DE1912450A1 - Verfahren und Einrichtung zur Abtrennung bzw. zum Stoffaustausch von Bestandteilen aus Fluessigkeitsstroemen - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Abtrennung bzw. zum Stoffaustausch von Bestandteilen aus Fluessigkeitsstroemen

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DE1912450A1 DE19691912450 DE1912450A DE1912450A1 DE 1912450 A1 DE1912450 A1 DE 1912450A1 DE 19691912450 DE19691912450 DE 19691912450 DE 1912450 A DE1912450 A DE 1912450A DE 1912450 A1 DE1912450 A1 DE 1912450A1
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Description

  • Verfahren und Einrichtung zur Abtrennung bzw. zum Stoffaustausch von Bestandteilen aus Fius8igkeits stromen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung bzw. zum Austausch von Gasen, niedermolekularen nichtionischen Bestandteilen oder solchen Komponenten eines Flüssigkeitsstromes, die sich durch eine geeignete Vorreaktion in Gase oder niedermolekulare nichtionische Bestandteile umwandeln lassen. Sie betrifft ferner eine Linrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • Ein wesentliches Anwendungsgebiet des Verfahrens ist die Abtrennung der gekennzeichneten Stoffe zum Zwecke der kontinuierlichen quantitativen Analyse eines @üssigkeitsstroms auf diese f3estandteile. Der Flüssigkeitsstrom kann in diesem Fli das zu untersuchenda Probegut selbst, oder aber nur Überträger sein, wenn er z.ß« aus einer kontinuierlichen Gaswasche kommt.
  • Ein anderes Anwenoungsgebiet ist der Stoffaustausch zwischen zwei Flüssigkeitsstromen, um den einen von einem Bestandteil der oben gekennzeichneten Art zu befreien oder den anderen mit einem derartigen Bestandteil zu beladen.
  • Die Analyse von stark verschmutzten Wasser, komplexen Produktenstromen, biologischen Flüssigkeiten und dergl. wird vielfach dadurch erschwert, daß der gesuchte Bestandteil nicht für sich allein, sondern im Gemisch zusammen mit einer mehr oder weniger großen Zahl von anderen gelösten oder suspendierten Substanzen vorliegt, welche die kontinuierlich durchzuführende Analyse unter Umständen ahr erheblich storen bzw. erschweren konnen.
  • Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit sind schon verschiedene Vorschläge gemacht worden. Einer besteht z0B. darin, daß der zu analysierende Xlüssigkeitsstrom zur I')ntferrnrng aer suspendierten Stoffe kontinuierlich filtriert wird; ein anderer sieht eine kontinuierliche Dialyse vor, mit deren Hilfe hoher molekulare Verbindungen zurückgehalten werden konnen. Diese beiden Vorbehanalungsver verfahren zielen also auf die Entfernung der störenden gomponenten ab.
  • In Jüngster Zeit sind auch Verfahren zur Abtrennung des gesuchten Bestandteils durch Blussig°flussig-extraktioni durch ausblasen mit einem Inertgasstrom oder durch kontinuierliche Destillation und berführung in eine geeignete Absorptionslösung bekannt geworden In diesen Fällen wird somit ein von der zu ermitteinden Konzentration bestimmter Enteil der gesuchten Substanz möglichst selektiv von allen übrigen Komponenten abgeschieden.
  • Die drei letztgenannten Verfahren haben zwar an Vortell, a sie vielfach eine Lös.ung des gesuchten Bestandei1s lieern, die nur noch venige Verunreinigungen und unter Unständen auch gar keine mehr enthalt, wodurch die Analyse sehr erleichtert wird. Doch weisen sie auch einige schwerwiegende Nachteile e auf, die sich insbesondere beim kortinuierlichen Retrieb bemerkoar machen. Das Ex traktionaverfahren verbraucht ein mit Wasser ncht mischbares Lösunsmittel. Beim Ausbiaseverfahren sind wegen der Beteiligung der Gasphase erhebliche apparative Aufwendungen erforderlich, um die Strömungsgeschwindigkeiten des zu analysierenden Flüssigkeits-Stromes und die des Gasstromes, sowie die Temperatur des busblasesystems im erforderlichen Maße über längere Zeit konstant zu halten. Dies und die Notwendigkeit einer Gasquelle machen das Verfahren wegen der dadurch bedingten Überwachung und des allgemeinen Wartungsaufwandes für Kontrollstat ionen wenig geeignet. ähnliche Einschränkunge gelten für die kontinuierliche Bestillation, die nicht ohne ständige Aufsicht betrieben werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft nun ein neues Verfahren zur kontinuierlichen abtrennung des zu bestimmenden Bestandteils aus einem zu analysierenden Flussbgateitsstrom, das darin besteht, daß der gegebenenfalls mit einem Reagens, z.B. sur pH-Veränderung, zur Hydrolyse, zur Oxidation oder Reduktion usw., versetzte Probestrom auf einer Seite einer unporosen, für Ionen nicht durchlässigen Nembran und in Berührung damit entlang geführt wird, während auf der gleichen Bahn, aber auf der anderen Seite dieser Lembrarj und diese ebenfalls unmittelbar berührend, gleichzeitig ein als Rezipient geeigneter ilüssigkeitsstrom entlang geleitet wird, sodaß er eine vom Probestrom abgegebene und durch die Membran permeierte gasformige oder niedermolekulare nichtionische Verbindung aufnimmt. Dieser Rezipientenstrom wird dann, gegebenenfalls nach Zusatz weiterer Reagenzien - was aber nur in seltenen Fällen erforderlich ist - einem geeigneten Detektor zugeführt, der ein von der Konzentration des gesuchtes Bestandteils sbhangiges, vorzugs weise kontinuierliches elehtrischee Signal licfert, des @@ttels eines Anzeigegerätes sichtbar gemacht oder mittels eines Schreibers registriert werden kann. Pur solche analytische Zwecke werden die beiden Flüssigkeitsströme vorzugsweise im Gleichstrom geführt.
  • Dem sauberen Aufbau nach hat das erfindungsgemäße Verfahren eine gewisse Ahnlichkeit mit der kontinuierlichen Dialyse. Es unterscheidet sich von dieser aber grundsätzlich dadurch, daß die zwisehen den beiden Flüssigbeiteströmen befindliche Membran - im Gegensatz zu einer Dialysiermembran - für Ionen und stärker assoziierte Verbindungen undurchlassig ist, sodaß sich mit diesem Verfahren eine weitaus selektivere Abtrennung bestimmter Bestandteile erreichen läßt. Der Funktion nach hat das erfindungsgemäße Verfahren andererseits eine gewisse Ähnlichkeit mit einem Verfahren zur kontinuierlichen T:xtraktion. Im Gegensatz zur Flüssig-flüssigextraktion liegt hier das Extraktionsmittel aber in Form einer festen stationären Scheidewand vor, die auf der Seite des Probestroms als extrahierende Phase wirkt, wahrend der von ihr aufgenommene Bestandteil auf der anderen Seite oer Membran Xron der Rezipientenflüssigkeit zurückextrahiert wird. hut diese Weise werden alle Komplikationen umgangen, aie sich bei der Zugabe, der Mischung und der Trennung der flusigen Phasen im kontinuierlichen Betrieb ergeben. Das eriindungsgemaße Veriahren vereinigt also die höhere SeleXtivität der Extraktion mit den Vorteilen der einfacheren Durchführbarkeit der kontinuierlichen Dialyse.
  • Als Membran für das erfindung£gemäße Verfahren können die verschiedensten Kunststoff-Filme und -Folien verwendet werden, sofern sie in porenfreier Form vorliegen und somit für elektrolyte undurchlässig sind. Auf Grund der universellen chemischen und der mechanischen Beständigkeit kommen besonders die folgenden, durch Polymerisation entstandenen Folienmaterialien in Betracht: FOlyäthylen, Polypropylen, Polyvinylchloridfi Polystyrol, Polytetrafluoräthylen und dergl.; außerdem Siliconkautschuk und Naturgummi. Im Interesse einer autreichenden mechanischen Festigkeit sollen diese Folien mindestens 5 bis lOjim dick sein. Polien dieser Starke zeigen insbesondere bei hoheren Temperaturen eine sehr erhebliche Durchlässigkeit für Gase und niederinolekulare nichtionisehe Verbindungen, sodaß dann1 wenn eine entsprechende Detektoranordnung möglich ist, Konzentrationen im Probestrom bis unter 1 mg/1 bestimmt werden konnen. Doch geht auch bei dickeren Folien (z.B. bis 50jiin und dicker) die Permeation verhältnismäßig rasch vor sich, sodaß selbst kurzfristige Wonzentrationsschwankungen noch aufgelöst werden und eine automatische Analyse von Linzelpro ben hintereinander mit einer Probenfolge bis 30 je Stunde möglich ist.
  • Das Prinzip der Detektion richtet sich nach den moglichen Reaktionen der permeierenden Verbindung. Saure und alkalische nicht elektrolytisch dissoziierte Verbindungen, die durch kontinuierliches iunsäuern bzw. Alkalischmachen des Probestrome in Freiheit gesetzt werden, nimmt man am besten in verdünnter Lauge bzw Saure als Rezipient auf. Dadurch hält man die Konsentration der permeierenden Verbindung auf der Rezipiemtemseite stets bei Null und erzielt bei der Permeation eine maximale Ausbeute. Da die Membran keine Elektrolyte hindurchtreten läßt, ist sur Detchtion der permeierten Verbindung die durch die pastielle Meutralisation der Lauge bzw. Säure des Resipientanstroms verarmachte das bze der elektrischen Leitfähigkeit besonders gesignst. Das @@and der bekannten relativkonduktometrischen Messung [W.KOCH und H. MALLS SA, Arch. Eisenhüttenwesen 27, 695 (1956)] ermöglicht in diesem Fall durch individuelle Anpassung de Reagenskonzentration im Re zipientenstrom eine besonders günstige Indikation. Das Permeationsgerät und die Leitfähigkeitsmeßzellen, die sire auf einer konstanten Temperatur gehalten werden, konnen an der gleichen Ehermostatenvorrichtung angeschlossen sein.
  • Sofern die saure bzw. alkalische permeierende Verbindung in Wasser gut löslich ist, kommt für die Detektion auch eine pH-Differeinzmessung in Frage. Ebenso auch dann. wenn die gesuchte verbindung eine Reaktion eingeht, die von einer pH-Verschobung beglei tet ist, wie z.B. wenn Formaldehyd mit einem Sulfit enthaltenden Rezipientenstrom aufgenommen wird wobei eine Alkalisierung eintritt: oder wenn Cyanwasserstoff mit einer Tetrachloromercurat-Lösung reagiert, wobei Wasserstoffionen frei werden : 4 HCN + [HgCl]²-> [Hg(CN]²- + 4 Cl- +4 B + Auch ionselektive Elektroden Können sur Detehtiun angewandt werden, wenn die permeierte Substans im Nezipientesstrom in ein Ion überführt werden kann. für das es eine ionspesifische Elehtrode gibt. So läßt sich z.B. Cyanid, dessen Lonzentrationsbestinmung mit einer ionseleaktiven Elehtrods durch Lodid gestört wird, von dieser (und @@@@@@@@) Störkompomentom dadurch abtronnen, daß man es auf der @@@@@@ druch ans @@@ in Cy@@@@@@@@@ über-@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ @@@@bran @@@@@@@@@, auf mit verd. Entronlsuge als Rezipient aufnimmt. Die Cyanidkonzentration im Rezipient kann dann mit einer ionspezifischen Elektrode gemessen werden.
  • Schließlich Iäßt sich die gesuchte Substanz im Resipientenstrom auch mittels einer kolorimetrischen Reaktion bestimmen. Durch Anwendung der Membranpermeation kann sich dabei im Vergleich zu den herko"nlichen Verfahren zur automatischen kolorimetrischen Analyse eine ganz erhebliche Vereinfachung und eine beträchtliche Verbesserung der Reproduzierbarkeit ergeben.
  • Zur eingehenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Sinrichtung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, Es zeigen: Fig. 1. eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung; a) mit Je einer Meßzelle im Rezipientenstrom vor bsw.
  • nach Aufnahme des permeierten Bestandteils aus dem Probestrom; b) mit nur einer Meßzelle im beladenen Rezipientenstrom.
  • Fig. 2. Permeation von NH3 aus einem alkalisch gemachten, NH+-Ionen enthaltenden Probestrom durch Polyäthylenmembranen in Abhängigkeit von der Membrandicke und von der Temperatur.
  • Fig. 3. Eichkurven tur die Bestimmung von S+-Ionen in Wasser durch Wessung der Leitfähigkeitsänderung in zwei Rezipientenlösungen unterschiedlicher Konzentration.
  • Fig. 4. Eichkurven für die Bestimmung von c%2 - und von Ionen in Wasser durch Messung der Leitfähigkeitsänderung im Rezipientenstrom.
  • Fig. 5. Permeation von 00, und von SO, aus angesäuerten Probeströ-Den, die cq bzw. s%2 - Ionen enthalten, durch eine Polyäthylenmembran in Abhängigkeit von der Wembrandicke und von der Temperatur.
  • Fig. 6. 3i;ichkurve für die Bestimmung von CN-Ionen im Wasser durch Messung der pH-Änderun im Rezipienten6trom.
  • Fig. 7. Eichkurve fär die Bestimmung von - oder Herz Ionen im Wasser durch Messung einer änderung der Lichtabsorption im Resipientenstrom.
  • Die fär die kontinuierliche Messung eines Probestrom8 erforderliche Anordnung ist sehr einfach. Wie aus iig. 1 a zu ersehen, werden der Probe- und der Reagenzieüstrom mit Hilfe der Pumpen 1 und 2 dosiert zusammengegeben, in der Mischstrecke 3 miteinander vermischt und im Permeationegerat 4 an der einen Seite der Membran entlang geführt. Der Probestrom kann einem Plu"ssigkeitsstrom, oder z03. im kurzzeitigen Wechsel mehreren Flüssigkeitsströmen zu dessen bzw. deren fortlaufender Überwachung entnommen werden. Er kann aber auch nacheinander eine Reihe von Einzelproben, die in einem automatischen Probenwechsier bereit gehalten werden, und die ggf.
  • durch eine bestimmte Menge Waschflssigkeit voneinander getrennt sind, zur Analyse bringen. Die Rezipientenflutssigkeit wird mit Hilfe der Pumpe 5 zugleich an der anderen Seite der Membran entlang gefördert. Vor der Membran passiert der Rezipientenstrom die lefizelle 6, nachdem er die permeierte Substanz, aufgenommen hat, die Meßzelle 7. Das Permeationsgerät 4 und erforderlichenfalls die Meßzellen 6 und 7 sind thermostatisiert, was durch die getrichelte Einrahmung angedeutet sein soll. Die Meßzellen 6 und 7 sind an einem entsprechenden Meßverstärker 8 angeschlossen, von dem aus das Signal auf den Schreiber 9 gegeben wird. Die Pumpen 1, 2 und 5 können drei Kanale einer Mehrfach-Scblauchpumpe seine Die in Fig. 1 a gezeigte Anordnung ist fur Leitfähigkeitsquotientenmessungen geeignet, wenn als Meßzellen Iitfahigkeitsdurchtlußmeßzellen verwendet werden. Auch die fur pB-I)ifferenzmessungen erforderliche Finrichtung entspricht diesem Prinzip. Fine einfachere Meßanordnung ergibt sich, wenn an Stelle der Meßzelle 6 zur Einstellung des Nullsignals fur die Beitfähigkeitsquotientenmessung ein variabler Widerstand vorgesehen wird, bzw. wenn das Nullsignal der als Meßfühler 7 dienenden pH-Elektrode durch eine variable Gegenspannung kompensiert wird. Die Anordnung von Fig. 1 a vereinfacht sich somit zu der von Fig. 1b. Dieses Schema für die Meßeinrichtung trifft außerdem auch fur einfache kolorimetrische Messungen (unter Verwendung eines elektrisch kompensierten Gerätes) zu; die Meßzelle ist dann ein Durchflußkolorimeter. Für Messungen mit optischer Blindwertkornpensation ist ein Zweistrahlmeßgerät in einer Einrichtung nach Fig. 1 a erforderlich.
  • Fjjr die automatische Messung von Probe serien ist es im Interesse einer geringeren Substanzverschleppung im Leitungssytem oft zweckmaßig, die Flüssigkeitsströme in bekannter Weise mit Luftblasen zu segmentieren. Das einbringen der Luftblasen erfolgt dabei im Probestrom nach Zugabe des Reagenses, und im Rezipientenstrom nach Passieren der Meßzelle 6. Zur Erzielung eines guten Blasanmusters werden Reagens- und Rezipientenflüssigkeit mit einem Netzmittelzusatz versehen. Sofern der Leitfähigkeitsquotient gemessen wird, benutzt man vorzugsweise ein nichtionogenes Tensid, z.3. ein solche8 vom Typ der Fettalkohol-polyglykola'ther. Der Rezipientenstrom muß vor Eintritt in die Meßzelle 7 wieder entlutftet werden.
  • Einzelheiten der praktischen anwendung des erfindungagemäßen Verfahrens gehen aus den nachfolgenden Beispielem hervar.
  • Beispiel 1 Entsprechend der Anordnung von Fig. 1 a wurde eine Meüstation ur kontinuierlichen Bestimmung von Ammonium-Stickstoff (NNH4+) in Wasser aus den folgenden Geräten zusammengestellt: Die Pumpen 1, 2 und 5 waren drei Kanäke in einer Mehrfach-Schlauchpumpe.
  • Die Mischstreche 3 war ein Fünfkungelrohr.
  • Als Gerät 4 zur Permeation diente ein Durchlaufdialysator der Fa.
  • Technicon Instruments Corp., Ardsley, N.Y., U.S.A.
  • Die Meßzellen 6 und 7 waren Durchlaufmeßzellen fur die Leitfähigkeitsmessung.
  • Als Verstärker 8 und Schreiber 9 wurde ein linearisierter Leitfö higketsquotientenschreiber der Fa. Wösthoff o.H.G., Bochum, ver wendet, der dem vorliegenden Meßproblem speziell angepaßt worden war.
  • Die Betriebsmittel und die Betriebsbedingungen waren wie folgt: Membran: Polyäthylen der Type 3030 k (ein Produkt der Bad. Ani Lin- und Sodafabrik, Ludwigshafen), 10-12 µm dick.
  • Reagens : Sodalösung mit einem Zusatz von Äthylendiamiatstrascetat, um beim Vereinigen des Probestroms mit dem Reagens ein Ausfallen der Härtebildner zu verhinder.
  • Rezipiet : 1/1000 n Schwefelsäure.
  • Permeationstemperatur : 90°c.
  • Fördermenge des Probestroms : cs. 75 ml/Stunde.
  • Man erhält bei dieser Meßeinrichtung eine ruhige, in Besug auf die zu bestimmende Ammonium-Äonzentration lineare Anzeigs, die sich gut reproduzieren läßt.
  • Eine Veränderung der Empfindlichkeit des Meßverfahrens ist auf verschiedene Weise möglich al durch BeeinfluE,sung der Permeation, zum zweiten durch Veränderung der Meßbedingungen. Die möglichen Einflußnahmen und ihre Auswirkungen sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
  • Tabelle 1 Vorgang Einflußgröße Wirkung Permeation Membranmaterial Abnahme der Permeationsrate mit zunehmender Kristallinität des Membranmaterials innerhalb einer Sorte; die Sorten untereinander unterscheiden sich in individueller Weise Membrandicke Abnahme der permeationerate bei sonst gleich bleibednen Bedingungen mit zunehmender Xembrandicke Permeations- Zunahme der Permeationsrate mit steitemperatur gender Temperatur (bei sonst gleich bleibenden Bedingungen) Permeationszeit Je langer die Xlüssigkeitsströme sich, durch die Membran getrennt, einander gegenüber befinden, um so höher liegt der permeierende Anteil, bis das Gleichgewicht erreicht ist Leitfähig- Säurekonzentra- Zunahme der Meßempfindlichkeit mit keits-quo- tion im Rezi- geringer werdender Säurekonzentratientenmes- pientenstrom tion im Rezipientenstrom sung Bei der Bestimmung saurer Substanzen gilt das entsprechende für die Laugenkonzentration im Rezipientenstrom Die Abhängi.gkeit der Permeationsrate von Ammoniak durch Folien aus Lupolen 3030 K von der Temperatur und von der Membrandicke ist in Fig. 2 dargestellt.
  • Beispiel 2 zur automatischen Bestimmung von Ammoniumionen in.einer Reihe von Wasserproben wurde die Anordnung von Beispiel 1 so erweitert, daß die Flüssigkeitsströme mit Luft segmentiert werden konnten, die zuvor zur. Entfernung von Amminiak-Spuren durch eine Säule von Kieselgel geleitet wurde, das mit 8oproz. proz.Sqhwefelsäure beladen war.
  • Als Mischstrecke 3 wurde in diesem Fall, eine Mischspirale verwendet. Die Reagenslösung und die Rezipientenflussigkeit erhielten einen Zusatz von Marlipal 1212 (Marlipal 1212, ein.Produkt der Chemischen Werke Hüls, Marl Krs. Recklinghausen, ist ein Laurylpolyglykoläther mit einem Oxäthylierungsgrad von 12). Die Betriebsbedingungen waren sonst die gleichen wie bei Beispiel 1.
  • Mit einer 1/1000.n Schwefelsäure als Rezipient erhält man bei der fortlaufenden Messung von Einzelproben mit einer Frequenz von 20 Proben/Stunde (Probe-Wasch-Verhältnis 1 : 1) mit etwa 280 mg/l Vollausschlag. Durch Verwendung einer 1/lOOOOn Schwefelsäure als Rezipient läßt sich bei der sonst gleichen Verfahrensweise die.
  • Empfindlichkeit auf das rund 10-fache steigern. Die aus entsprechenden Messungen abgeleiteten Eichkurven sind in Fig. 3 wiedergegeben. Es sind in beiden Fällen Geraden mit der Steigung 1,0, wie es bei der gewählten doppelt logarithmischen Darstellung sein muß, wenn die r.ichiurven linear sind.
  • Das beschriobene Bestimmungsverfahren ist nicht auf Ammoniak bzw.
  • Ammoniumsalze beschränkt; es läßt sich mit den gleichen Reagenzien auch auf verschiedene andere Stickstoffbasen anwenden. Dies gilt vor allem für die einwertigen Alkyl und Arylamine, sowie die ridinbasen, während die aliphatischen Diamine und Alkanolamine praktisch nicht permeieren. Die selektive Bestimmung einzelner tomponenten aus Gemischen permestionsfähiger Basen ist insoweit möglich, als sich die fraglichen Komponenten in ihrer Basizität hinreichend unterscheiden. Soweit dies der Fall ist, kann durch Einstellung eines entsprechenden pH-Werts im Probestrom erreicht werden, daß praktisch nur die schwacher basische Komponente in die freie, permeationsfähige Base übergeführt wird, während die stärker basische Komponente praktisch vollstandig in der Ammoniumform verbleibt. Nach diesem Prinzip lassen sich z.B. Pyridin .(PKB -8,77), Anilin (pKB=9,30) oder Dimethylanilin (pKB = 8,94) selektiv neben Ammoniak (pKB=4,75) und den Alkylaminen (pKB=3,3 ..... 4,2) bestimmen, wenn der Probestrom mittels eines geeigneten, nicht permeierenden Puffers auf einen mittleren pH-Wert von ungefähr 6 gebracht wird.
  • Beispiel 3 Durch Änderung der Betriebschemikalien wurde die Anordnung von Beispiel 2 zur Bestimmung von Salzen permeationsfa"higer Spuren in Wasser eingerichtet. Dazu wurden die folgenden Lösungen verwendet: Reagens: verdünnte Schwefelsäure mit einem Zusatz von Marlipal 1212.
  • Rezipient: 1/100 n Natronlauge mit einem Zusatz von Marlipal 1212; die Rezipientenlösung wurde unmittelbar vor der Meßzelle 6 durch eine Austauscherkolonne mit einem stark basischen Anionenaustauscher in der OH-Form geleitet, um etwa aus der Luft aufgenommene Kohlensä8ure zu entfernen. Die Luft zum Segmentieren.der beiden Flussigkeitsstrome wurde zur Entfernung des CQ durch einen mit Natronasbest gefüllten Absorptionsturm angesaugt.
  • Permeationstemperatur: 80°C Probenfrequenz: 20/ Stunde Untersucht wurde die Bestimmung von Kohlendioxid und Schwefaldioxid aus Carbonat- bzw. Sulfit-Lösungen als .Proben. Die Eichkurven sind in Fig. 4 wiedergegeben (doppelt logarithmische Darstel lung). Man erkennt, daß auch bier die Anzeige linear ist. Weiterhin läßt Fig. 4 erkennen ,daß Carbonat empindliche'r bestivimit werden kann als Sulfit.
  • Für Carbonat und Sulfit wurde auch die Abhängigkeit der Permestionsrate von der Temperatur und der Schichtdicke der Membran mtersucht. Wie aus Fig. 5 im Vergleich mit Fig. 2 zu ersehen, reagieren beide Stoffe empfindlicher als das Ammoniumion, doch ist die Zunahme der Permeationsrate mit steigender Temperatur beim Carbonat insgesamt und beim Sulfit von etwa 6000 an deutlich geringer als bei diesem. Carbonat hat bei 8000 die maximale Permeationsrate erreicht. Mit Membranen aus anderen Polyäthylensorten ergeben sich ähnliche Abstufungen.
  • Außer Kohlendioxid und Schwefeldioxid konnen auch noch andere saure Verbindungen durch Polyathylen permeieren; z.B. Schwefelwasserstoff, Cyanwasserstoff, organische Carbonæäuren und Phenole, doch ist bei diesen die @ermeationsrate z.N. erheblich geringer. Starke und Sauerstoff enthaltende anorganische Sauren, darunter besonders die mehrwertigen, permeieren praktisch nicht Diese werden daher bevorzugt zum Ansäuern des Probestroms verwendet Beispiel 4 In diesem Beispiel wurde die automatische Bestimmung von freiem, d.H. nicht komplex gebundenem, Cyanid in einer Reihe van Wasserproben untersuchs, Die Anordnung die Neßeinrichsur enssprech Fig. 1a. Die Geräte 1 bis 5 waren die gleichen wie in Beispiel 2. 6 und 7 waren ewei Durchlautmeßzellen mit pH-Wikroelektroden, die en zwei pH-Metern mit Schreioerausgeng CErzeugnisse der Es, Dipl.-Ing. U. Knick, Berlin) angeschlossen waren. Die Schreibersignale der beiden pH-Meter waren gegeneinander geschaltet und wurden als Differenzsignal auf einen Kompensationsschreiber gegeben.
  • Die zun Pereeationsgerät 4 führenden Flüssigkeitsatröme wurden mit C4-freier Luft segmentiert.
  • Die Betriebsmittel und Betriebsbedingungen waren wie folgt: Membran: Polyäthylen der Type Lupolen 3030 K, 10-12 µm dick.
  • Reagens: Phosphat-Puffer pH 6,5 mit einem Zusatz von Marlipal 1212.
  • Rezipient: verdünnte Lösung von Li, [HgCl] mit einem Zusatz von Hexyloxy thenol als Netzmittel.
  • Fermeationstemperatur: 80°C Probenfrequenz: 15/Stunde.
  • Die Eichkurve ist nicht linear. Sie lagt eich aber durch eine einfache Transformation der Ordinate in die Form einer Geraden bringen (Fig. 6), voraus hervorgeht, daß die Meßerte der Lichkurve untereinander konsistent sind.
  • Beispiel 5 Zur automatichen Bestimmung von Schwefeldioxid aus einer Reihe von sulfithaltigen Wasserproben wurde eine Anordnung nach Fig. 1 b verwendet. Die Geräte 1 bis 5 waren die gleichen wie in Beispiel 2. Als Meßzelle 7 wurde ein Durchflußkolorimeter verwendet. Die-Bes und der angeschlossene Schreiber für die Lichtabsorption mit dem zugehörigen Verstärker (8 und 9) waren Geräte der Fa. Technicon Instruments Corp., Ardsley, N. i., U.S.A. Die zum Permeationsgerät 4 führenden Flüssigkeitsströme waren mit Luft segmentiert.
  • Die Betriebsmittel und Retriebsbedingungen waren wie folgt: Membran: Polyäthylen der Type 3030K, 10-12 µm dick.
  • Reagens: . verdunnte Schwefelsaure mit einem Zusatz eines Alkylbenzolsulfonats als Netzmittel.
  • Rezipient: sehr verdünnte gepufferte Lösung von Hexafluoroferrat-(III) und ortho-Phenathrolin mit einem Zusatz eines Alkylbenzolsulfonats als Netzmittel.
  • Permeatioustemperatun 80°C Probenfrequenz: 20/ Stunde Das im Rezipient enthaltene dreiwertige Eisen wird durch das permeierte Schwefeldioxid noch im Permeationsgerät zu Eisen(II) reduziert, das mit dem ortho-Phenanthrolin unter Bildung des bekannten roten Komplexes reagiert. Die Intensität der jeweils erzielten Rotfärbung wurde im Durchilußkolorimeter bei 505 nm gemessen.
  • Die eichkurve ist nicht linear; kann aber durch eine einfache Ordinatentrarsformation (Umrechnung der fkbsorptions- in Extink tionswerte) in aie Form einer Geraden gebracht werden, vgl. Figo 7.
  • Damit ist erwiesen, daD die kichwerte konsistent sind.
  • In ähnlicher äeise,wie in den vorstehenden Beispielen beschrieben, lassen sich zahlreiche andere Verbindungen, z.B. aus wäßrigen Lösungen, durch Membrsnpermeation abtrennen. Die nachzuweisende Somponente selbst kann ggf. auch in umständlicheren Vorreaktionen er halten werden, wobei die Analyse oft sehr viel einfacher und sicherer wird, wenn diese komponente nicht in dem haufig recht salzreichen Resktionsgemisch, sondern nach dem Stoffaustausch in der viel weniger verunreinigten Rezipientenlösung bestimmt wird.
  • Die Meßverfahren selbst sind unterschiedlich selektiv. Am wenigsten spezifisch von allen ist naturgemäß die Leitfa"higkeitsquotientenmessung. Zuweilen besteht aber die Moglichkeit, ein spezifischeres Meßverfahren zu wählen, oder eine störende Komponente in einer Vorreaktion unschädlich zu machen. So gibt esz.B. für Sulfit verschiedene Möglichkeiten zur Bestimmung, und wenn es stört, wie z.B. bei der Bestimmung von Carbonat durch Leitfah""igkeitsquo tientenmessung, so kann es, bevor der Probestrom in das Permeationsgerät gelangt, durch Oxidqtion in Sulfat übergefuhrt werden, das nicht permeieren kann.
  • Der Aufbau der Meßanordnung ist sehr einfach; dies hat vielfach ein sehr ruhiges Signal und eine gute Nullpunktskonstanz zur fiolge. Zur Umstellung von der Bestimmung einer Substanz auf die einer anderen sind in der Regel nur minimale Änderungen erforderlich: gegebenenfalls Austausch der Reagenzien, Austausch der Meßzellen.
  • Besonders bei der Leitfähigkeitsquotientenmessung werden nur wenig kost spiel ige Reagenzien benötigt und diese in nur geringen Mengen.
  • Obwohl im vorstehenden b3vorzugt -fur meßtechnische Zwecke beschrieben, kann der Stoffaustausch von Bestandteilen von Blüssigkeitsströmen durch emb:'1anpermeation Jedoch auch fur andere Aufgaben eingesetzt wesen, Er kann z.B0 benutzt werden, um einen Flüssigkeitsstrom kontinuierlich und selektiv von einem Bestandteil zu befreien, entweder, um den Flüssigkeitsstrom zu reinigen, oder um den permeierenaen Bestandteil in reiner Lösung zu gewinnen. Für einen derartigen Stoffaustausch, iur den als Beispiel die Entfernung von Sauerstoff au Wasser mittels einer alkalischen Sulfitlösung als Rezipient genannt sei, werden aie Flülsigkeitsströme vorzugsweise im Gegenstrom geführt.
  • Die Meinbran-Permeation kann z0B. auch dazu dienen, einen Flüssigkeitsstrom kontinuierlich mit einem bestimmten Bestandteil in bestimmter Konzentration zu versetzen.
  • Bei allen Anwendungen ist es möglich, auch mit nichtwäßrigen Lösungsinitteln im Probe- und im Rezipientenstrom zu arbeiten, Selbstverstandlich kommen dafür nur solche Lösungsmittel in Frage, die selbst nicht merkbar permeieren und die Membran nicht angreifen oder so verändern, daß sie nicht mehr die erforderliche Festigkeit aufweist; Es konnen fur Probe- und Rezipientenstrom auch ungleiche hosungsmittel zur Anwendung kommen.
  • Gegenüber den bisher bekannten Möglichkeiten bietet das erfindungsgemaße Verfahren in allen seinen Anwendungsbereichen also beachtliche Vorteile.

Claims (11)

  1. Ansprüche :
    Verfahren zur abtrennung bzw6 zum Austausch von Gasen, niedermolekularen nichtionischen Bestandteilen oder solchen Komponenten eines Flüssigkeitsstromes, die sich durch eine geeignete Vorreaktion in Gase oder niedermolekulare nichtionische Bestandteile umwandeln lassen, wobei dieser Flüssigkeitsstrom auf der einen Seite einer selektiv permeablen Membran entlanggeführt wird, während auf deren anderen Seite ein Rezipientenstrom fließt, gekennzeichnet durch die Verwendung einer unporosen und fur Blektrolyte undurchlässigen Nembran.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 zur insbesondere kontinuierlichen quantitativen Analyse des Flu'sigkeitsstroms auf die abzutrennenden Bestandteile, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Fliissigkeitastrome vorzugsweise im gleichstrom geführt werden, daß die Strömungsgeschwindigkeiten und Temperaturen beiderseits der Membran konstant gehalten werden, iind daß nach Aufnahme des zu bestimmenden Bestandteils durch den Rezipientenstrom eine eigenschaft des letzteren gemessen wira, die eine Funktion der Konzentration des zu bestimmenden Bestandteils oder eines Folgeproduktes davon im Rezipientenstrom ist.
  3. 3. Verfahren nach anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaft des Rezipientenstroms vor unc nach Aufnahme des zu bestimmenden Bestandteils gemessen wird.
  4. 4. Verfahren aeh .insprucll 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Rezipientenlosung so beschaffen ist, daß sich durch Aufnahme des permeierten Bestandteils ihre elektrolytische Leitfähigkeit ändert, und daß diese Leitfähigkeitsandenung gemessen wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rezipientenlösung so beschaffen ist, daX sich durch Aufnahme des permeierten Bestandteils ihre Konzentration an einem bestimmten Ion ändert, und daß die Änderung dieser Ionenkonzentration mit einer ion'spezifischen Llektrode gemessen wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die sich ändernde Konzentration die Wasserstoffionenkonzentration ist, die als Änderung des pH-Wertes gemessen wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Resipientenlösung so beschaffen ist, daß sich durch aufnahme des permeierten Bestardteils ihre Lichtabsorption in einem bestimmten 1ellenlangenbereich anders und daß diese Änderung gemessen wird.
  8. 8. Verfahren nach hnapruch 1 zum kontinuierlichen Stoffaustausch zwischen einem Flüssigkeits- una einem Rezipientenstrom, um ersteren von einem B"standteil zu beireien, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die membran getrennten Flüssigkeitsströme vorzugsweise im Gegenstrom geführt werden, und daß die Rezipientenilüssigkeit so beschaffen ist, daß sie den auszutauschenden Bestandteil mit möglichst großer Inteusität aufnimmt.
  9. 9. Einrichtung zur Durchiührung des Verfahrens nach einem oder mehreren der verstehenden Anspruche mit zwei durch die Membran getrennten Flüssigkeitskanälen, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus einem der folgenden Stoffe besteht: durch Polymerisation entstandene Materialien, insbesondere Polyäthylen, Polypropyleu, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polytetrafluoräthylen und dergl., Siliconkeutschnt oder Naturgummi.
  10. 10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung hinter der Membran ein Detektor furt die zu messende Elgenschaft des Rezipientenstromes angeordnet ist.
  11. 11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung vor und hinter der Membran Detektoren für die zu messende Eigenschaft des Rezipientenstroms angeordnet sind.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2333546A1 (fr) * 1975-12-01 1977-07-01 Monsanto Co Procede de separation par membrane de produits organiques neutres a partir d'une solution aqueuse et nouveaux produits ainsi obtenus

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FR2333546A1 (fr) * 1975-12-01 1977-07-01 Monsanto Co Procede de separation par membrane de produits organiques neutres a partir d'une solution aqueuse et nouveaux produits ainsi obtenus

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