Первапорация

Первапорация (или первапорационная сепарация) — технологический метод разделения смесей жидкостей путем частичного испарения через непористую или пористую мембрану . ^[1]

Теория

Термин «первапорация» представляет собой сочетание двух стадий процесса: (а) проникновения пермеата через мембрану, затем (б) его испарения в паровую фазу. Этот процесс используется в ряде отраслей промышленности для различных процессов, включая очистку и анализ , из-за его простоты и поточного характера.

Мембрана действует как селективный барьер между двумя фазами: жидкой фазой сырья и паровой фазой пермеата. Это позволяет желаемым компонентам жидкого сырья проходить через него путем испарения . Разделение компонентов основано на разнице в скорости транспорта отдельных компонентов через мембрану.

Обычно входная сторона мембраны находится под давлением окружающей среды, а выходная сторона находится под вакуумом, что обеспечивает испарение селективного компонента после проникновения через мембрану. Движущей силой разделения является разница парциальных давлений компонентов с двух сторон, а не разница летучести компонентов в сырье.

Движущей силой транспорта различных компонентов является разность химических потенциалов между жидким сырьем/ретентатом и паром, проникающим на каждой стороне мембраны. Ретентат представляет собой остаток корма, выходящий из мембранной камеры подачи, который не проникает через мембрану. Химический потенциал можно выразить через летучесть , определяемую законом Рауля для жидкости и законом Дальтона для (идеального) газа. Во время работы из-за удаления пермеата паровой фазы фактическая летучесть пара ниже, чем предполагалось на основе собранного (конденсированного) пермеата.

Разделение компонентов ( например, воды и этанола) основано на разнице в скорости транспорта отдельных компонентов через мембрану. Этот механизм транспорта можно описать с помощью модели раствор-диффузия, основанной на скорости/степени растворения компонента в мембране и скорости его транспорта (выраженной через коэффициент диффузии) через мембрану, которая будет разной для каждого компонента. и тип мембраны, приводящий к разделению.

Приложения

Первапорация эффективна для разбавленных растворов, содержащих следовые или незначительные количества удаляемого компонента. Исходя из этого, гидрофильные мембраны используются для дегидратации спиртов, содержащих небольшое количество воды, а гидрофобные мембраны используются для удаления/восстановления следовых количеств органики из водных растворов.

Первапорация является эффективной энергосберегающей альтернативой таким процессам, как дистилляция и испарение . Это позволяет осуществлять замену двух фаз без прямого контакта. ^[2]

Примеры включают дегидратацию растворителя: дегидратацию азеотропов этанол/вода и изопропанол/вода, непрерывное удаление этанола из дрожжевых ферментеров , непрерывное удаление воды из реакций конденсации, таких как этерификация, для повышения конверсии и скорости реакции, масс-спектрометрия с введением в мембрану , удаление органических растворителей из промышленные сточные воды, сочетание дистилляции и первапорации/паропроницаемости, а также концентрирование гидрофобных ароматических соединений в водных растворах (с использованием гидрофобных мембран).

Недавно на рынке появился ряд органофильных первапорационных мембран. Органофильные первапорационные мембраны могут использоваться для разделения органо-органических смесей, например: снижения содержания ароматических соединений в потоках нефтеперерабатывающего завода, разрушения азеотропов , очистки экстракционных сред, очистки потока продуктов после экстракции и очистки органических растворителей.

Материалы

Гидрофобные мембраны часто изготавливаются на основе полидиметилсилоксана , где фактический механизм разделения основан на модели диффузии раствора, описанной выше.

Гидрофильные мембраны более широко доступны. На сегодняшний день наиболее коммерчески успешная первапорационная мембранная система основана на поливиниловом спирте . мембраны на основе полиимида Совсем недавно стали доступны . Чтобы преодолеть присущие полимерным мембранным системам недостатки, керамические в последнее десятилетие были разработаны мембраны. Эти керамические мембраны состоят из нанопористых слоев поверх макропористой основы. Поры должны быть достаточно большими, чтобы пропускать молекулы воды и удерживать любые другие растворители с более крупными размерами молекул, такие как этанол. В результате молекулярное сито с размером пор около 4 Å получается . Наиболее широко доступным представителем этого класса мембран являются мембраны на основе цеолита А.

В качестве альтернативы этим кристаллическим материалам пористая структура слоев аморфного кремнезема может быть адаптирована к молекулярной селективности. Эти мембраны изготавливаются золь-гель- химическими процессами. Исследования новых гидрофильных керамических мембран были сосредоточены на титане и цирконии . Совсем недавно прорыв в гидротермальной стабильности был достигнут благодаря разработке органо-неорганического гибридного материала. ^{[ нужна ссылка ]}

См. также

Массовый трансфер

Ссылки

^ Стратманн, Х. (2001). «Процессы мембранного разделения: актуальная актуальность и будущие возможности» (PDF) . Журнал Айше . 47 (5): 1077–1087. Бибкод : 2001АИЧЕ..47.1077С . дои : 10.1002/aic.690470514 . ISSN 0001-1541 .
^ Сае-Хоу, Орнтида; Митра, Соменат (декабрь 2009 г.). «Первапорация в химическом анализе». Журнал хроматографии А. 1217 (16): 2736–2746. дои : 10.1016/j.chroma.2009.12.043 . ПМИД 20060529 .

Дальнейшее чтение

Фонтальво Альсате, Хавьер (2006). Проектирование и реализация процесса двухфазной потоковой первапорации и гибридной дистилляции . Технический университет Эйндховена, Нидерланды: JWL boekproducties. ISBN 978-90-386-3007-6 .
Матушевский, Хайке (2008). MSE — модифицированные мембраны органофильной первапорации для разделения ароматических и алифатических соединений . www.desline.com: Опреснение.
Эслами, Шахабедин; Аруджалян, Абдолреза; Бонакдарпур, Бабак; Раиси, Ахамдреза (2008). «Сочетание системы первапорации с процессом ферментации» (PDF) . Международный конгресс по мембранам и мембранным технологиям (ICOM2008) Гонолулу, Гавайи, США .

[Strathmann2001-1] Стратманн, Х. (2001). «Процессы мембранного разделения: актуальная актуальность и будущие возможности» (PDF) . Журнал Айше . 47 (5): 1077–1087. Бибкод : 2001АИЧЕ..47.1077С . дои : 10.1002/aic.690470514 . ISSN 0001-1541 .

[2] Сае-Хоу, Орнтида; Митра, Соменат (декабрь 2009 г.). «Первапорация в химическом анализе». Журнал хроматографии А. 1217 (16): 2736–2746. дои : 10.1016/j.chroma.2009.12.043 . ПМИД 20060529 .

[1]

[2]