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pervaporazione

La pervaporazione (o separazione pervaporativa) è un metodo di elaborazione per la separazione di miscele di liquidi mediante vaporizzazione parziale attraverso una membrana non porosa o porosa.

Teoria

Il termine pervaporazione è un portmanteau delle due fasi del processo: (a) permeazione attraverso la membrana da parte del permeato, quindi (b) sua evaporazione nella fase vapore. Questo processo è utilizzato da un certo numero di industrie per diversi processi, tra cui purificazione e analisi, grazie alla sua semplicità e natura in linea.

La membrana funge da barriera selettiva tra le due fasi: l'alimentazione in fase liquida e il permeato in fase vapore. Consente ai componenti desiderati dell'alimentazione liquida di trasferirsi attraverso di esso mediante vaporizzazione. La separazione dei componenti si basa su una differenza nella velocità di trasporto dei singoli componenti attraverso la membrana.

Tipicamente, il lato a monte della membrana è a pressione ambiente e il lato a valle è sotto vuoto per consentire l'evaporazione del componente selettivo dopo la permeazione attraverso la membrana. La forza trainante per la separazione è la differenza nelle pressioni parziali dei componenti sui due lati e non la differenza di volatilità dei componenti nell'alimentazione

La forza motrice per il trasporto di diversi componenti è fornita da una differenza di potenziale chimico tra l'alimentazione del liquido / retentato e il permeato di vapore su ciascun lato della membrana. Il retentato è il resto dell'alimentazione che lascia la camera di alimentazione della membrana, che non è permeata attraverso la membrana. Il potenziale chimico può essere espresso in termini di fugacità, dato dalla legge di Raoult per un liquido e dalla legge di Dalton per un gas (ideale). Durante il funzionamento, a causa della rimozione del permeato in fase vapore, l'effettiva fugacità del vapore è inferiore a quanto previsto sulla base del permeato raccolto (condensato).

La separazione dei componenti ( ad es. Acqua ed etanolo) si basa su una differenza nella velocità di trasporto dei singoli componenti attraverso la membrana. Questo meccanismo di trasporto può essere descritto usando il modello soluzione-diffusione, basato sulla velocità / grado di dissoluzione di un componente nella membrana e sulla sua velocità di trasporto (espressa in termini di diffusività) attraverso la membrana, che sarà diversa per ciascun componente e il tipo di membrana che porta alla separazione.

applicazioni

La pervaporazione è efficace per diluire soluzioni contenenti tracce o piccole quantità del componente da rimuovere. Sulla base di questo, le membrane idrofile vengono utilizzate per la disidratazione di alcoli contenenti piccole quantità di acqua e le membrane idrofobe vengono utilizzate per la rimozione / recupero di tracce di sostanze organiche da soluzioni acquose.

La pervaporazione è un'alternativa efficiente per il risparmio energetico a processi come la distillazione e l'evaporazione. Permette lo scambio di due fasi senza contatto diretto.

Esempi includono disidratazione con solvente: disidratazione dell'etanolo / acqua e isopropanolo / azeotropi dell'acqua, rimozione continua dell'etanolo dai fermentatori del lievito, rimozione continua dell'acqua dalle reazioni di condensazione come esterificazioni per migliorare la conversione e il tasso di reazione, introduzione della membrana spettrometria di massa, rimozione di solventi organici da acque reflue industriali, combinazione di distillazione e pervaporazione / permeazione del vapore e concentrazione di composti aromatici idrofobici in soluzioni acquose (utilizzando membrane idrofobiche)

Di recente sono state introdotte sul mercato numerose membrane organiche per pervaporazione. Le membrane di pervaporazione organofila possono essere utilizzate per la separazione di miscele organico-organiche, ad esempio: riduzione del contenuto di aromatici nei flussi di raffineria, rottura di azeotropi, purificazione dei mezzi di estrazione, purificazione del flusso di prodotti dopo l'estrazione e purificazione di solventi organici

materiale

Le membrane idrofobiche sono spesso a base di polidimetilsilossano in cui l'effettivo meccanismo di separazione si basa sul modello di diffusione della soluzione sopra descritto.

Le membrane idrofiliche sono più ampiamente disponibili. Il sistema di membrana per pervaporazione di maggior successo commerciale fino ad oggi si basa sull'alcool polivinilico. Più recentemente sono anche disponibili membrane a base di poliimmide. Per ovviare agli svantaggi intrinseci dei sistemi a membrana polimerica, le membrane ceramiche sono state sviluppate nell'ultimo decennio. Queste membrane ceramiche sono costituite da strati nanoporosi sopra un supporto macroporoso. I pori devono essere abbastanza grandi da consentire il passaggio delle molecole d'acqua e trattenere qualsiasi altro solvente che abbia una dimensione molecolare maggiore come l'etanolo. Di conseguenza, si ottiene un setaccio molecolare con una dimensione dei pori di circa 4 Å. Il membro più ampiamente disponibile di questa classe di membrane è quello a base di zeolite A.

In alternativa a questi materiali cristallini, la struttura porosa degli strati di silice amorfa può essere adattata alla selettività molecolare. Queste membrane sono fabbricate con processi chimici sol-gel. La ricerca sulle nuove membrane ceramiche idrofile si è concentrata sulla titania o sulla zirconia. Molto recentemente è stata raggiunta una svolta nella stabilità idrotermale attraverso lo sviluppo di un materiale ibrido organico-inorganico.