Первапорация (или первапорационное разделение) - это технологический метод разделения смесей жидкостей путем частичного испарения через непористую или пористую мембрану . [1]
Теория
Термин « первапорация» представляет собой сочетание двух стадий процесса: (а) проникновение через мембрану пермеатом , затем (б) его испарение в паровую фазу. Этот процесс используется в ряде отраслей для нескольких различных процессов, включая очистку и анализ , из-за его простоты и поточного характера.
Мембрана действует как селективный барьер между двумя фазами: жидкофазным потоком и парофазным пермеатом. Это позволяет желаемому компоненту (ам) жидкого сырья проходить через него путем испарения . Разделение компонентов основано на разнице в скорости переноса отдельных компонентов через мембрану.
Обычно входная сторона мембраны находится под давлением окружающей среды, а выходная сторона находится под вакуумом, чтобы позволить испарение селективного компонента после проникновения через мембрану. Движущей силой разделения является разница парциальных давлений компонентов на двух сторонах, а не разница летучести компонентов в сырье.
Движущая сила для переноса различных компонентов обеспечивается разницей химических потенциалов между исходной жидкостью / ретентатом и проникающим паром на каждой стороне мембраны. Ретентат - это остаток сырья, выходящий из камеры подачи мембраны, который не проникает через мембрану. Химический потенциал может быть выражен в терминах летучести , заданной законом Рауля для жидкости и законом Дальтона для (идеального) газа. Во время работы из-за удаления пермеата из паровой фазы фактическая летучесть пара ниже, чем ожидалось на основе собранного (конденсированного) пермеата.
Разделение компонентов ( например, воды и этанола) основано на разнице в скорости переноса отдельных компонентов через мембрану. Этот механизм переноса можно описать с помощью модели диффузии раствора, основанной на скорости / степени растворения компонента в мембране и скорости его переноса (выраженной в терминах диффузии) через мембрану, которая будет разной для каждого компонента. и мембранного типа, ведущего к разделению.
Приложения
Первапорация эффективна для разбавления растворов, содержащих следы или незначительные количества удаляемого компонента. Исходя из этого, гидрофильные мембраны используются для дегидратации спиртов, содержащих небольшие количества воды, а гидрофобные мембраны используются для удаления / восстановления следовых количеств органических веществ из водных растворов.
Первапорация - это эффективная энергосберегающая альтернатива таким процессам, как дистилляция и испарение . Это позволяет поменять две фазы 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 увеличения конверсии и скорости реакции, масс-спектрометрия введения мембраны , удаление органических растворителей из промышленные сточные воды, сочетание дистилляции и первапорации / паропроницаемости, а также концентрация гидрофобных ароматизирующих соединений в водных растворах (с использованием гидрофобных мембран)
Недавно на рынок был представлен ряд органофильных первапорационных мембран. Органофильные первапорационные мембраны могут использоваться для разделения органических-органических смесей, например: снижение содержания ароматических углеводородов в потоках нефтеперерабатывающих заводов, разрушение азеотропов , очистка экстракционной среды, очистка потока продукта после экстракции и очистка органических растворителей.
Материалы
Гидрофобные мембраны часто основаны на полидиметилсилоксане, где фактический механизм разделения основан на модели диффузии раствора, описанной выше.
Более широко доступны гидрофильные мембраны. На сегодняшний день наиболее коммерчески успешная мембранная система для первапорации основана на поливиниловом спирте . Совсем недавно стали доступны мембраны на основе полиимида . Чтобы преодолеть недостатки, присущие полимерным мембранным системам, в последнее десятилетие были разработаны керамические 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 крупным размером молекул, например этанол. В результате получается молекулярное сито с размером пор около 4 Å . Наиболее широко доступным представителем этого класса мембран является мембрана на основе цеолита А.
В качестве альтернативы этим кристаллическим материалам пористая структура слоев аморфного диоксида кремния может быть адаптирована к молекулярной селективности. Эти мембраны изготавливаются с помощью золь-гель химических процессов. Исследования новых гидрофильных керамических мембран были сосредоточены на диоксиде титана или диоксиде циркония . Совсем недавно прорыв в гидротермальной стабильности был достигнут благодаря разработке органически-неорганического гибридного материала. Нужна цитата
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Strathmann, H. (2001). «Процессы мембранного разделения: актуальность и будущие возможности». Журнал Айше . 47 (5): 1077–1087. DOI : 10.1002 / aic.690470514 . ISSN 0001-1541 .
- ^ Сае-Хоу, Орнтида; Митра, Соменат (декабрь 2009 г.). «Первапорация в химическом анализе». Журнал хроматографии A . 1217 (16): 2736–2746. DOI : 10.1016 / j.chroma.2009.12.043 . PMID 20060529 .
дальнейшее чтение
- Фонтальво Альзате, Хавьер (2006). Разработка и выполнение двухфазного процесса первапорации и гибридной дистилляции . Технический университет Эйндховена, Нидерланды: JWL boekproducties. ISBN 978-90-386-3007-6.
- Матущевский, Хайке (2008). MSE - модифицированные мембраны в органофильной первапорации для разделения ароматических / алифатических углеводородов . www.desline.com: Опреснение.
- Эслами, Шахабедин; Аружалиан, Абдолреза; Бонакдарпур, Бабак; Раэси, Ахамдреза (2008). «Связь системы первапорации с процессом ферментации» (PDF) . Международный конгресс по мембранным и мембранным технологиям (ICOM2008) Гонолулу, Гавайи, США .