Capitol 4a

7/26/2019 Capitol 4a

1/10

CAPITOLUL 4MEMBRANE LICHIDE

4.1 INTRODUCERE

Un domeniu aparte n cadrul proceselor de membran l constituiemembranele lichide. Procesele de separare utiliznd membrane lichide ii auoriginea n rezultatele extraciei lichid - lichid. Aceasta a cunoscut o maredezvoltare dup al doilea rzboi mondial epoc dup care necesitatea preparriiuraniului mbogit !proiectul "a nhat tan# a motivat $inanarea numeroaselor

cercetri. %copul acestor cercetri a $ost separarea puri$icarea i concentrareaionilor metalici i a substanelor organice existente n diverse soluii apoase. %ecunosc astzi aplicaiile industriale variate ale extraciei cum ar $i ra$inareahidrocarburilor hidrometalurgie tratamentul e$luenilor puri$icarea produilornaturali etc.Prin extracie pot $i tratate cantiti importante de soluii apoase e$icientaprocesului crescnd atunci cnd se opereaz n mai multe trepte. & treapt deextracie lichid - lichid presupune trecerea compusului de separat dintr-o $azlichid ' intr-o $az lichid ( nemiscibil cu prima. )ele dou $aze secontacteaz intim prin agitare apoi se separa n utila*e speci$ice. Prin nseriereamai multor utila*e n care se realizeaz agitarea i respectiv decantarea serealizeaz extracia n trepte. +xtracia este urmat de cele mai multe ori dereextracie !stripare# care se realizeaz n condiii asemntoare. Ast$el $aza

lichid ( rezultat de la extracie este pus n contact cu o $az lichid , !$ig. .'#.

Figura 4.1.Schema de separare prin extracie

n procesele de separare cu membrane lichide solvenii hidro$obi !$aza (#$ormeaz bariere selective ntre soluia apoas de alimentare !$aza '# i $azaapoas receptoare !$aza ,#. /n cazul membranelor lichide volumul de solvent $aza( utilizat pentru separare este mult mai mic comparativ cu extracia lichid - lichid.Procesele cu membrane lichide prezint comparativ cu extracia cu solveni ialte avanta*e care au condus la ampli$icarea cercetrilor n acest domeniu. Ast$elviteza de extracie n procesele cu membrane lichide este considerabil mai ridicat

64


2/10

dect n cazul extraciei convenionale conducnd la instalaii mai compacte lacosturi sczute de investiie reducerea cantitii de solvent utilizat pn la (0 1./n cazul extraciei clasice are loc un proces de echilibru care impune utilizareaunor solveni cu coe$icieni mari de distribuie n timp ce n procesul de separarecu membrane lichide se pot utiliza i solveni ce au coe$icieni de distribuiedeosebit de sczui. Aceast posibilitate de alegere permite evitarea solubilizriiapei n $aza organic problem care apare n mod deosebit n extracia $enoluluiutiliznd alcani superiori."odi$icarea chimic a purttorilor n scopul creterii solubilitii n $az organic iimplicit reducerea pierderilor n soluia apoas poate induce o scdereconcentraiei complexailor !purttorilor transportorilor# n cazul utilizriimembranelor lichide. Procesele cu membrane lichide sunt promitoare n moddeosebit n cazul tratrii soluiilor de alimentare $oarte diluate sau cnd se

urmrete separarea din soluii diluate a unor componeni valoroi !ioni aimetalelor nobile sau radioactive vitamine hormoni aminoacizi etc.#./n $uncie de modul de realizare membranele lichide pot $i2 membrane

lichide propriu-zise!tip celul sau de volum#3 membrane lichide pe suport sauimobilizate i membrane lichide emulsie !$ig. .(#.

a b c

dFig. 4.2. Tipuri de membrae !i"#ide.

a $ membrane lichide propriu-zise% b &i " - membrane lichide suportate%d $ membrane emulsie

4.2 MEMBRANE LICHIDE PROPRIU$'I(E

65


3/10

)onceptele tiinelor moderne s-au dezvoltat n buna msur inspirndu-se dinmodelele naturale. n acest sens s-a ncercat imitarea practic cat mai $idelposibil a acestor modele biologice o$erindu-se ast$el noi soluii practice nbene$iciul tehnicii i mai ales al tehnologiei moderne. Un ast$el de exemplupractic l constituie i membranele naturale i procesele ce au loc la nivelulacestora. Un prim pas n acest sens l-a constituit desluirea dar i ncercareade explicare a $uncionarii membranelor biologice i mai ales a constituenilormembranari. %-a trecut ulterior practic la ncercarea de 4imitare5 de dataaceasta 4in vitro5 a proceselor membranare naturale. Ast$el au aprutmembranele sintetice mai nti n laboratoarele de cercetare extinzndu-setreptat i n practica industrial.

6ndustria !$ie ea chimic petrochimic uoar sau chiar alimentar i$armaceutic# ca i medicina le-au 4adoptat5 $oarte rapid i le-au inclus cu

succes n diverse structuri i procese.7eoretic imaginea unei membrane sintetice apare sub $orma unui solid!de $oarte multe ori de natur polimeric# care prezint o aa numitpermeabilitate selectiv per$ormantele separrii pe care o realizeaz bazndu-se n principal pe di$erena de porozitate. )omplexitatea structural amembranelor sintetice ns este mult mai mare i ea deriv din implicareaacestora intr-o gam larg de procese. n $uncie de necesitatea separrilorimpuse s-au creat arhitecturi membranare variate avnd compoziii di$erite i nacelai timp deosebit de complexe.Ast$el membranele arti$iciale sunt solide lichide gazoase sau combinaii aleacestora. +le pot $i considerate geli$orme laminare sau cu dimensiuni cedepesc dimensiunile moleculare.8in punct de vedere al caracteristicilor$izico-chimice membranele sintetice lichide sunt considerate a $i expresia cea

mai simpl a 4mimrii5 modelelor naturale biologice.8in gama larg de membrane sintetice existente n acest capitol ne-ampropus s ne oprim doar la aceste membranele lichide. n acest capitol vomncerc s argumentam alegerea $cuta i s prezentm diverse tipuri demembrane lichide precum i unele procese ce se des$oar la nivelulacestora.Pentru o mai bun nelegere a noiunilor prezentate n acest capitol consideramca ar $i necesar s ne amintim !pe scurt# n primul rnd ce este o membranbiologic i care este rolul acesteia .

6n general membranele biologice se de$inesc ca structuri omniprezentece delimiteaz celulele ntre ele precum i organitele celulare !mitocondriinucleu cloroplaste lisosomi etc.# "a*oritatea membraneloe sunt alctuite din01 lipide i 901 proteine existnd o varietate apreciabil n *urul acestorvalori. )onstituenii lipidici i cei proteici sunt legai ntre ei prin interaciihidro$obe !in interiorul membranei# interaciile de tip polar mani$estndu-se lainter$eele cu mediile apoase.

:olul de compartimentare se datoreaz n special constituenilor lipidicicu structura am$i$ il care determin implicit cele dou pari !polar i nepolar#ale membranei.Acetia se dispun n mediul biologic de pre$erin sub $ormaunui strat dublu lipidic cu prile nepolare n interior iar cele polare orientatespre mediile apoase. Ast$el de auto-organizri genereaz vezicule ce nchid ninteriorul lor un mediu predominant polar separndu-l ast$el de un mediuexterior cu structur aproximativ similar. n timp ce compartimentarea estecondiia 4sine ;ua non5 de existen a celulei !sau a organielor# supravieuirea

66


4/10

i $uncionarea ei necesit un schimb permanent de materie energie iin$ormaii cu exteriorul !de care aceasta este separata prin membrane#. Acestschimb se poate realiza datorit constituenilor membranari."embrana este n general impermeabil pentru ma*oritatea moleculelor polaredeci pentru ma*oritatea metaboliilor si interni. )elulei vii i este totui necesaro gam larg de substane hrnitoare !pe care acesta le procur de regul dinmediul extracelular# care sunt ns de natur polar !ca de exemplu glucozaamino acizii etc.#. Pentru acestea celula i-a per$ecionat sisteme de transportdar i transportorii care pot transloca ast$el de compui prin membrana. Aadarsistemele de transport membranar $uncioneaz ca o 4poart5 lsnd sptrund n ambele direcii selectiv ins numai anumite substane de naturpolar. %-a observat ca aceste sisteme de transport pentru a $unciona normalnecesita o $or motrice care poate $i obinut $ie caloric sau ca rezultat al

variaiei ntre cele dou inter$ee membranare a unei proprieti $izico-chimice.& di$eren !pozitiv sau alt$el spus descresctoare# care apare ntre cele dou$ee ale unei membrane i care poate $i de concentraie temperatura p56n general putem considera ca membran sintetic orice barier

relativ subire interpus ntre dou $luide avnd capacitatea de a restricionatraversarea dintr-un $luid intr-altul !intr-un sens sau altul# a unuia sau chiar amai multor componente. "embranele lichide sunt alctuite aa cum le arata idenumirea din $aze lichide omogene sau eterogene hidro$obe sau hidro$ileemulsionate sau depuse pe diverse suporturi n $uncie de utilizarea acestora.

"embranele sintetice n general sunt implicate n procese de$racionare puri$icare sau concentrarea diverselor amestecuri. %eparrile

67


5/10

industriale au $cut apel la membrane datorita versatilitii i n acelai timp asimplitii lor constructive. )a pari componente a echipamentelor de$racionare n prezent per$ormanele membranelor concureaz cu succestradiionalele tehnici de separare !ca de exemplu2 $iltrarea distilarearecti$icarea adsorbia i absorbia#.

6ndustrial membranele lichide au avut iniial aplicaie relativ limitatele $iind mai des utilizate la nivelul laboratoarelor de cercetri i n practicapedagogic. 6ns datorit selectivitii lor deosebite au o e$icienta remarcabile$icien care este mult in$luenata de prezenta la nivelul acestora a unor speciichimice cu rol de cru. Acetia asemntor constituenilor membranaribiologici au un rol deosebit de important i datorita $aptului c sunt implicai nmecanismele de transport membranar mecanisme ce caracterizeaz de $aptprocesele membranare. Putem spune ca similar proceselor naturale care au loc

la nivelul membranei celulare !biologice# selectivitatea membranelor lichidesintetice se poate materializa prin intermediul mecanismului de transport i nun ultimul rnd i prin participarea cruilor ntr-un proces de recunoaterespeci$ic molecular. Aceti transportori se regsesc ndeosebi n cazultransportului $acilitat i cel activ.

Pentru a putea $unciona n parametrii prezii aceste membrane estenecesar s aib o stabilitate remarcabil.Prin urmare innd seama de principalul lor rol acela de compartimentareputem de$ini membranele ca $iind structuri interpuse ntre dou $aze miscibile nscopul $ie al $acilitrii $ie al ngreunrii sau chiar al mpiedicrii circulaiei unorcompui dintr-o $az n alta permitnd ast$el o separare a acestora.Avnd rolul unei bariere semipermeabile prin extinderea de$iniiei un lichidnemiscibil interpus ntre dou lichide miscibile poate reprezenta modelul cel mai

simplu de membran lichid.%istemele ce vor $i luate n discuie prezint anumite caracteristici comune. )elmai adesea faza membranar )M*este de natur hidro$ob ea comportndu-se ca o barier permselectiv situat ntre dou $aze apoase. Aceste $azeapoase au de regul denumiri 4consacrate5 i anume2 faza surs !F(# $azacare conine specia chimic ce urmeaz a $i transportat i respectiv fazreceptoare !FR# punct de destinaie al speciei transportate. Prin abordareaacestei nomenclaturi se identi$ic totodat i sensul procesului de transport.7raversarea membranei de ctre diversele specii decurge cu modi$icarea unorproprieti $izico-chimice ale mediului din imediata vecintate a membranei.=recvent prin includerea n membran a unor transportori !crui# se$aciliteaz trans$erul la nivelul acesteia simultan avnd loc i procese decupla* !de care este necesar a se ine seama#. +chilibrele realizate nmembran in$lueneaz nu numai compoziia chimic a acesteia dar i cineticachimic i $izic a transportului n ansamblu.8intre modelele membranare lichide aplicate n studiul de transport al unorspecii chimice cele mai $recvent ntlnite sunt2

- membranele lichide de tip celul3- membranele lichide suportate3- membranele lichide emulsionate3- membranele veziculare !membrane boimimetice#3

4.2.1. Tipuri de membrae !i"#ide

68


6/10


7/10

Agitator magnetic Agitator magnetic

Agitatoare mecanice Agitatoare mecanice

a b "

Figura 4.+.Tipuri de sisteme cu membrane lichide

6n $igura ., sunt prezentate schematic trei geometrii de membrane tipcelula. Alegerea uneia dintre arhitecturile a b sau c prezentate n $igura ., estecondiionat de2

natura $azei organice care constituie membrana cu odensitate mai mare dect a apei !cazurile a i b# respectivmai mica dect a apei !cazul c#3

scopul urmrit n experimentri respectiv $acilitareaprocesului de di$uzie i a celui de transport prin

membrana unor compui.%istemul membranar tri$azic este introdus n celule cu cele mai diversegeometrii2 tub n $orma de U @


8/10

Figura 4.4.Membrana lichid tip celula cu agitare prin curent de aer

- n $igura . este prezentat un exemplu practic de membran lichidtip celul cu patru $aze lichide a$late n contact dintre care una estemembranar. 6n exemplul practic prezentat mai *os exista trei $aze apoase i o$az membranar a$lat n contact cu cele trei $azeapoase. =aza sur$a F( vaconine un amestec de )o i Di. =aza receptoare !FR avnd un p< $oarte acidasigurat cu


9/10

Un alt mare inconvenient al acestor membrane este legat de contactul directntre $azele lichide nemiscibile care n anumite condiii !datorita compoziieiacestora# ar putea cu usurint s genereze emulsii nedorite greu de 4spart5.Acestea au $ost doar cteva din argumentele care au stat la baza descoperirii imai ales ale crerii de noi tipuri de membrane lichide.

Primele membrane lichide n volum !propriu-zise sau tip celula# au $ostutilizate n chimia organica pentru evidenierea catalizei prin trans$er inter$azic.Aceste membrane sunt constituite dintr-o $az organica de regula mai densadect apa interpusa ntre dou $aze apoase !$igura .(. a#. =aza apoasa careconine specii ce urmeaz a $i transportate se numete $az sursa iar $aza apoasacare primete speciile transportate se numete $az acceptore sau receptoare. ninteriorul membranei pot $i dizolvai sau nu transportori.=ora motrice care asigura transportul inter$azic este un gradient de potenial

chimic i poate $i exprimata n termeni de concentraie. %epararea are loc datoritadi$erenei de solubilitate i di$uzivitate a speciilor chimice de separat n $ilmul delichid.

"icorarea e$ectelor volumului membranelor tip celula se poate asigura n

practica pe dou cai2-micorarea grosimii membranei3-realizarea unui transport convectiv.

:educerea grosimii membranei a condus la conceperea de noi variantede membrane lichide2 imobilizate pe un suport poros !$ig. .(. b# ntre dou $ilmeneporoase dar permeabile i neselective !$ig. .(.c# i membrane emulsie !$ig..(.d#.%istemele membranare enumerate mbuntesc raportul :A?U ntre volumul $azei

apoase i cel al $azei organice2 :A?U membrane propriu-zise G :A?U membrane suportate G :A?U membraneemulsie

)reterea raportului :A?Uconduce la consum mai mic de $az organicareducerea pierderilor de solvent i ndeosebi de purttor.

%upra$aa !%# prin care se realizeaz trans$erul de masa al specieichimice !P# creste n ordinea2

% membrane propriu-zise G % membrane pe suport G % membrane emulsie

Avanta*ele creterii per$ormantelor de trans$er de masa pentru noile tipuride membrane sunt limitate de creterea instabilitatii !t# a sistemului membranar2

t membrane emulsie H t membrane pe suport H t membrane propriu-zise

:ealizarea transportului convectiv a determinat construcia unor sistemecu membrane din ce n ce mai variate !$ig. .9# celula tip 4B&U6%53 pertractorul cudiscuri rotative3 pertractorul cu recirculare de $aze i tuburi poroase.

72


10/10

Figura 4.-.Modaliti constructive pentru realizarea membranelor lichide propriu-zisea- celula cu cilindri concentrici% b- celula tip LO!S"# "- pertractorul curecirculare de faze $i tuburi poroase# d- pertractorul cu discuri rotative%

ariantele constructive ale sistemului cu membrane lichide n volum

dei au permis utilizarea unor $aze organice mai puin dense ca apa !$ig. .9 b#

i au mrit mult trans$erul convectiv !$ig. .9 c i d# nu au condus la

micorarea volumului $azei organice $iind din acest motiv inacceptabile

tehnologic.

"embranele lichide n volum sunt utilizate n experimentele de

laborator in special pentru determinarea per$ormantelor purttorilor!transportorilor sau carausilor#. 8eterminarea caracteristicilor prtatorilor este

eseniala deoarece acetia *oaca un rol important n procesele cu membrane

lichide asigurnd2 selectivitatea speci$icitatea transportul $acilitat i e$iciena

separrii.

73

Capitol 4a

Documents

Transcript of Capitol 4a