Pervaporación - Pervaporation
La pervaporación (o separación pervaporativa) es un método de procesamiento para la separación de mezclas de líquidos mediante vaporización parcial a través de una membrana no porosa o porosa .
Teoría
El término pervaporación es un acrónimo de los dos pasos del proceso: (a) permeación a través de la membrana por el permeado , luego (b) su evaporación en la fase de vapor. Este proceso es utilizado por varias industrias para varios procesos diferentes, incluida la purificación y el análisis , debido a su simplicidad y naturaleza en línea .
La membrana actúa como una barrera selectiva entre las dos fases: la alimentación en fase líquida y el permeado en fase vapor. Permite que los componentes deseados de la alimentación líquida se transfieran a través de ella por vaporización . La separación de componentes se basa en una diferencia en la velocidad de transporte de los componentes individuales a través de la membrana.
Normalmente, el lado corriente arriba de la membrana está a presión ambiente y el lado corriente abajo está al vacío para permitir la evaporación del componente selectivo después de la permeación a través de la membrana. La fuerza impulsora para la separación es la diferencia en las presiones parciales de los componentes en los dos lados y no la diferencia de volatilidad de los componentes en la alimentación.
La fuerza impulsora para el transporte de diferentes componentes es proporcionada por una diferencia de potencial químico entre la alimentación / retenido líquido y el permeado de vapor en cada lado de la membrana. El retenido es el resto de la alimentación que sale de la cámara de alimentación de la membrana, que no se permea a través de la membrana. El potencial químico se puede expresar en términos de fugacidad , dada por la ley de Raoult para un líquido y por la ley de Dalton para un gas (ideal). Durante el funcionamiento, debido a la eliminación del permeado en fase de vapor, la fugacidad real del vapor es menor que la anticipada en base al permeado recolectado (condensado).
La separación de componentes ( por ejemplo, agua y etanol) se basa en una diferencia en la velocidad de transporte de los componentes individuales a través de la membrana. Este mecanismo de transporte se puede describir utilizando el modelo solución-difusión, basado en la velocidad / grado de disolución de un componente en la membrana y su velocidad de transporte (expresada en términos de difusividad) a través de la membrana, que será diferente para cada componente. y tipo de membrana que conduce a la separación.
Aplicaciones
La pervaporación es eficaz para diluir soluciones que contienen trazas o cantidades menores del componente a eliminar. En base a esto, las membranas hidrófilas se utilizan para la deshidratación de alcoholes que contienen pequeñas cantidades de agua y las membranas hidrófobas se utilizan para la eliminación / recuperación de trazas de compuestos orgánicos de soluciones acuosas .
La pervaporación es una alternativa eficiente de conservación de energía a procesos como la destilación y la evaporación . Permite el intercambio de dos fases sin contacto directo.
Los ejemplos incluyen deshidratación de solventes: deshidratación de azeótropos de etanol / agua e isopropanol / agua, remoción continua de etanol de fermentadores de levadura , remoción continua de agua de reacciones de condensación tales como esterificaciones para mejorar la conversión y velocidad de la reacción, espectrometría de masas de introducción de membranas , remoción de solventes orgánicos de aguas residuales industriales, combinación de destilación y pervaporación / permeación de vapor, y concentración de compuestos aromatizantes hidrófobos en soluciones acuosas (utilizando membranas hidrófobas)
Recientemente, se han introducido en el mercado varias membranas de pervaporación organofílica. Las membranas de pervaporación organofílica se pueden utilizar para la separación de mezclas orgánico-orgánicas, por ejemplo: reducción del contenido de aromáticos en corrientes de refinería, ruptura de azeótropos , purificación de medios de extracción, purificación de la corriente de producto después de la extracción y purificación de disolventes orgánicos
Materiales
Las membranas hidrófobas a menudo se basan en polidimetilsiloxano donde el mecanismo de separación real se basa en el modelo de difusión de solución descrito anteriormente.
Las membranas hidrófilas están más disponibles. El sistema de membranas de pervaporación comercialmente más exitoso hasta la fecha se basa en alcohol polivinílico . Más recientemente también se han puesto a disposición membranas basadas en poliimida . Para superar las desventajas intrínsecas de los sistemas de membranas poliméricas, se han desarrollado membranas cerámicas durante la última década. Estas membranas cerámicas constan de capas nanoporosas sobre un soporte macroporoso. Los poros deben ser lo suficientemente grandes para permitir que las moléculas de agua pasen y retengan cualquier otro solvente que tenga un tamaño molecular mayor, como el etanol. Como resultado, se obtiene un tamiz molecular con un tamaño de poro de aproximadamente 4 Å . El miembro más ampliamente disponible de esta clase de membranas es el basado en zeolita A.
Alternativamente a estos materiales cristalinos, la estructura porosa de las capas de sílice amorfa se puede adaptar a la selectividad molecular. Estas membranas se fabrican mediante procesos químicos sol-gel . La investigación de nuevas membranas cerámicas hidrófilas se ha centrado en titania o zirconia . Muy recientemente se ha logrado un gran avance en la estabilidad hidrotermal mediante el desarrollo de un material híbrido orgánico-inorgánico.
Ver también
Referencias
Otras lecturas
- Fontalvo Alzate, Javier (2006). Diseño y ejecución de procesos de pervaporación de flujo bifásico y destilación híbrida . Technische Universiteit Eindhoven, Países Bajos: JWL boekproducties. ISBN 978-90-386-3007-6.
- Matuschewski, Heike (2008). MSE - membranas modificadas en pervaporación organofílica para separación de aromáticos / alifáticos . www.desline.com: Desalación.
- Eslami, Shahabedin; Aroujalian, Abdolreza; Bonakdarpour, Babak; Raeesi, Ahamdreza (2008). "Acoplamiento del sistema de pervaporación con el proceso de fermentación" (PDF) . Congreso Internacional de Membranas y Tecnología de Membranas (ICOM2008) Honolulu, Hawaii, USA .