Из литературных данных [8] известно, что на выделение бутанола из ферментационных смесей при дистилляции и адсорбции тратится большее количество энергии (24 МДж/кг и 33 МДж/кг соответственно), чем при первапорации (9 МДж/кг), а мембранная дистилляция и газовая сдувка имеют очень низкий показатель фактора разделения. Поэтому первапорационный метод имеет наилучший потенциал для выделения бутанола из ферментационной смеси. Стоит также отметить, что первапорация не требует расхода дополнительных реагентов, не требует регенерации фазы носителя, не оказывает каких-либо вредных воздействий на микроорганизмы.

Термин «первапорация» в 1917 г. впервые ввел П. Кобер [9]. Первапорация, или испарение через мембрану, представляет собой мембранный процесс разделения жидкостей, в котором питающий поток приводится в контакт с одной стороной непористой мембраны, а проникший через мембрану пермеат удаляется с ее обратной стороны в виде пара.

Градиент химического потенциала вдоль толщины мембраны является движущей силой мембранного процесса, которую необходимо создать для разделения компонентов:

(4)

где x – координата, перпендикулярная поверхности мембраны, ai – термодинамическая активность компонента i, T – температура, R – универсальная газовая постоянная. Используя закон Дальтона для идеальных газов и закон Рауля для жидкостей, может быть выражен через парциальные давления компонентов.

, (5)

где pi - парциальное равновесное давление над ферментационной смесью pi0 — равновесное давление пара чистого i-ого компонента при температуре Т. Поток какого-либо компонента через мембрану определяется движущей силой процесса:

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

, (6)

где L – коэффициент, который не обязательно должен быть константой. Из (4) следует: движущая сила мембранного процесса первапорации возникает при наличии градиента активности за счет разности парциальных давлений над жидкой смесью и над пермеатом за мембраной и/или градиента температуры вдоль толщины мембраны. Градиент активности чаще всего достигается искусственным понижением давления паров пермеата вакуумированием, сдувкой этих паров инертным газом или конденсацией на поверхности охлаждаемого теплообменника, который находится в самом модуле. Так в вакуумной первапорации (рис. 5 (а)) исходная жидкая смесь (сырье) подается на мембрану, через которую осуществляется селективное разделение. Вакуумный насос обеспечивает пониженное давление за мембраной. Проникшие через мембрану пары жидкой смеси конденсируются на поверхности холодильника и сконденсированный пермеат, который обогащен проникающими компонентами, собирается в специальную емкость. На сегодняшний день только вакуумная схема процесса используется в промышленности, в то время как другие два метода (рис. 5 (б) и рис. 5 (в)) развиты только на лабораторном уровне. Термоградиентный способ первапорационного разделения называется термопервапорацией.

Несмотря на некоторые технические различия, сам принцип разделения жидких смесей испарением через мембрану остается неизменным. Он имеет следующие основные черты:

1. В ходе переноса разделяемых компонентов через мембрану наблюдается фазовый переход жидкость-пар. В связи с этим эффективно с энергетической точки зрения использовать первапорацию для выделения компонентов, содержание которых в жидкой смеси невелико. Целевым продуктом первапорационного процесса может являться как обогащенный, так и обедненный потоки.

2. Непористая мембрана.

3. Одна из сторон непористой мембраны находится в контакте с разделяемой жидкой смесью.

4. Движущая сила разделительного процесса представлена либо градиентом активности либо градиентом температуры вдоль толщины мембраны.

Дв сила 4

Рис. 5. Различные конструкции первапорационных модулей: вакуумная первапорация (а), сдувка газом (б), термопервапорация (в).

Мембранная дистилляция

Процесс мембранной дистилляции происходит в системе, где две жидкости, которые разделены пористой селективной мембраной, находятся при разных значениях температуры. Стенки пор мембраны не должны смачиваться, иначе жидкость или раствор мгновенно заполнят поры мембраны за счет капиллярных сил. В связи с этим, когда имеем дело с водными растворами, необходимо использовать пористые гидрофобные мембраны. Общая схема процесса мембранной дистилляции изображена на рис. 6.

Рис. 6. Схема процесса мембранной дистилляции.

Если по обе стороны мембраны находятся жидкости одинакового состава и одинаковой температуры, то транспорт через мембрану происходить не будет. Если изменить температуру одной из фаз, то на мембране возникнет градиент температуры, который приводит к тому, что по обе стороны мембраны создадутся разные давления паров. Поэтому молекулы пара будут проникать через поры мембраны со стороны с большим давлением паров в сторону меньшего давления паров. Этот транспорт осуществляется в следующие стадии:

1.  Испарения части жидкой фазы на стороне с большей температурой.

2.  Проход молекул пара через поры гидрофобной мембраны.

3.  Конденсация этих молекул на стороне с более низкой температурой.

МД является одним из мембранных процессов, где единственная функция мембраны сводится к роли барьера между двумя фазами, то есть она не участвует в самом акте разделения. Селективность процесса полностью определяется возникающими равновесиями пар – жидкость, поэтому компонент, имеющий наибольшее значение парциального давления, имеет наибольшие скорости транспорта через мембрану. В случае солевых растворов, например, при малых концентрациях растворенного NaCl в воде, создается только давление паров воды, давлением паров NaCl можно пренебречь, поэтому через пористую мембрану проникает только вода с очень высокой селективностью.

∆ (7)

Феноменологическое уравнение (7) описывает перенос летучих компонентов через пористую мембрану. Согласно этому выражению поток прямо пропорционален движущей силе (градиенту температур по всей толщине мембраны. Различие температур определяет различие давлений паров (эта связь определяется известным уравнением Клапейрона-Клаузиуса).

В уравнении (7) скорость массопереноса J зависит от двух параметров: параметр В, характеризующий свойства пористой мембраны; параметр - движущая сила мембранного процесса. Первый параметр В зависит от природы материала мембраны (степень гидрофобности), структуры пор, пористости мембраны. Непосредственное влияние на поток оказывает толщина мембраны: чем она толще, тем меньше величина потока. Параметр зависит только от разности температур.

Также важными параметрами процесса МД являются скорость потока через пористую мембрану и конструкции модулей, так как именно от них зависит температурная поляризация системы, то есть величина движущей силы.

Обязательным требованием к дистилляционной мембране является ее несмачиваемость жидкой фазой, так как при смачивании жидкость заполняет поры мембраны самопроизвольно. Смачиваемость определяется взаимодействием между жидкой фазой и полимерным материалом мембраны. Оценить смачиваемость можно по измерению контактных углов в трехфазном контакте: капля жидкости помещается на непористую плоскую поверхность, и измеряется ее контактный угол. При малом сродстве контактный угол будет больше 90, и жидкость не будет смачивать поверхность мембраны. При смачивании, то есть контактный угол меньше 90, жидкость пропитывает поры мембраны. Это явление описывает уравнение Лапласа:

(8)

При > 90 имеем и, следовательно только при наложении давления жидкость будет проникать через мембрану. Из уравнения (8) видно, что смачивание определяют следующие факторы: размер пор r; поверхностное натяжение ; поверхностная энергия мембранного материала, то есть величина или .

Согласно уравнению (8) смачивание обратно пропорционально размеру пор мембраны. Поверхностное натяжение зависит от межмолекулярных взаимодействий, таких как силы взаимодействия диполей, водородные связи, дисперсионные силы. В воде межмолекулярные силы велики и поэтому поверхностное натяжение тоже. Также смачивание зависит от поверхностной энергии полимера, поскольку смачиваются высокоэнергетические поверхности. Чтобы избежать смачивание лучше всего использовать мембраны с тонкими порами, жидкости с большим значением поверхностного натяжения, полимерные мембраны с низкой поверхностной энергией. [5]

На сегодня известны четыре варианта конфигураций разделительных модулей для реализации процесса мембранной дистилляции, основанных на применении в качестве разделительного элемента гидрофобной пористой мембраны: мембранный дистиллятор прямого контакта, мембранный дистиллятор с воздушным зазором, мембранный дистиллятор с газовой сдувкой конденсата и вакуумный мембранный дистиллятор. Самый исследованный вариант МД – модуль конфигурации прямого контакта, однако такие модули еще не реализованы в промышленном масштабе. Основные причины заключаются в следующем [7]:

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5