Pervaporation
Die Pervaporation ist ein Trennverfahren, bei dem ein Flüssigkeitsgemisch durch eine halbdurchlässige Membran diffundiert und der durchgedrungene Dampf anschliessend kondensiert wird, um die Komponenten zu trennen. Die Stoffe, die durch die Membran hindurchtreten, werden in gasförmigem Zustand in der Membran gelöst und treten aus dieser auch wieder gasförmig aus.
Die Pervaporation wird zur Trennung von Flüssigkeitsgemischen eingesetzt, insbesondere von azeotropen Gemischen oder Gemischen mit niedrigem Siedepunkt.
Der "Trick" oder das Schlüsselprinzip der Pervaporation liegt in der Kombination aus selektiver Membrandurchlässigkeit und Phasenwechsel.
Selektive Permeabilität
Eine semipermeable Membran wird verwendet, um bestimmte Komponenten eines Flüssigkeitsgemischs durchzulassen, während andere zurückgewiesen werden. Die Selektivität der Membran basiert auf der Molekülgrösse, der Löslichkeit und der Polarität der Komponenten. Bei Polymermembranen soll die selektive Schicht so gewählt werden, dass sich die zu trennenden Komponenten möglichst stark in ihrer Löslichkeit und ihrem Diffusionskoeffizienten unterscheiden. Allerdings zeigt die Erfahrung, dass mit zunehmender Selektivität die Permeabilität tendenziell abnimmt.
Phasenwechsel
Der Zulauf ist auf der einen Seite der Membran. Auf der anderen Seite wird ein Vakuum angelegt, wodurch ein Teil der Flüssigkeit verdampft. Durch diese Verdampfung werden die Komponenten getrennt, so dass das Permeat als Dampf oder Kondensat gesammelt werden kann.
Treibende Kraft
Die treibende Kraft für die Pervaporation ist der Unterschied im chemischen Potenzial zwischen der Zufuhrseite (flüssige Phase) und der Permeatseite (Dampfphase). Dieser Unterschied wird durch Anlegen eines Vakuums oder durch Spülen mit einem Trägergas auf der Permeatseite aufrechterhalten. Der Druck innerhalb der Membran ist der gleiche wie der Druck auf der Feedseite. Auf der Permeatseite fällt der Druck dann auf einen Wert unterhalb des Sättigungsdampfdrucks.
Flachzelle Pervaporation
Der grundsätzliche Aufbau einer Flachzelle für Testversuche funktioniert folgendermassen: Die Flüssigkeit wird bei Punkt von unten in die Messzelle eingespeist, fliesst durch den Mäander, wodurch Turbulenzen erzeugt werden, und tritt schliesslich bei Punkt wieder aus. Die Gasphase (Vakuum) entweicht dabei an Punkt .
Ansicht der Messzelle zur Pervaporation ohne Deckel: Im Kopfraum befindet sich eine poröse Rondelle, die das Gas effektiv aufnimmt. Das Material der Rondelle hat eine hohe Porosität und kann je nach Anwendung entweder hydrophil oder hydrophob sein. Zudem ist die Rondelle austauschbar.
Dichtung (EPDM, Viton u.a.) dichtet die Membran vom Kopfraum ab.
Die kreisrunde Membran liegt über dem Mäander.
Der Mäander befindet sich im Boden der Messzelle. Er kann herausgenommen und durch einen anderen Mäander mit einem unterschiedlichen Strömungsmuster ersetzt werden.
Boden der Messzelle (Material Boden, Deckel: AISI 316L)
Detailansicht des Deckels: Im Deckel befinden sich radiale Strömungskanäle, die es ermöglichen, dass sich das Gas gleichmässig über der porösen Rondelle sammelt und im Zentrum abgesaugt werden kann.
Statt einer porösen Rondelle können im Kopfraum auch verschiedene Drahtgitter, Drahtgeflechte usw. eingesetzt werden
Alternative 1 für Kopfraum.
Alternative 2 für Kopfraum.
Keramik-Hybridmembranen
Keramik-Hybridmembranen sind fortschrittliche Materialien, die zur Trennung von Gemischen in Verfahren wie Pervaporation, Gastrennung und Filtration eingesetzt werden. Diese Membranen bestehen aus einer Kombination von organischem und anorganischem Siliziumdioxid und vereinen die positiven Eigenschaften beider Materialien.
| Träger | Monolith TiO2 - Al2O3 |
|---|---|
| Membran | Hybrid-Kieselsäure-Technologie |
| Druckzufuhr | 1...5 bar |
| pH | 2...8,5 |
| Tmax. | 150 °C |
Monokanal-Hybrid Membran für das Labor
| Außendurchmesser | 10 mm |
|---|---|
| Kanaldurchmesser | 6 mm |
| Anzahl der Kanäle | 1 |
| Länge | 250 mm |
| Membranfläche | 47 cm2 |
Pervap K01
Mehrkanalige hybride Quarzmembran
| Aussendurchmesser | 25 mm |
|---|---|
| Kanaldurchmesser | 6 mm |
| Anzahl der Kanäle | 7 |
| Länge | 400...1178 mm |
| Membranfläche | 475...1'500 cm2 |
Keine Phasenänderung
Im Gegensatz zur Destillation, bei der der gesamte Einsatzstoff verdampft werden muss, findet bei der Pervaporation nur im Permeat ein Phasenwechsel statt.
Abtrennen von Azeotropen
Die Pervaporation eignet sich zur Aufspaltung von azeotropen Gemischen, die in der Flüssig- und Dampfphase die gleiche Zusammensetzung aufweisen.
Selektive Abtrennung
Das Verfahren ermöglicht die Abtrennung bestimmter Komponenten aus einem Gemisch auf der Grundlage ihrer Wechselwirkung mit der Membran.
Dehydratisierung von organischen Lösungsmitteln
Entfernen von Wasser aus organischen Lösungsmitteln wie Ethanol, Isopropanol und Aceton.
Trennung von organischen Mischungen
Trennen von dicht siedenden Gemischen wie die Trennung von aromatischen/aliphatischen Kohlenwasserstoffen.
Abwasserbehandlung
Entfernung von organischen Verbindungen aus Abwasser.
