu concentraţia moleculei Deci presiunea osmotică se calculează cu formula lui Hoff

P=cRT

Unde : c= concentraţia soluţiei molare

R= constanta gazului

T= temperatura absolută

Această formulă este aceeaşi cu cea a gazului ideal

În figura 1 se arată legătura vaselor separate de o membrană semipermeabilă. Dacă în sistem e doar apă în apă nivelul va fi acelaşi de ambele părţi Când soluţia moleculară este adăugată într-o parte , apa va începe să crească în această parte şi va scădea în cealaltă parte iar sistemul se va echilibra când presiunea osmotică este echilibrată de presiunea hidrostatică, generată de diferenţa dintre nivelul apei.

CRT =rh

Unde :r= greutatea specifică a apei

Legile conservării energiei şi tendinţa de mişcare cere ca de câte ori particulele se ciocnesc de un perete mişcător ele vor schimba direcţia şi vor creşte sau descreşte viteza lor. Astfel ele transportă împreună energia de mişcare şi energia prin perete.

Deci procesul coeziunilor elastice împreună cu mişcarea peretelui şi alături de energia cinetică microscopică a particulei formează mecanismul de transformare a energiei în lucru mecanic macroscopic. [1]

În soluţie moleculele generează presiunea osmotică în toată soluţia şi la margini şi cuprinde şi membrana,dar când apa trece în cea de-a doua parte şi presiunea se mişcă liber suprafaţa soluţiei este împinsă în sus şi asfel este responsabilă de trecerea apei de cealaltă parte.

Această discuţie despre mecanismul trecerii, de obicei nu apare în literatură doar puţin la fenomenul de osmoză. Efectele presiunii osmotice la suprafaţa liberă a soluţiei a fost tratată pentru prima dată de Hulett în 1902 dar I sa acordat puţină atenţie. El aparent a avut prea puţini susţinători de atunci în coace.

Osmoza este un proces termodinamic reversibil. Această direcţie de trecere a apei prin membrană , poate fi reversibilă în orice moment prin controlul presiunii exterioare a soluţiei. Contrar acesteia procesul de amestecare a zahărului într-o ceaşcă cu ceai este un proces termodinamic ireversibil.

Ce este electro-osmoza ?

Când electrozii sunt plasaţi într-un amestec de argilă şi un curent direct este aplicat, apa aflată în spaţiul porului argilei este transportată la electrodul încărcat catodic de către electro-osmoză. Transportul electro-osmotic al apei prin argilă este rezultatul stratului dublu şi difuzia de cationi în porii argilei , fiind atraşi la electrodul încărcat negativ sau la catod. Pentru că aceşti cationi se îndreaptă spre catod aduc cu el moleculele de apă care pâlcâie in jurul cationilor ca consecvenţă a naturii lor dipolare În plus dâra fricţionară a acestor molecule care se mişcă spre porii argilei ajută transportul adiţional al apei spre catod.Efectul macroscopic este o reducere a conţinutului apei la anod şi o creştere a apei din argilă la catod. În particular apa nefolosită apare la interfaţa dintre argilă şi suprafaţa catodului. Acest exces de apă nefolosită la catod are efecte de ungere. [2]

1.2 Mecanismul de producere a fenomenului

Laboratorul simulărilor moleculare se ocupă cu studiul simulărilor pe calculator pentru a investiga procesele de separare a membranei (în special osmoza inversă şi electro-osmoza ) atât pentru lichide cât şi pentru soluţii gazoase Un nou algoritm a fost dezvoltat pentru studii la nivel moleculelor de fluide în mod limitat , dar şi membrane semipermeabile

Multe probleme legate de membrane pot fi rezolvate doar dacă natura moleculară a acestor membrane este examinată S-a folosit un algoritm pentru a obţine multe proprietăţi macroscopice ale sistemelor asemeni soluţiilor acvatice şi metanolice ale electroliţilor variaţi şi multe sisteme model

Separarea , concentrarea şi purificarea speciilor chimice prezente în amestec este o problemă majoră în industria chimică Tehnicile de separare a masei convenţionale în ultimii ani au fost înlocuite de o clasă de procese ce utilizează membrane semipermeabile ca bariere de separare Procesele de separare cu membrană sunt rezultatul diferenţelor în rata transportului de specii chimice prin interfaţa membranei

Osmoza inversă este un astfel de proces care poate fi folosit ca mijloc foarte eficient de separare A fost folosită în desalinizare şi purificarea apei , în tratamentul cu apă (în special apă conţinând contaminanţi chimici şi radioactivi , care sunt pe altă parte greu de înlăturat ) , dar şi multe procese de separare legate de produsele alimentare şi biotehnologie

Rata transportului de diferite particule prin membrană este determinată de forţa conducătoare pe componente , de mobilitatea lor şi de concentrarea în interfază Factorul principal ce determină separarea folosind osmoza inversă este numărul de molecule şi de interacţiuni moleculare ale componenţilor cu membrană semipermeabilă Din momentul în care acestea diferă semnificativ , pot fi folosite ca mijloc de separare a componentelor care sunt greu de separat

În prezent aplicaţiile membranelor sunt încă afectate de costurile mari şi de deficienţelor în performanţa membranei , şi de incapacitatea de a determina corect gradul de separare Totuşi multe metode teoretice sunt utilizate pentru a explica şi corela observaţii experimentale în osmoza inversă , ele nu pot fi folosite pentru a răspunde la mai multe întrebuinţări fundamentale O mai bună înţelegere la nivel molecular (folosind tehnici ca dinamica moleculară şi simularea Carlo ) este nevoie a se adresa unor probleme ca transferul de amestec şi polarizarea concentraţiei şi efectele lor corespunzătoare asupra selectivităţii , permeabilităţii şi durabilităţii membranei