Zastosowanie niskociśnieniowych procesów membranowych do separacji barwników organicznych z roztworów wodnych cd.

3. WYNIKI BADAŃ

W pierwszym etapie zbadano wpływ dawki i rodzaju surfaktantu na efektywność separacji barwnika z roztworu wodnego. Rys. 3 przedstawia zależność współczynnika retencji czerni amidowej (R) dla membran z regenerowanej celulozy i polieterosulfonu o wartości cut - off równej 10 kDa. Dla obu membran wyniki są podobne: w przypadku roztworu barwnika i SDS, wraz ze wzrostem dawki surfaktantu stopień zatrzymania barwnika wyraźnie obniża się, a dla roztworu barwnika i CTAB – retencja barwnika polepsza się. Dla roztworu czerni amidowej bez surfaktantu barwnik zatrzymywany jest w około 90%. Po dodaniu SDS, dla membrany celulozowej (rys. 3a) współczynnik retencji wynosi (dla różnych dawek SDS) 82%, 45%, a dla najwyższego stężenia SDS - 24%. Z kolei dla membrany z polieterosulfonu (rys. 3b), współczynnik ten wynosi, odpowiednio, 83%, 79% i 45%. Dla roztworu barwnika z CTAB, przy rosnących stężeniach kationowego surfaktantu, stopień zatrzymania barwnika dla membrany C10 i PES10 waha się w granicach 93-99%. Zatem zdecydowanie lepsze wyniki osiąga się dla mieszaniny barwnik-surfaktant kationowy. Przyczyną takich efektów są przede wszystkim ładunki analizowanych substancji. W roztworze anionowego barwnika z SDS o ładunku ujemnym cząsteczki zaczynają się odpychać, co wpływa niekorzystnie na oczyszczanie roztworu. Natomiast w przypadku barwnika i kationowego CTAB, cząsteczki przyciągają się, przez co tworzą się większe aglomeraty i cząsteczki roztworu są lepiej zatrzymywane przez membranę.



W drugim etapie badań oceniono wpływ masy cząsteczkowej barwnika na efektywność procesu ultrafiltracji z wykorzystaniem membran ceramicznych. Uzyskane charakterystyki membran przedstawiono na rys. 4. Stwierdzono, że właściwości separacyjne membran ceramicznych o wartości cut-off 1, 5, 8 i 15 kDa niewiele różnią się między sobą. Praktycznie wszystkie membrany zatrzymują barwniki o niskiej masie cząsteczkowej (od 327 do 616 Da) jedynie w 10-20%, natomiast pozostałe barwniki, o wyższych masach cząsteczkowych, są separowane w 90-99,3%. Można zauważyć, że membrana o wartości cut-off 15 kDa ma nieznacznie gorsze właściwości separacyjne niż pozostałe membrany. Ponadto zaobserwowano, że strumienie objętościowe badanych membran mieszczą się w przedziale 0,3-0,6 m3/m2d. Membrana o najwyższej wartości cut-off (15 kDa) ma jednocześnie największą przepuszczalność. Wydaje się, że ze względu na niewielkie różnice w wielkości separacji anionowych barwników organicznych, bardziej ekonomiczne jest stosowanie membrany o wartości cut-off 15 kDa. W kolejnym etapie badań oceniono wpływ składu separowanego roztworu na właściwości transportowe i separacyjne membran ceramicznych w czasie ich 10-godzinnej pracy. Na rys. 5 przedstawiono zależność współczynnika retencji czerni bezpośredniej od czasu pracy membrany o wartości cut-off 30 kDa. Można zauważyć, że dla roztworów barwnika z SDS właściwości separacyjne membrany są nieznacznie gorsze. Jednakże różnice są niewielkie i współczynnik retencji barwnika pozostaje bardzo wysoki (ponad 97%), niezależnie od składu separowanego roztworu. Generalnie można stwierdzić, że w przypadku barwnika o dużej masie cząsteczkowej (około 1000 Da), skład roztworu nie ma istotnego wpływu na wielkość separacji. Stwierdzono również, że przepuszczalność membrany w czasie długotrwałej pracy utrzymuje się praktycznie na stałym poziomie. Strumień permeatu jest nieznacznie mniejszy, gdy w roztworze jest obecny chlorek sodu. Jest to prawdopodobnie spowodowane zmniejszeniem siły napędowej procesu (różnicy ciśnień po obu stronach membrany) w wyniku zwiększenia ciśnienia osmotycznego roztworu.

Uwzględniając masę cząsteczkowa separowanych barwników i wartość cut-off stosowanych membran, należy stwierdzić, że poza prostym mechanizmem sita molekularnego, na końcowy efekt separacji wpływ mogą mieć inne zjawiska (np. adsorpcja cząsteczek barwników w strukturze membrany).
4. PODSUMOWANIE
Wyniki badań wykazały możliwość wykorzystania ultrafiltracyjnych membran polimerowych i ceramicznych do separacji anionowych barwników organicznych z roztworów wodnych. Stwierdzono, że obecność anionowej substancji powierzchniowo czynnej wpływa niekorzystnie na stopień zatrzymania barwników, podczas gdy kationowy surfaktant może zwiększyć separację barwników (nawet przy stężeniu mniejszym od CMC). Dodatkowo wykazano, że obecność chlorku sodu może przyczynić się do obniżenia wydajności procesu. Najwyższą skutecznością w stosunku do barwników o masie cząsteczkowej ponad 620 Da charakteryzowały się membrany o wartości cut-off 1-5 kDa.

Testy długoterminowe wykazały w miarę stabilne właściwości transportowe i separacyjne membran ceramicznych w stosunku do wieloskładnikowych roztworów barwnika o dużej masie cząsteczkowej (około 1000 Da).

Autorzy: Bogumiła MIARKA, Karolina STASIAK, Katarzyna TOPOLEWSKA

LITERATURA

[1] BIELSKA M., GóRECKI Ł., PROCHASKA K., Separacja barwników z roztworów micelarnych na module UF z membraną ceramiczną, Membrany i Procesy Membranowe w Ochronie Środowiska, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, 36 (2006), s. 53-61.
[2] JUDD S., JEFFERSON B. (Eds.), Membranes for Industrial Wastewater Recovery and Re-use, Elsevier, Oxford, UK (2003), pp. 250-253.
[3] PORTER J., ZHUANG S., Microfiltration of sodium nitrate and Direct Red dye using asymmetric titanium dioxide membranes on porous ceramic tubes, J. Membrane Sci.110 (1996) 119-132.