Процес розділення суспензій - Reichelt Chemietechnik Magazin
Кожна речовина, яка не є чистою речовиною, є сумішшю речовин. Оскільки дуже мало речей, що оточують нас, є чистими речовинами, поділ сумішей речовин, звичайно, є щоденним завданням у хімічних лабораторіях, а також у великих масштабах у хімічній промисловості.
Однією з найпоширеніших сумішей речовин є суспензія. Він являє собою неоднорідну суміш рідини та нерозчинених, дрібно розділених твердих частинок.У цій статті ми даємо огляд різних варіантів відділення твердих речовин від рідин.
Як можна поділити суміші речовин?
Суміші речовин поділяють на гетерогенні або багатофазні та однорідні або однофазні суміші. Неоднорідні суміші також відомі як дисперсії. Ми зібрали огляд найважливіших сумішей матеріалів у таблиці.
Помаранчевий = неоднорідний, синій = однорідний
Неоднорідні суміші можна розділити за допомогою механічних методів, тоді як для однорідних сумішей це неможливо. Звичайно, суміш речовин може також складатися з більш ніж двох основних речовин. Для їх розрізнення їх називають бінарними (дві речовини), третинними тощо. Як правило, для спрощення реалізації неоднорідні компоненти спочатку відокремлюють, а потім однорідні.
Седиментація - використання сили тяжіння
Мабуть, найпростішим способом виділення суспензії є осадження. Дозволяючи твердому речовині осісти, отримують дві фази, і рідина потім може бути видалена, наприклад, декантацією.
Швидкість осідання залежить від в'язкості рідини, розміру твердих частинок і щільності частинок, саме тому цей процес поділу може зайняти тривалий час. Великі системи або басейни промислово використовуються для осадження. Вони називаються - залежно від того, чи ви хочете витягти рідину або тверду речовину - освітлювачем або загусником.
Центрифугування - використання різниці щільності та відцентрової сили
Центрифугування підходить для прискорення поділу фаз. Обертаючись навколо нерухомої осі, відцентрова сила використовується для відокремлення вміщених чистих речовин відповідно до їх щільності, завдяки чому речовина з найбільшою щільністю збирається найдальше від осі обертання. Центрифугування може не тільки відокремлювати суспензії, але також емульсії та газові суміші. Лабораторні центрифуги можна знайти у багатьох лабораторіях хімічної та медичної техніки. Відповідні пробірки для центрифуг доступні як посудини для вставки. Оскільки вони повинні витримувати сильні сили, ці лабораторні контейнери виготовляються або із армованого скла, або у вигляді одноразових контейнерів із таких пластмас, як поліпропілен (PP).
Під час роботи центрифуги слід зазначити, що важливо, особливо при високих швидкостях обертання, встановити противагу з вагою, максимально схожою на зразок для центрифугування, щоб уникнути дисбалансу. Так звані ультрацентрифуги досягають 500000 об/хв (також об/хв, оберти в хвилину). При таких високих швидкостях камера центрифуги евакуюється, щоб мінімізувати тертя повітря. Після відділення надосадову рідину можна видалити, наприклад, декантацією. У великих масштабах застосовуються сепаратори, які в принципі функціонують як центрифуга. Вони не мають вставлених контейнерів, але працюють як пральна машина з барабаном без отворів. Як і у центрифуги, суспензія відокремлюється відповідно до її щільності.
Є сепаратори, які працюють безперервно, а це означає, що суспензія постійно подається через вхідний отвір, а відокремлена тверда речовина та рідина видаляються через вихідні отвори. Спеціальним безперервним сепаратором є гідроциклон, відцентровий сепаратор для емульсій та суспензій, у якому барабан не обертається, а натомість у суспензії утворюються вихори.
Фільтрація
Одним з найважливіших методів розділення суспензій є фільтрація, оскільки вона дуже проста та ефективна. Скориставшись тим, що тверді речовини вище певного розміру не можуть пройти через пори фільтра, вони механічно відокремлюються від суспензії. Основна різниця між поверхневими та глибинними фільтрами. При глибокій фільтрації тверді речовини, що підлягають відділенню, збираються всередині пористого фільтруючого середовища. На відміну від поверхневої фільтрації використовується ефект сита, завдяки чому фільтрат і тверді речовини розділяються на одній поверхні. Процес розділення, який найчастіше використовується в лабораторії, фільтрація осаду, створює залишок на фільтрі, так званий фільтрувальний осад.
Існує безліч фільтруючих середовищ, з яких мембранні фільтри є найбільш поширеними в хімічній лабораторії. Фільтруючі мембрани можуть складатися з паперу, пластикових плівок або текстильних тканин. Найпростіша конструкція для фільтрації - це тримач для паперового фільтра з лійкою, в якій за допомогою сили тяжіння відокремлюється макуха та фільтрат. Застосовуючи надлишковий тиск з боку припливу або вакуум з боку стоку, швидкість сепарації може бути значно прискорена.
Простими прикладами з лабораторії є шприцеві фільтри (позитивний тиск) або лійки Бюхнера в поєднанні з всмоктувальною пляшкою (вакуум). Звичайно, цей процес розділення може використовуватися не тільки як періодичний, але й постійно при низьких концентраціях твердих речовин, наприклад, при використанні потокових фільтрів.
Іншою формою поверхневої фільтрації є фільтрація поперечним потоком. Відфільтроване середовище перекачується паралельно фільтру, що запобігає накопиченню осаду на фільтрі. Тверда речовина повністю не звільняється від рідини, а лише згущується. Наприклад, промислові використовуються фільтр-преси, які складаються з вишикуваних фільтруючих пластин і покриті фільтрувальними полотнами. Шляхом стиснення рідина виштовхується, а тверда речовина залишається, яку потім можна спорожнити.
Фільтр-центрифуга являє собою комбінацію центрифугування та фільтрації, завдяки чому різниця в щільності не є визначальною для поділу. Відцентрова сила створює надлишковий тиск, який штовхає рідину через фільтр. Для лабораторної центрифуги доступні спеціальні фільтрувальні вставки, які роблять фільтрувальне центрифугування можливим навіть у невеликих масштабах. Якщо частинки важко відфільтрувати, оскільки вони занадто дрібні або розчинені колоїдним способом, можна додати флокулянти. З їх допомогою сприяє агломерації частинок, що запобігає тим, що фільтрат все ще містить тверді речовини. У разі твердих речовин, які важко фільтрувати, таких як мул, часто застосовуються фільтруючі засоби, наприклад, для розпушування фільтруючого осаду. Типовими фільтруючими засобами є кизельгур, целюлоза або перліт.
Інші методи розділення
дистиляція: Немеханічним варіантом, який підходить не тільки для розчинів, а й для суспензій, є дистиляція. Однак, як правило, дистиляція не є методом вибору, оскільки вона вимагає більшої роботи та енергоємна.
Флотація: Газові бульбашки особливо добре прилипають до гідрофобних частинок, внаслідок чого вони плавучі та плавають на поверхні рідини у вигляді піни, за допомогою якої тверда речовина може бути видалена. Цей процес використовується промислово для переробки руди або для переробки паперу.
Магнітне розділення: Дрібно розділені феромагнітні частинки можна розділити, застосувавши магнітне поле. Наприклад, магнітні сепаратори використовуються в геохімії та переробці побутових відходів.
Який метод поділу для чого найкраще підходить?
Який процес розділення найкраще підходить у кожному конкретному випадку, залежить від різних факторів, одним із основних питань є твердий чи рідкий, або обидва слід отримувати як кінцеві продукти. Нерідкі випадки, коли використовують декілька методів розділення або як пряму комбінацію, або декілька послідовних процесів.
Наприклад, при технологічному процесі з великою кількістю рідини перед фільтрацією часто проводять просте осадження, або для попереднього очищення рідини, або для концентрування суміші, що фільтрується. Оскільки на ринку існує безліч можливостей та різних пристроїв для фільтрації, як для лабораторії, так і для промислових масштабів, часто є складним завданням вибрати відповідний процес розділення та відповідне обладнання, наприклад, відповідний тип фільтра, для відповідної проблеми розділення.