ЖИДКАЯ МЕМБРАНА ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ СПИРТОВ ИЛИ ЭФИРОВ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ И СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ СПИРТОВ ИЛИ ЭФИРОВ
LIQUID MEMBRANE TO EXTRACT ALCOHOLS OR ETHERS FROM WATER SOLUTIONS, AND METHOD OF RELEASING ALCOHOLS OR ETHERS

Изобретение относится к мембранным процессам выделения органических соединений из водных растворов и может быть использовано в пищевой, микробиологической, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности для извлечения, разделения и очистки жидких и газовых смесей, ферментационных сред, выделения ценных компонентов из сточных вод и газовых выбросов.
Известны различные способы выделения водорастворимых органических соединений из водных растворов, такие как дистилляция, экстракция, мембранные методы. Благодаря своей высокой эффективности и низкому энергопотреблению, одним из приоритетных методов разделения жидких смесей является процесс первапорации.
Первапорация - это процесс испарения через мембрану, отличительной особенностью которого является переход веществ, проникающих через мембрану, из жидкого состояния в парообразное. Движущей силой процесса мембранного испарения является разность химических потенциалов по обе стороны мембраны. Для поддержания перепада химического потенциала на достаточно высоком уровне необходимо предотвращать конденсацию пермеата на поверхности мембраны со стороны пара, что достигается непрерывным отводом пара, обдувом инертным газом или вакуумированием.
Первапорация нашла применение для концентрирования молока, кофейного экстракта, латекса, разделения углеводородов в процессах нефтепереработки для выделения фракций с разными октановыми числами, дегидратации этанола.
Известно применение процесса первапорации для очистки сточных вод, содержащих бутанол в авиационной промышленности, (Козодаева Е.В. Экспериментальное исследование первапорационного выделения бутанола из водных растворов и моделирование процесса первапорации. Московский государственный инженерно-физический институт (технический университет) и другие, 1998). Для проведения процесса первапорации использовали сплошную мембрану из политриметилсилилпропина (ПТМСП) толщиной 25 мкм, концентрация бутанола в разделяемой смеси составляла от 0,5 до 6 мас.%.
Используемые в настоящее время мембраны изготавливают из органических (в том числе полимерных) и неорганических (металлических, керамических, стеклянных и пр.) материалов. Мембраны могут быть твердые и жидкие.
Особенно эффективны установки испарения через мембрану для проведения обезвоживания смеси растворителей, содержащих одновременно высококипящие и низкокипящие по отношению к воде компоненты. В этом случае ректификация практически невозможна из-за образования нескольких индивидуальных азеотропов с водой.
Выпускаемые фирмами Bakish Materials Corporation (США), GFT (ФРГ), Mitsui (Япония) сепараторы, основанные на испарении через мембрану, могут извлекать определенный компонент из разнообразных органических смесей и используются в установках испарения через мембрану, производящих 6000 л/сут этанола на целлюлозно-бумажном комбинате в ФРГ.
Под жидкими мембранами в литературе понимают мембраны с жидкостью, иммобилизованной внутри пор микропористой подложки. Если мембрана смачивается жидкостью, то последняя может удерживаться в порах за счет капиллярных сил. Давление, необходимое для вытеснения жидкости из пор, называется капиллярным давлением и изменяется обратно пропорционально диаметру пор, поэтому при достаточно малых порах жидкость удерживается на подложке при разнице давлений под и над мембраной в несколько атмосфер.
Используются жидкие мембраны двух типов. К первому типу относятся пассивные жидкие мембраны, в которых обычные жидкости, имеющие большую проницаемость по целевому компоненту, наносятся на мембранную подложку. Второй тип жидких мембран - мембраны с активным транспортом целевого компонента. В этом случае в качестве жидкости используются специфические переносчики целевого компонента, растворенные в соответствующем растворителе. Брок Т. Мембранная фильтрация: Пер. с англ. - М.: Мир, 1987.
Известна жидкая мембрана, иммобилизованная внутри пор микропористого носителя, в частности, полипропилена, полиамида, полиимида (WO 0156933, 09.08.2001) для выделения целевых соединений, в частности пенициллина и органических кислот (фенилаланин, молочная кислота, уксусная кислота). Раствор, содержащий целевое соединение, проходит с одной стороны мембраны, с другой стороны мембраны для выделения соединений применяют дисперсную систему, которую формируют при смешивании водного раствора для реэкстракции с органической жидкостью.
Известные мембраны и способы с их использованием обладают следующими недостатками:
необходимость восстановления исходных свойств мембраны, поскольку поры или пустоты мембран могут засоряться;
сложности при подборе материалов для создания мембран, поскольку мембраны должны обладать не только высокими показателями селективности, производительности и механической прочности, но и выдерживать прямой контакт с органическими соединениями при повышенной температуре.
Таким образом, существует необходимость в недорогих и простых в применении мембран для выделения водорастворимых органических соединений, спиртов и эфиров из водных растворов, и способов выделения с их использованием.
Для решения настоящей задачи предложена жидкая мембрана для выделения спиртов и эфиров из водных растворов путем их диффузионного испарения через мембрану с использованием газа или вакуума, размещаемая на поверхности раздела фаз и представляющая собой слой гидрофобной жидкости.
В качестве гидрофобной жидкости могут быть использованы синтетическое или растительное масла.
Предложен также способ выделения спиртов или эфиров из водного раствора путем их диффузионного испарения через мембрану с использованием газа или вакуума, при этом мембрана представляет собой слой гидрофобной жидкости на поверхности водного раствора.
В качестве гидрофобной жидкости могут быть использованы синтетическое или растительное масло или высшие спирты.
При этом слой гидрофобной жидкости на поверхности водного раствора предпочтительно составляет 3-30 мм.
Использование в подобных процессах описанной жидкой мембраны основано на том, что молекулы рассматриваемых органических соединений состоят из двух частей, гидрофильной, обуславливающей их растворимость в воде и гидрофобной части (углеводородного радикала). При размещении гидрофобной жидкости с плотностью меньше, чем у воды (например, растительного масла), на поверхности раствора жидкость равномерно распределяется на поверхности водного раствора тонким слоем. Молекулы органических соединений на границе раздела между слоем масла и водной среды ориентируются так, что их гидрофильная часть остается в воде, а гидрофобная переходит в слой масла. Слой гидрофобной жидкости представляет собой практически непреодолимую преграду для молекул воды, поэтому давление паров воды над указанным слоем будет пренебрежимо мало. При создании вакуума над слоем гидрофобной жидкости или с потоком газа соединения в газообразном состоянии направляют в холодильное устройство для их дальнейшей конденсации. В слое гидрофобной жидкости возникает градиент концентраций, вызванный разностью в концентрациях выделяемых соединений в водном растворе и в газовой среде (в вакууме), вследствие чего устанавливается постоянный поток молекул растворителя из водного раствора через слой в вакуумируемый объем над поверхностью.
Пример 1
В емкость со 100 мл водного раствора, содержащего 23% бутанола, наслаивают на поверхность олеиновую кислоту, слоем в 15 мм. Для бутанола, обладающего дифильными свойствами, состояние минимальной энергии достигается путем ориентации молекул на поверхности или вблизи нее таким образом, что гидрофобные группы (углеводородные радикалы) стремятся расположиться в слое олеиновой кислоты, а полярные гидроксильные группы обращены в сторону водной фазы. Давление в емкости понижают до -0,05 атм. При снижении давления спирт переходит в газообразное состояние и под действием вакуума направляется в конденсатор. В результате получают 22 мл конденсата, где содержание бутанола составляет 92%.
Пример 2
В емкость со 100 мл водного раствора, содержащего 17% этилацетата, наслаивают на поверхность соевое масло, слой 10 мм. Давление в емкости понижают до -0,06 атм. Пары этилацетата конденсируют и получают 18 мл конденсата, где содержание этилацетата составляет 89%.
Преимущества предложенного способа и жидкой мембраны заключаются в повышении эффективности выделения водорастворимых органических соединений из водной среды, предложенные решения позволяют снизить материальные и энергетические затраты на разделение водно-органических смесей.