Pervaporizare - Pervaporation

Pervaporizarea (sau separarea pervaporativă) este o metodă de procesare pentru separarea amestecurilor de lichide prin vaporizare parțială printr-o membrană neporoasă sau poroasă .

Teorie

Termenul de pervaporizare este o combinație a celor două etape ale procesului: (a) permeația prin membrană de către permeat , apoi (b) evaporarea acestuia în faza de vapori. Acest proces este utilizat de o serie de industrii pentru mai multe procese diferite, inclusiv purificare și analiză , datorită simplității și naturii sale în linie .

Membrana acționează ca o barieră selectivă între cele două faze: alimentarea în fază lichidă și permeata fazei de vapori. Permite componentelor dorite ale alimentării lichide să se transfere prin ea prin vaporizare . Separarea componentelor se bazează pe o diferență a ratei de transport a componentelor individuale prin membrană.

De obicei, partea din amonte a membranei este la presiune ambiantă și partea din aval este sub vid pentru a permite evaporarea componentei selective după permeația prin membrană. Forța motrice pentru separare este diferența dintre presiunile parțiale ale componentelor de pe cele două părți și nu diferența de volatilitate a componentelor din alimentare.

Forța motrice pentru transportul diferitelor componente este asigurată de o diferență chimică de potențial între alimentarea lichidă / retentat și vaporii permeați de fiecare parte a membranei. Retentatul este restul de alimentare care iese din camera de alimentare a membranei, care nu este pătrunsă prin membrană. Potențialul chimic poate fi exprimat în termeni de fugacitate , dată de legea lui Raoult pentru un lichid și de legea lui Dalton pentru gazul (un ideal). În timpul funcționării, datorită îndepărtării permeatului de fază de vapori, fugacitatea efectivă a vaporilor este mai mică decât s-a anticipat pe baza permeatului colectat (condensat).

Separarea componentelor (de exemplu, apă și etanol) se bazează pe o diferență a ratei de transport a componentelor individuale prin membrană. Acest mecanism de transport poate fi descris folosind modelul soluție-difuzie, bazat pe viteza / gradul de dizolvare a unei componente în membrană și viteza de transport a acesteia (exprimată în termeni de difuzivitate) prin membrană, care va fi diferită pentru fiecare componentă și tip membrană care duce la separare.

Aplicații

Pervaporizarea este eficientă pentru diluarea soluțiilor care conțin urme sau cantități minore de component care trebuie îndepărtat. Pe baza acestui fapt, membranele hidrofile sunt utilizate pentru deshidratarea alcoolilor care conțin cantități mici de apă, iar membranele hidrofobe sunt utilizate pentru îndepărtarea / recuperarea unor urme de organice din soluții apoase .

Pervaporizarea este o alternativă eficientă de economisire a energiei la procesele precum distilarea și evaporarea . Permite schimbul a două faze fără contact direct.

Exemplele includ deshidratarea solventului: deshidratarea etanol / apă și izopropanol / apă azeotrope, îndepărtarea continuă a etanolului din fermentatorii de drojdie , îndepărtarea continuă a apei din reacțiile de condensare, cum ar fi esterificările pentru a spori conversia și viteza reacției, introducerea membranei spectrometria de masă , îndepărtarea solvenților organici din ape uzate industriale, combinație de distilare și pervaporare / permeabilitate la vapori și concentrație de compuși aromatici hidrofobi în soluții apoase (folosind membrane hidrofobe)

Recent, o serie de membrane de pervaporare organofilă au fost introduse pe piață. Membranele de pervaporare organofilă pot fi utilizate pentru separarea amestecurilor organice-organice, de exemplu: reducerea conținutului aromatic din fluxurile de rafinărie, ruperea azeotropelor , purificarea mediului de extracție, purificarea fluxului de produse după extracție și purificarea solvenților organici

Materiale

Membranele hidrofobe sunt adesea bazate pe polidimetilsiloxan , unde mecanismul de separare propriu-zis se bazează pe modelul de soluție-difuzie descris mai sus.

Membranele hidrofile sunt mai disponibile pe scară largă. Cel mai de succes sistem de membrană de pervaporare din punct de vedere comercial până în prezent se bazează pe alcool polivinilic . Mai recent, au devenit disponibile și membrane pe bază de poliimidă . Pentru a depăși dezavantajele intrinseci ale sistemelor de membrane polimerice, membranele ceramice au fost dezvoltate în ultimul deceniu. Aceste membrane ceramice constau din straturi nanoporoase deasupra unui suport macroporos. Porii trebuie să fie suficient de mari pentru a permite moleculelor de apă să treacă și să rețină orice alți solvenți care au o dimensiune moleculară mai mare, cum ar fi etanolul. Ca rezultat, se obține o sită moleculară cu o dimensiune a porilor de aproximativ 4 Å . Cel mai disponibil membru al acestei clase de membrane este cel bazat pe zeolit A.

Alternativ la aceste materiale cristaline, structura poroasă a straturilor de silice amorfă poate fi adaptată la selectivitatea moleculară. Aceste membrane sunt fabricate prin procese chimice sol-gel . Cercetările privind membranele ceramice hidrofile noi s-au concentrat pe titanie sau zirconiu . Foarte recent s-a realizat o spargere a stabilității hidrotermale prin dezvoltarea unui material hibrid organico-anorganic.

Vezi si

• Transfer în masă

Referințe

Lecturi suplimentare

• Fontalvo Alzate, Javier (2006). Proiectarea și performanța procesului de pervaporizare în flux cu două faze și a procesului de distilare hibridă . Technische Universiteit Eindhoven, Olanda: JWL boekproducties. ISBN 978-90-386-3007-6.
• Matuschewski, Heike (2008). MSE - membrane modificate în pervaporarea organofilă pentru separarea aromaticilor / alifaticelor . www.desline.com: Desalinizare.
• Eslami, Shahabedin; Aroujalian, Abdolreza; Bonakdarpour, Babak; Raeesi, Ahamdreza (2008). "Cuplarea sistemului de Pervaporation cu Procesul de Fermentare" (PDF) . Congresul internațional privind membrana și tehnologia membranelor (ICOM2008) Honolulu, Hawaii, SUA .