IV. Pervaporáció 1. Bevezetés

Átírás

1 IV. Pervaporáció 1. Bevezetés A pervaporáció a membrán-elválasztás és az elpárologtatás energiahatékony kombinációja ( membrane permeation + evaporation = pervaporation ). Azeotrop, közeli forrpontú, izomer és hőérzékeny elegyek szétválasztására nyújt vonzó alternatívát az energiaigényes desztillációs módszerekkel szemben. A szétválasztás alacsony hőmérsékleten és nyomáson, szétválasztó ágens bevitele nélkül, gazdaságosan, biztonságosan és környezetbarát módon történhet. Tiszta (hulladékszegény) technológia, amely különösképpen alkalmas illékony szerves vegyületek kezelésére. A pervaporációs módszereken alapuló szétválasztási módszereket fő csoportjai: (i) vizes-szerves elegyek vízmentesítése (ii) nyomnyi mennyiségű illékony szerves vegyületek eltávolítása vizes oldatból (iii) szerves oldószerelegyek szétválasztása A membránokat két csoportja aszerint, hogy a vizet vagy a szerves vegyületeket engedik át inkább: hidrofil és organofil membránok. Az iparban elsősorban a hidrofil membránokat alkalmazzák szerves oldószerek víztelenítésére. A víz kivonásának sebessége (fluxusa) és szelektivitása a membrán aktív rétegének kémiai szerkezetétől és térhálósításának módjától függ. A hidrofil membránok döntő többsége - polivinil-alkoholból (PVA) készül, - kisebb vagy nagyobb mértékben termikusan vagy speciális ágensekkel térhálósított, hogy savas, vagy erősen szolvatáló közegben is megfelelő kémiai ellenállóképessége legyen. Az organofil membránok a vizes és gáznemű effluensekből egy szerves vegyület eltávolítását teszik lehetővé. Ipari alkalmazásukra eddig csak néhány példa volt. E membránok az aromaanyagok és a petrolkémiai iparokban az aromás vegyületek pervaporációval történő kinyerése terén játszhatnak fontos szerepet. A szintetikus polimerek nemcsak jobb termikus és mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a természetes polimerek, hanem jó a szelektivitásuk és áteresztőképességük is. Ez ideig a polimer membránok még nem nyertek széles körű ipari alkalmazást, részben amiatt, hogy szerves elegyekben, melyek duzzadást ( swelling ) és a membrán integritásának elvesztését

2 okozzák, a membránok hatékonysága leromlik. Stabilitásának javítása érdekében azokat széleskörűen térhálósítják és összekeverik. A szabályozott pórusméretű, robusztus szervetlen membránokban a polimer réteg nyújtja a szétválasztó funkciót és a szervetlen hordozó a mechanikai integritást. A felhasznált polimer kompozitok többsége a polimernek a szervetlen szubsztrátumhoz való fizikai kötődésén és azt követő térhálósításon alapul. E kompozitok még akkor is stabilisak, amikor olyan folyadékkal érintkeznek, amelyben a polimer önmagában teljesen feloldódna. A zeolit membránoknak előnyei: jól beállítható szelektivitás, nagy áteresztőképesség, kis energiafogyasztás, alkalmasság kombinált reakció-szétválasztó rendszerekre. 2. A pervaporáció elmélete Pervaporáció: a folyadékelegy (betáplálás, feed ) szétválasztása egy sűrű membránon át történő részleges elpárologtatásával (1. ábra). 1. ábra. A pervaporációs művelet sémája A membrán kimenő oldalát (permeátumoldal/gőzoldal), ahol a permeátumot nyerik, általában vákuum alatt tartják, és az átengedett gőzöket azonnal kondenzálják. A sűrű membrán a 2

3 folyadék-, míg a porózus tartó réteg a gőzoldalon van. A fázisváltozás a membránban történik és a párolgáshőt a vékony sűrű rétegen átvezetett folyadék lehűlése szolgáltatja. A folyadék hőmérsékletcsökkenése viszont csökkenti az áteresztés sebességét. Emiatt egy fokozatban csak a betáplálás 2-5 %-át választják le. Ha ez nem elég, több (max. 12) fokozatot kötnek sorba, és az egyes fokozatok között az oldatot melegítik. A membránok általában oldódási-diffúziós transzport-mechanizmus alapján működnek. A szétválasztandó komponensek a membránon át eltérő sebességgel diffundálnak. A tömegtranszportot koncentráció- és parciális nyomás-gradiens okozza. Egy komponens a többinél sokkal nagyobb mértékben jut át a membránon, és a permeátumban feldúsul. Ugyanakkor a membrán bemeneti oldalán maradó folyadék (retentátum) ebben a komponensben szegényedik. Az elpárologtatás egyszerű flashinghez hasonló. A permszelektív (áteresztő (permeábilis) és szelektív) membránokon át történő tömegtranszport egymást követő lépései: 1. A betáplálás komponenseinek megoszlása az áramló folyadékelegy és a membrán bemenő oldalán lévő duzzadt felületi réteg között. 2. A komponensek diffúziója a felületi rétegtől a membránon át. 3. E komponensek deszorpciója a membrán kimenő oldali felületénél. Egy adott binér elegyre (komponensek i és j) a membrán szétválasztóképességét a szétválasztási tényezővel jellemzik: y p, i / y p, j α = 1 (1) x / x f, i f, j ahol yp,i az i (preferált) komponens móltörtje a permeátumban és xf,i e komponens móltörtje a betáplálásban. Minél nagyobb α értéke, annál nagyobb a szelektivitás. A szétválasztási tényező a komponensek permeátumbeli fluxusa segítségével is kifejezhető: J i x f, j α = (2) J x j f, i ahol Ji az i komponens permeátumbeli fluxusa (mol i/(m 2 s)) A membránok pervaporációs hatékonyságát a permeációs fluxussal (J, kg/m 2 h) és a szétválasztási tényezővel (α) jellemezzük. Amikor ezek közül az egyik nő, akkor általában a másik csökken. A membrán szétválasztóképességét ezért a pervaporációs szétválasztási indexszel adhatjuk meg: PSI=Jtot α (3) 3

4 ahol Jtot a teljes permeátum fluxus. A pervaporációs folyamat szelektivitását két részre bontjuk: a membrán szelektivitása (αm) és az elpárologtatás szelektivitása (αvap, ami a relatív illékonysággal egyezik meg). Így α=αm αvap (4) Egy (k) komponensnek a membránon átmenő (parciális) fluxusát (tömegáramsűrűségét, kg/m 2 h) a teljes fluxus és az illető komponens permeátumbeli tömegtörtjének szorzata adja meg: Jk=Jtotwp,k (5) 3. A membrán működését befolyásoló tényezők Egy tipikus pervaporációs berendezés folyamatábrája látható a 2. ábrán. 2. ábra Pervaporációs berendezés folyamatábrája A membrán működésének hatékonyságát a következő tényezők befolyásolják [1]. (i) A betáplálás összetétele Változása közvetlenül befolyásolja a szorpciós jelenségeket (duzzadás mértéke) a folyadék membrán határfelületen, és mivel a komponensek membránbeli diffúziója a koncentrációjuk függvénye, az áteresztési tulajdonságokat is. 4

5 (ii) A betáplálás és permeátum nyomása A pervaporáció fő hajtóereje a komponensek aktivitásának gradiense a membránban. A permeátum nyomása közvetlen kapcsolatban áll a komponensek membrán kimeneti oldali aktivitásával. A betáplálási oldalon általában atmoszférikus vagy annál kicsit nagyobb, a permeátum oldalon pedig jelentősen csökkentett nyomást (vákuumot) alkalmaznak. A maximális gradiens zéró permeátum nyomásra adódna. (iii) Hőmérséklet A betáp hőmérsékletének növekedésekor a permeáció sebessége (a fluxus) exponenciálisan nő. A szelektivitás is függ a hőmérséklettől; növekedésekor a szelektivitás általában kismértékben csökken. Az áteresztő képesség 10 C növelésre %-kal nő, ugyanakkor a szelektivitás csak kicsit csökken. (iv) Koncentrációs polarizáció (KP) A kevésbé permeábilis komponens membrán felületéhez közeli határrétegben feldúsul. A határréteg és a főtömeg közötti koncentráció-gradienst koncentrációs polarizációnak nevezik. A szerves-vizes elegyek pervaporációjában a KP nem játszik nagyon jelentős szerepet. Szerepét szerves elegyek szétválasztásakor még vizsgálják. Az anyag membránon való áthaladásakor duzzadás lép fel, amely annak - áteresztőképességét növeli, - szelektivitását csökkenti. Egy idő után a szelektivitás annyira lecsökken, hogy a membránt regenerálni kell. 5

6 4. Membrán-modul típusok Minden membrán üzem központi része a modul, ami a membránokat különböző elrendezésben tartalmazza. A modul tervezésekor a következő szempontokat kell figyelembe venni: -töltési sűrűség (helykihasználás), -költség-hatékony gyártás, -könnyű tisztítási lehetőség, -a membrán olcsó cserélési lehetősége. A pervaporációra használt membrán-modulok: 1. Cső membrán-modul 2. Lapmembrán 1. Cső membrán-modulok. A tömlő formájú membrán mm belső átmérőjű nyomásálló cső belsejében helyezkedik el (3 ábra). Ha a tartócső nem áteresztő, a tartó cső ( support tube ) és a membrán közé porózus vékony falú csövet illesztenek. Sok esetben több csőmembránt egy közös tartó blokkban helyeznek el a megfelelő töltési sűrűség érdekében. A pervaporációra használt zeolit membránokat általában cső formájúra gyártják. E modulok -alacsony nyomásesés mellett kiválóan ellenállnak a szennyezéseknek, -nem alkalmasak nagy nyomású működtetésre, -gyártási költsége magas.. 3. ábra Cső membrán-modul vázlata 6

7 2. Lapmembrán-rendszerek ( plate and frame systems ) A betáplálás szögletes csatornákon át folyik (4. ábra). A méretre és formára szabott membránlapokat távtartók ( spacer ) választják el egymástól m 2 /m 3 töltési sűrűség érhető el, ami kisebb, mint a többi modultípusnál. Pervaporációra igen alkalmas, mert -szerves oldószereknek ellenálló tömítőanyagokat lehet alkalmazni, -magas hőmérsékletű műveletre alkalmas, az egyes fokozatok közötti fűtés lehetősége miatt. 4. ábra Lap membrán-modul vázlata 7