Первапорация (или диффузионное испарение) — это метод разделения смесей жидкостей путем частичного испарения через непористую или пористую мембрану . [1]
Термин «первапорация» является гибридом двух этапов процесса: (a) проникновение через мембрану пермеата, затем (b) его испарение в паровую фазу. Этот процесс используется в ряде отраслей промышленности для различных процессов, включая очистку и анализ , благодаря своей простоте и поточной природе.
Мембрана действует как селективный барьер между двумя фазами: жидкофазным сырьем и парофазным пермеатом. Она позволяет желаемым компонентам жидкого сырья проходить через нее путем испарения . Разделение компонентов основано на разнице в скорости переноса отдельных компонентов через мембрану.
Обычно сторона мембраны, расположенная выше по потоку, находится под давлением окружающей среды, а сторона, расположенная ниже по потоку, находится под вакуумом, что позволяет испарять селективный компонент после проникновения через мембрану. Движущей силой разделения является разница парциальных давлений компонентов с двух сторон, а не разница летучести компонентов в исходном материале.
Движущая сила для транспортировки различных компонентов обеспечивается разностью химических потенциалов между жидкой подачей/ретентатом и паровым пермеатом с каждой стороны мембраны. Ретентат представляет собой остаток подачи, покидающий камеру подачи мембраны, который не проникает через мембрану. Химический потенциал может быть выражен через летучесть , заданную законом Рауля для жидкости и законом Дальтона для (идеального) газа. Во время работы из-за удаления паровой фазы пермеата фактическая летучесть пара ниже, чем предполагалось 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 растворения-диффузии, основанной на скорости/степени растворения компонента в мембране и скорости его переноса (выраженной в терминах диффузионной способности) через мембрану, которая будет различной для каждого компонента и типа мембраны, приводящей к разделению.
Первапорация эффективна для разбавленных растворов, содержащих следовые или незначительные количества удаляемого компонента. Исходя из этого, гидрофильные мембраны используются для дегидратации спиртов, содержащих небольшие количества воды, а гидрофобные мембраны используются для удаления/извлечения следовых количеств органических веществ из водных растворов.
Первапорация является эффективной энергосберегающей альтернативой таким процессам, как дистилляция и испарение . Она позволяет производить обмен двух фаз без прямого контакта. [2]
Примерами служат дегидратация растворителя: дегидратация азеотропов этанол/вода и изопропанол/вода, непрерывное удаление этанола из дрожжевых ферментеров , непрерывное удаление воды из реакций конденсации, таких как этерификации, для повышения конверсии и скорости реакции, масс-спектрометрия с введением мембраны , удаление органических растворителей из промышленных сточных вод, сочетание дистилляции и первапорации/паропроницаемости и концентрация 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: для снижения содержания ароматических соединений в потоках нефтеперерабатывающих заводов, разрушения азеотропов , очистки экстракционных сред, очистки потока продукта после экстракции и очистки органических растворителей.
Гидрофобные мембраны часто изготавливаются на основе полидиметилсилоксана , где фактический механизм разделения основан на модели растворения-диффузии, описанной выше.
Гидрофильные мембраны более широко доступны. Наиболее успешной в коммерческом плане первапорационной мембранной системой на сегодняшний день является система на основе поливинилового спирта . Совсем недавно также стали доступны мембраны на основе полиимида . Для преодоления внутренних недостатков полимерных мембранных систем за последнее десятилетие были разработаны керамические мембраны. Эти керамические мембраны состоят из нанопористых слоев поверх макропористой подложки. Поры должны быть достаточно большими, чтобы пропускать молекулы воды и удерживать любые другие растворители с большим молекулярным размером, такие как 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 аморфных слоев кремния может быть адаптирована к молекулярной селективности. Эти мембраны изготавливаются с помощью золь-гель химических процессов. Исследования новых гидрофильных керамических мембран были сосредоточены на оксиде титана или циркония . Совсем недавно прорыв в гидротермальной стабильности был достигнут за счет разработки органо-неорганического гибридного материала. [ необходима цитата ]