Процесс ТПВ протекает следующим образом: Разделяемая смесь поступает в модуль, предварительно подогреваясь до установленной температуры и далее контактирует с мембраной, пермеат, проходя через мембрану, испаряется в воздушный зазор, затем конденсируется на пористой перегородке. Конденсат смачивает поверхность конденсации, проникает в поры и проходит в камеру с хладагентом[16].
В качестве мембранных материалов при ТПВ разделении исследуются промышленные силиконовые композиционные мембраны, а также мембраны на основе ПТМСП, которые хорошо себя зарекомендовали в процессе классической ТПВ. В качестве разделяемых смесей в ТПВ процессе исследовались бинарная смесь: бутанол/вода (1/99 масс.%), четырехкомпонентная смесь: вода/ацетон/бутанол/этанол (97,32/0,78/1,62/0,28 масс.%) и реальная ферментационная смесь (табл. 1). Состав смесей определялся с помощью газовой хроматографии.
Таблица 1. Ферментационная смесь.
Штамм Clostridium | Питательные вещества | Концентрация, г/л | |||
Ацетон | Бутанол | Этанол | Общее | ||
B-10939 | Мучная. г/л.: Ржаная мука-100; CaCO3 -2,0 | 7,6 | 16,2 | 3,2 | 27,0 |
Результаты и их обсуждение
На рисунках 11 – 15 представлены результаты экспериментов по определению зависимости выхода конденсата в МД процессе от величины воздушного зазора при различных температурах. Ориентация УМР в пространстве была горизонтальная.
Рис. 11. Зависимость потока конденсата от температуры при различных величинах воздушного зазора (Концентрация NaCl в воде – 0 г/л)
Рис. 12. Зависимость потока конденсата от температуры при различных величинах воздушного зазора (Концентрация NaCl в воде – 5 г/л)
Рис. 13. Зависимость потока конденсата от температуры при различных величинах воздушного зазора (Концентрация NaCl в воде – 10 г/л)
Рис. 14. Зависимость потока конденсата от температуры при различных величинах воздушного зазора (Концентрация NaCl в воде – 20 г/л)
Рис. 15. Зависимость потока конденсата от температуры при различных величинах воздушного зазора (Концентрация NaCl в воде – 40 г/л)
По этим данным мы видим, что при величине воздушного зазора 0,5 мм потоки конденсата являются наименьшими. Это можно объяснить возникновением флуктуационного сопротивления движению паров вдоль поверхностей контакта поверхности мембраны со стороны пермеата и пористой перегородки-конденсатора. Кроме этого следует указать и на то, что могут возникнуть конструкторские проблемы при создании крупногабаритных УРМ. Исходя из всего этого, следует отдать предпочтение воздушному зазору в 1 мм, так как по графикам видно, что потоки конденсата при 1 мм и 0,8 мм имеют практически одинаковые значения.
Далее был проведен эксперимент по определению зависимости потока от температуры при величине воздушного зазора 1 мм и при вертикальной ориентации УМР в пространстве (Рис. 16).
Рис.16. Зависимость потока конденсата от температуры при вертикальной ориентации УМР в пространстве (величина воздушного зазора – 1 мм).
Сравнение рисунков 15 и 16 показывает, что МД-модули, оснащенные пористой перегородкой-конденсатором, одинаково эффективны при любой ориентации в пространстве, что является определяющим фактором применения МД для получения пресной воды на мало - и среднемерных судах – эффективность аппарата не подвержена влиянию качки.
Из графиков видно, что исходная концентрация опресняемого раствора не влияет на поток конденсата. Это можно объяснить тем, что давление паров воды остается постоянным перед мембраной, тогда как вклад давления паров NaCl в общее давление пренебрежительно мал.
Если в предложенном модуле заменить пористую гидрофобную мембрану на плотную диффузионную мембрану, можно реализовать процесс термопервапорации. На первом этапе исследования термопервапорации было проведено сравнение всех доступных коммерческих органофильных мембран, ТПВ характеристики которых приведены в таблице 2.
Таблица 2. ТПВ характеристики коммерческих мембран (параметры процесса ТПВ: WBuOH = 1 %; Тразд = 60 °С; Тконд = 10 оС )
Мембраны | Поток, J, (кг/м2ч) | Фактор разделения,α | Поток бутанола,(кг/м2ч) | PSI, (кг/м2ч) |
Pervap 4060, Sulzer Chemtech (Швейцария) | 0,9 | 11,9 | 0,10 | 9,8 |
Pervatech PDMS, Pervatech (Голландия) | 1,5 | 7,8 | 0,11 | 10,2 |
PolyAn, POL_OR_M2, PolyAn GmbH (Германия) | 2,2 | 7,5 | 0,15 | 14.3 |
МДК-3, “Владипор”(Россия) | 1,5 | 11,5 | 0,15 | 15,8 |
Максимальный PSI (15,8) и лучшие ТПВ характеристики среди коммерческих мембран имеет мембрана МДК-3, производства “Владипор”, Россия. Так же хочется отметить, что все исследованные мембраны демонстрируют низкий фактор разделения.
Из литературных данных, как высокоселективный материал для выделения бутанола из модельных смесей хорошо себя зарекомендовал поли(1-триметилсилил-1-пропин) (ПТМСП). [17] поэтому была сформована на той же самой подложке МФФК, что и лучшая из промышленных мембран МДК-3, композиционная мембрана с селективным слоем из ПТМСП методом касания в автоматизированном режиме. Эта мембрана была исследована для разделения бинарной смеси: бутанол-вода. Она показала лучшие ТПВ характеристики в сравнении с промышленными мембранами (таблица 3).
Таблица 3. ТПВ характеристики мембраны ПТМСП/МФФК (параметры процесса ТПВ: WBuOH = 1 %;
Тразд = 60 °С; Тконд = 10 оС )
Мембрана | Поток, J, (кг/м2ч) | Фактор разделения, α | Поток бутанола, (кг/м2ч) | PSI, (кг/м2ч) |
ПТМСП/МФФК | 2,1 | 10,4 | 0,20 | 19,7 |
Далее было проведено сравнение композиционной мембраны ПТМСП/МФФК со сплошной ПТМСП мембраной при разделении бинарной смеси: бутанол/вода (Рис.17). Композиционная мембрана демонстрирует повышенные значения общего потока по сравнению со сплошной мембраной, но по потоку бутанола она уступает сплошной мембране. Это подтверждает проницаемость по бутанолу и селективность, значения которых значительно выше для сплошной ПТМСП мембраны.
Рис.17. Сравнение композиционной мембраны ПТМСП/МФФК и сплошной ПТМСП мембраны (параметры процесса ТПВ: WBuOH = 1 %; Тразд = 60 °С; Тконд = 10 оС ).
Композиционная мембрана имеет низкую селективность по сравнению со сплошной ПТМСП мембраной, что показано в таблице 4.
Таблица 4. Сравнение композиционной мембраны ПТМСП/МФФК, сплошной ПТМСП мембраны и МДК-3 (параметры процесса ТПВ: WBuOH = 1 %; Тразд = 60 °С; Тконд = 10 оС ).
Мембраны | Проницаемость по бутанолу, (моль/м2 ч кПа) | Проницаемость по воде, (моль/м2 ч кПа) | Селективность |
МДК-3 | 3,7 | 4,0 | 0,9 |
ПТМСП/МФФК | 4,7 | 5,7 | 0,8 |
ПТМСП | 7,9 | 2,3 | 3,4 |
Затем были проведены длительные (более 100 часов) испытания лучшей промышленной мембраны МДК-3 по разделению четырехкомпонентной смеси (Рис.18 и 19). МДК является пористым полимерным пленочным материалом на подложке из нетканых материалов (полипропилен, лавсан) с тонким разделительным слоем «Лестосил», который представляет собой блок-сополимер полидиметилсилоксана и полифенилсилсесквиоксана.
Рис. 18 Рис. 19
Длительные (более 100 часов) испытания промышленной мембраны МДК-3 (Параметры процесса ТПВ: Тразд = 60 °С; Тконд = 10 оС ).
Как видно из графиков промышленная мембрана показывает стабильные свойства во времени и высокий поток, но при этом демонстрирует невысокий фактор разделения и низкую селективность по целевым компонентам.
Далее мы перешли к экспериментам с реальной ферментационной смесью. Был проведен эксперимент по обеднению целевых компонентов в разделяемой смеси за 50 часов (рис. 20, 21). Происходит снижение концентрации бутанола в разделяемой смеси с 1.6 до 0.5 масс.%. Как мы видим с понижением концентрации в разделяемой смеси, снижаются и общий и парциальный поток бутанола, причем поток воды остается постоянен.
Рис. 20 Рис. 21
Обеднение АБЭ ферментационной смеси по целевым компонентам (мембрана: МДК-3 ( “Владипор”; параметры процесса: Тразд = 60 °С; Тконд = 10 оС; начальный хладагент: вода).
Из этих зависимостей была рассчитана проницаемость P/l бутанола по следующей формуле:
(7)
где J – поток бутанола; pf и pp – давление паров бутанола в разделяемой смеси и в пермеате соответственно[18].
Для того чтобы подтвердить стабильность мембраны при разделении реальной смеси была построена зависимость коэф. проницаемости от времени (рис 22). Из графика видно, что проницаемость бутанола стабильна во времени.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 |
