СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ВОДНЫХ СРЕД Российский патент 2011 года по МПК B01D61/00 

Изобретение относится к области химии, а именно разделения жидких смесей, и может применяться в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. При этом применение мембранной технологии позволяет не только решать технологические задачи, но и предотвращать экологические проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды.

Одним из мембранных процессов разделения жидких смесей, еще ограниченно применяемым в промышленных масштабах, является первапорация. Процесс первапорации позволяет эффективно разделять различные водно-органические смеси (осушку органических растворителей и очистку сточных вод) и смеси органических веществ. Перспективность первапорации связана как с актуальностью решаемых задач, так и с высокой эффективностью процесса первапорации по сравнению с другими процессами разделения, с возможностью разделения азеотропных смесей, малой энергоемкостью, безреагентностью и компактностью оборудования.

Первапорация представляет собой процесс мембранного разделения жидкостей, при котором разделяемая смесь (питающий поток) приводится в контакт с одной стороной селективно проницаемой непористой мембраны, а проникшие через мембрану компоненты (пермеат) удаляются в виде пара с ее обратной стороны.

Чаще всего на практике движущей силой процесса является градиент активности, который достигается искусственным понижением давления паров разделяемой жидкой смеси с обратной стороны мембраны одним из методов:

- либо вакуумированием;

- либо сдувкой паров проникающей смеси инертным газом;

- либо конденсацией на поверхности охлаждаемого теплообменника.

Только мерный метод нашел применение (по экономическим соображениям) в крупных первапорационных установках (по крайней мере, для процессов обезвоживания органических растворителей), когда пермеат непрерывно конденсируется в вакуумируемом охлаждаемом теплообменнике и выводится из системы (В.В.Волков. Разделение жидкостей испарением через полимерные мембраны. Изв. Академии наук. Серия химическая, 1994, №2, с.208).

Однако основным недостатком вакуумной первапорации является применение специального оборудования, аппаратов, насосов для создания вакуума, что делает процесс сложным. Кроме того, вакуумирование - это процесс энергоемкий. Оба этих обстоятельства делают процесс вакуумной первапорации дорогостоящим и сложным с точки зрения аппаратурного оформления.

Два других метода чаще используются в лабораторных исследованиях.

Так, например, известен способ концентрирования растворов водорастворимых органических веществ и устройство для его осуществления (пат. JP 2005177535 (А), МПК B01D 63/00, опубл. 2005.07.07), основанный на использовании тепловой энергии с помощью разделительной мембраны с ограниченной площадью. Данный способ заключается в двух последовательных стадиях концентрирования паров в пароразделительном модуле и последующем первапорационном разделении в первапорационном модуле. Сначала в пароразделительном модуле разделяют пар, который получают дистилляцией исходной смеси, затем обогащенную по целевому компоненту смесь обогащают в первапорационном модуле, получая в качестве конечного продукта высококонцентрированный раствор органического вещества в воде.

Однако описанное техническое решение, хотя и достигает в конечном итоге высокой концентрации целевого компонента в растворе, не является оптимальным в решении поставленной задачи, так как в процессе концентрирования вещества присутствует стадия дистилляции исходной смеси, которая является крайне энергоемким процессом и, следовательно, снижает рентабельность концентрирования.

Известен способ разделения жидких смесей, паровых или парогазовых смесей, описанный в патенте EP 218019, B01D 61/36, 15.04.1987, методом термопервапорации с применением композиционной мембраны, в которой верхним селективным непористым слоем является гидрофильный полимер (ацетат целлюлозы, полисульфон или поливиниловый спирт), который в свою очередь нанесен на гидрофобную полимерную пористую подложку. Способ используют для выделения и концентрирования воды из водно-органических смесей, и он является наиболее близким аналогом.

Основным его недостатком является то обстоятельство, что конденсация пермеата проводится в поток охлаждающей жидкости, обязательным требованием к которой является отсутствие ее затекания в поры гидрофобной пористой подложки. Тем не менее, частичный перенос с водой органического компонента приводит к увеличению сродства сконденсированного пермеата к материалу пористой подложки и, как следствие, к затеканию и заполнению порового пространства подложки смесью охлаждающей жидкости и пермеата, что приводит к снижению массообменных характеристик мембраны и невозможности использования этого способа для выделения и концентрирования органических веществ.

Известен способ для выделения растворенного компонента с использованием паропроницаемой мембраны и последующей конденсации пара на охлаждаемой стенке, описанный в патенте US 3563860, B01D 1/22, 1971. При этом мембрана пропускает только один компонент разделяемой смеси (вторым обычно являются соли или ПАВ, которые не переходят в газовую фазу). Способ реализуется с помощью установки, состоящей из камеры, закрытой с обеих сторон мембраной. Через нее циркулирует горячий поток жидкости, из которой должен быть выделен желаемый компонент, например водяной пар. Установка содержит также камеру, закрытую с обеих сторон водонепроницаемой теплопроводной стенкой. Через эту камеру циркулирует охлаждающая жидкость, в качестве которой может быть использована жидкость, подлежащая обработке. Между этими камерами размещена камера сбора дистиллята, одной стенкой которой является указанная мембрана, пропускающая пар, а другой указанная водонепроницаемая теплопроводная стенка, на которой конденсируется пар. Горячий и холодный потоки жидкости из распределительных трубопроводов, соединенных соответственно с теплообменником и насосом холодной воды, параллельными потоками подаются в каждую соответствующую камеру и противоточно циркулируют в них.

Область применения описанного технического решения ограничена, поскольку практически невозможно подобрать мембрану, пропускающую только один компонент раствора. Данный метод применяется в основном для опреснения воды, поскольку растворенные в воде соли не переходят в пар. Однако для выделения и концентрирования органических соединений из водных сред он не применим.

Известно, что с помощью асимметричной поливинилтриметилсилановой (ПВТМС) мембраны можно проводить термопервапорационное разделение неорганических веществ, в том числе летучих кислот, если ПВТМС мембрану модифицировать в плазме низкочастотного тлеющего разряда в атмосфере воздуха (А.Б.Гильман, И.Б.Елкина, В.В.Угров, В.В.Волков. Плазмохимическая модификация поливинтриметилсилановой мембраны для термопервапорации. Химия высоких энергий, 1998, том 32, №4, с.305-309).

Но описанный способ не пригоден для выделения и концентрирования органических веществ из водных сред, так как поверхность плазменно модифицированной ПВТМС мембраны приобретает гидрофильные свойства и применима только для выделения воды.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ, описанный в работе E.S.Fernandez, P.Geerdink, E.L.V.Goether, Desalination, 2010, V.250, p.1053-1055, согласно которому описано применение термопервапорации с целью эффективного возврата тепла в процессе первапорационного разделения путем использования теплоты конденсации пермеата для прямого нагрева потока разделяемой смеси (питающего потока). Мембранный модуль состоит из мембранной камеры с разделительной мембраной и камеры конденсации с непроницаемой пластиной, на которой осуществляется конденсация пермеата. Мембранная камера и камера конденсации расположены близко друг от друга (расстояние - 2 мм) таким образом, что мембрана находится напротив непроницаемой пластины. Между камерами имеется воздушный зазор, который позволяет удалять сконденсированный пермеат с непроницаемой пластины. Поток исходной разделяемой смеси (питающий поток) подается при температуре в камеру конденсации и нагревается до температуры за счет энтальпии конденсации пермеата. Затем питающий поток нагревается до температуры с использованием внешнего источника тепла и подается в мембранную камеру. За счет разницы давления паров с обеих сторон мембраны (со стороны исходного потока и пермеата) часть питающего потока проникает через мембрану в виде пара и конденсируется на непроницаемой пластине камеры конденсации. Этот принцип был экспериментально исследован для выделения этанола из смесей этанол-вода, и показано, что можно получить возврат тепла до 33% и реализовать потоки пермеата через мембрану до 0,5 кг/м² ч при факторе разделения этанол/вода около 3.

С точки зрения задач выделения и концентрирования органических веществ из водных сред основным недостатком описанного способа являются недостаточно высокие значения потока пермеата до 0,5 кг/м² ч и фактор разделения около 3.

Кроме того, поток пермеата 0,5 кг/м² ч получен при концентрации более 50% этанола в смеси этанол-вода, в то время как известно, что первапорация используется только в случае, когда через мембрану селективно проникает компонент с малым содержанием в разделяемой смеси (N.Winn, Chem. Eng. Prog. 2001, V.97, p.66-72). Это связано с тем, что на проницаемость пермеата через мембрану необходимо затратить скрытую теплоту испарения для перевода пермеата из жидкого в парообразное состояние. Однако при снижении концентрации этанола в смеси этанол-вода до 10%, как указывают авторы работы, поток пермеата снижается до значений ниже 0,2 кг/м²ч.

Задача предлагаемого изобретения заключается в разработке способа выделения и концентрирования жидких органических веществ из водных сред простым и эффективным методом термопервапорации, обеспечивающего аналогичную селективность разделения и массоперенос выделяемого целевого компонента, как и в условиях вакуумной первапорации.

Поставленная задача решается тем, что предложен способ выделения и концентрирования органических веществ из водных сред с помощью термоградиентного первапорационного разделения жидких смесей через мембрану, селективную по целевому компоненту, путем сбора паров пермеата конденсацией на твердой поверхности, температура которой ниже температуры разделяемой смеси, в котором в качестве материала мембраны используют поли(1-триметилсилил-1-пропин) общей формулы

,

где n - число звеньев в цепи, молекулярной массой ММ=100800-1900000, а выделение и концентрирование органических веществ осуществляют при атмосферном давлении.

Технический результат, который может быть получен от использования предлагаемого технического решения, заключается в увеличении потока пермеата и фактора разделения при выделении и концентрировании органических соединений из водных сред.

Термопервапорационная установка состоит из термопервапорационного модуля (1) и двух контуров различной температуры. Схема установки приведена на фиг.1. Первый контур состоит из термостатируемой емкости с хладагентом (2), который циркулирует в контуре с помощью насоса (3). Второй контур состоит из термостатируемой емкости с разделяемой жидкостью (4) и перистальтического насоса (5), с помощью которого осуществляется циркуляция жидкости в контуре. В собранном состоянии две части ячейки разделены мембраной (6) и твердой поверхностью (7), между которыми поддерживается воздушный зазор 0,5-4,0 мм (8). В ходе эксперимента пары пермеата испаряются с поверхности мембраны и конденсируются на твердой поверхности. Конденсат стекает с твердой поверхности под действием силы тяжести и накапливается в емкости для сбора пермеата (модуль ориентируется таким образом, что мембрана и твердая поверхность конденсации располагаются вертикально).

По разности масс емкости для сбора пермеата до и после проведения эксперимента определялась масса пермеата. Время проведения эксперимента составляет 4-6 часов.

В случае термопервапорации бинарных водно-органических смесей концентрация исходной смеси и пермеата определялась рефрактометрически и методом газовой хроматографии.

Состав многокомпонентных смесей анализировали методом газовой хроматографии при помощи хроматографа Кристаллюкс 4000 М с использованием пламенно-ионизационного детектора.

Общий поток пермеата определяют весовым методом по формуле:

где m - масса пермеата (кг), проникшего через мембрану площадью S (м²) за время t (ч).

Фактор разделения α определяют по формуле:

где х_о и х_в - массовые доли органического компонента и воды соответственно в разделяемой смеси, а у_о и у_в - массовые доли органического компонента и воды соответственно в пермеате.

Нижеследующие примеры иллюстрируют предлагаемое техническое решение, но никоим образом не ограничивают область его применения.

Примеры 1-4

Проводят термопервапорационное выделение и концентрирование 1-бутанола из смеси 1-бутанол/вода с концентрацией 1-бутанола в разделяемом растворе, равной 2,0% масс., изменяя толщину воздушного зазора от 1,0 до 4,0 мм.

Температуру разделяемой исходной смеси поддерживают равной 60°С, а температуру конденсирующей поверхности - равной 15°С. Процесс ведут через ПТМСП мембрану (ММ=210000), толщина которой составляет 19 мкм.

Результаты выделения и концентрирования 1-бутанола представлены в таблице 1.

Таблица 1 № примера Толщина воздушного зазора, мм Поток пермеата, кг/м²ч Концентрация 1-бутанола в пермеате, % масс. Фактор разделения 1 0,5 0,10 24 15,5 2 1,0 0,16 33 24,1 3 2,0 0,17 35 26,4 4 4,0 0,09 16 9,3

Примеры 5-10

Проводят термопервапорационное выделение и концентрирование 1-бутанола из смеси 1-бутанол/вода с концентрацией 1-бутанола в разделяемом растворе, равной 2,0% масс., через ПТМСП мембрану (ММ=450000), толщина которой составляет 19 мкм.

Температуру разделяемой исходной смеси изменяют от 41 до 74°С, при этом температуру конденсирующей поверхности поддерживают равной 15°С. Толщина воздушного зазора составляет 2 мм.

Результаты выделения и концентрирования 1-бутанола представлены в таблице 2.

Таблица 2 № примера Температура разделяемого раствора, °С Поток пермеата, кг/м²ч Концентрация 1-бутанола в пермеате, % масс. Фактор разделения 5 41 0,050 10 5,4 6 44 0,051 14 8,0 7 48 0,062 20 12,2 8 55 0,091 25 16,3 9 65 0,184 32 23,0 10 74 0,266 37 28,8

Примеры 11-15

Проводят термопервапорационное выделение и концентрирование 1-бутанола из смеси 1-бутанол/вода с концентрацией 1-бутанола в разделяемом растворе, равной 2,0% масс., при температуре разделяемой исходной смеси, равной 65°С, при этом температуру конденсирующей поверхности поддерживают равной 15°С. Выделение и концентрирование 1-бутанола осуществляют через ПТМСП мембрану (ММ=1200000), толщину которой изменяют от 4 до 60 мкм. Толщина воздушного зазора составляет 2 мм.

Результаты разделения, выделения и концентрации 1-бутанола представлены в таблице 3.

Таблица 3 № примера Толщина мембраны, мкм Поток пермеата, кт/м²ч Концентрация 1-бутанола в пермеате, % масс. Фактор разделения 11 4 0,9 19 11,5 12 16 0,5 29 20,0 13 26 0,35 40 32,7 14 40 0,25 49 47,0 15 60 0,17 57 64,9

Примеры 16-19

Проводят термопервапорационное выделение и концентрирование 1-бутанола из смеси 1-бутанол/вода с концентрацией 1-бутанола в разделяемом растворе, равной 2,0% масс., через ПТМСП мембрану (ММ=630000), толщина которой составляет 40 мкм.

Температуру разделяемой исходной смеси поддерживают равной 40°С, но при этом температуру конденсирующей поверхности изменяют от 0,5 до 20,0°С. Толщина воздушного зазора составляет 2 мм.

Результаты выделения и концентрирования 1-бутанола представлены в таблице 4.

Таблица 4 № примера Температура конденсации °С Поток пермеата кг/м²ч Концентрация 1-бутанола в пермеате, % масс. Фактор разделения 16 5 0,058 45 40,1 17 9 0,048 48 45,2 18 15 0,037 38 30,0 19 20 0,016 5 2,6

Примеры 20-24

Проводят термопервапорационное выделение и концентрирование 1-бутанола из смеси 1-бутанол/вода, изменяя концентрацию 1-бутанола в разделяемом растворе от 2,0 до 7,0% масс.

Температуру разделяемой исходной смеси поддерживают равной 65°С, а температуру конденсирующей поверхности - равной 15°С. Процесс ведут через ПТМСП мембрану, толщина которой составляет 19 мкм. Толщина воздушного зазора составляет 2 мм.

Результаты выделения и концентрирования 1-бутанола представлены в таблице 5.

Таблица 5 № примера Концентрация 1-бутанола в разделяемом растворе, % масс. Поток пермеата кг/м²ч Концентрация пермеата 1-бутанола в % масс. Фактор разделения 20 2,0 0,180 35 25,8 21 3,5 0,314 52 30,8 22 4,5 0,520 58 28,8 23 5,5 0,577 61 26,3 24 7,0 0,770 66 25,8

Примеры 25-26

Проводят термопервапорационное выделение и концентрирование этанола при разделении смесей этанол/вода с различной концентрацией при температуре исходного раствора 60°С, температуре конденсирующей поверхности 15°С и толщине мембраны 4 мкм. Результаты выделения и концентрирования этанола представлены в таблице 6.

Таблица 6 № примера Концентрация этанола в исходной смеси, % масс. Поток пермеата, кг/м²ч Концентрация этанола в пермеате, масс.% Фактор разделения 25 5,0 0,735 15 3 26 10,0 1,542 33 4

Из анализа данных таблицы 6 видно, что при проведении выделения и концентрирования этанола предлагаемым способом при концентрации этанола в разделяемой смеси, равной 10% масс., поток пермеата составляет примерно 1,5 кг/м²ч. А при той же исходной концентрации этанола в разделяемой смеси при проведении термопервапрорации в условиях прототипа поток пермеата чуть ниже 0,2 кг/м²ч, что практически в 7 раз ниже, чем при проведении первапорации предлагаемым способом.

Пример 27

Проводят термопервапорационное выделение и концентрирование водного раствора органических веществ, моделирующего многокомпонентную ферментационную смесь ацетон-1-бутанол-этанольной ферментации (АБЭ-ферментации) при температуре исходного раствора 60°С, температуре конденсирующей поверхности 15°С и толщине мембраны 4 мкм.

Результаты выделения и концентрирования компонентов пермеата представлены в таблице 7.

Таблица 7 Ферментативная смесь Состав, % масс. Этанол 1-бутанол Ацетон Разделяемая смесь 0,15 1,00 0,45 Пермеат 0,62 17,55 1,53

Из данных таблицы 7 видно, что предлагаемый способ позволяет выделять и концентрировать органические вещества из многокомпонентных водных растворов.

Примеры 28-31 (сравнительные).

Проводят выделение и концентрирование 1-бутанола из смеси 1-бутанол/вода с концентрацией 1-бутанола в разделяемом растворе, равной 2,0% масс., через ПТМСП мембрану, толщина которой составляет 44 мкм, в условиях вакуумной первапорации.

Температуру разделяемой исходной смеси поддерживают равной 25°С, но при этом температуру конденсирующей поверхности изменяют от 0 до -196°С.

Результаты выделения и концентрирования 1-бутанола представлены в таблице 8.

Таблица 8 № примера Температура конденсирующей поверхности, °С Поток пермеата кг/м²ч Концентрация 1-бутанола в пермеате, % масс. Фактор разделения 28 0 0,029 15 8,6 29 -19 0,046 20 12,2 30 -79 0,058 35 26,4 31 -196 0,067 58 67,7

Для наглядности сравнение по потоку пермеата и фактору разделения для процесса выделения и концентрирования органических веществ из водных сред, проводимого в условиях термопервапорации и вакуумной первапорации, приведены на фиг.2. Сравнение вакуумной первапорации и термопервапорации: поток пермеата (данные из таблицы 4 и 8) и фиг.3. Сравнение вакуумной первапорации и термопервапорации: фактор разделения (данные из таблицы 4 и 8, из которых видно, что при сопоставимых перепадах температур большее значение потока, проходящего через мембрану, и фактор разделения реализуется в условиях процесса термопервапорации).

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет проводить процесс селективного первапорационного выделения и концентрирования органических веществ из водных сред в отсутствие вакуума, преимущественно при атмосферном давлении, при сравнимых значениях потока пермеата и фактора разделения по целевому органическому веществу, что и в случае вакуумной первапорации, более простым и менее затратным способом.

Кроме того, предлагаемый способ может быть эффективно применен для первапорационного выделения и концентрирования органических веществ в процессах их получения ферментацией биомассы, например ферментативное получение этанола или ферментативное получение 1-бутанола, так называемой ацетон-1-бутанол-этанольной ферментацией (АБЭ-ферментация). При получении спиртов таким способом образуется большое количество не конденсирующегося газа СО₂, который делает неэкономичным использование вакуумной первапорации для этого применения. Это связано с тем, что для удаления проникающего вместе с органическими компонентами через мембрану СО₂ необходимо постоянное вакуумирование (работа вакуумного насоса) для удаления СО₂ из вакуумной части системы.

Изобретение относится к области химии, а именно разделения жидких смесей, и может применяться в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Предложен способ выделения и концентрирования органических веществ из водных сред с помощью термоградиентного первапорационного разделения жидких смесей через мембрану, селективную по целевому компоненту, путем сбора паров пермеата конденсацией на твердой поверхности, температура которой ниже температуры разделяемой смеси, в котором в качестве материала мембраны используют поли(1-триметилсилил-1-пропин) общей формулы

,

где n - число звеньев в цепи, молекулярной массой ММ=100800-1900000, а выделение и концентрирование органических веществ осуществляют при атмосферном давлении. Изобретение позволяет проводить процесс селективного первапорационного выделения и концентрирования органических веществ из водных сред в отсутствие вакуума, преимущественно при атмосферном давлении, при сравнимых значениях потока пермеата и фактора разделения по целевому органическому веществу, что и в случае вакуумной первапорации, более простым и менее затратным способом. 3 ил., 8 табл.

Способ выделения и концентрирования органических веществ из водных сред с помощью термоградиентного первапорационного разделения жидких смесей через мембрану, селективную по целевому компоненту, путем сбора паров пермеата конденсацией на твердой поверхности, температура которой ниже температуры разделяемой смеси, отличающийся тем, что в качестве материала мембраны используют поли(1-триметилсилил-1-пропин) общей формулы

где n - число звеньев в цепи, молекулярной массой ММ=100800-1900000, а выделение и концентрирование органических веществ осуществляют при атмосферном давлении.