浸透蒸発
浸透気化法（パーベーパレーションまたはパーベーパレーション分離）は、非多孔性または多孔性の膜を通して液体の混合物を部分的に蒸発させることによって分離する処理方法である。[ 1 ]
理論
パーベーパレーション（浸透蒸発）という用語は、プロセスの2つのステップ（(a)透過液が膜を透過し、(b) 蒸発して蒸気相へ移行する）を組み合わせた造語です。このプロセスは、その簡便性とインライン性から、精製や分析など、様々なプロセスにおいて多くの産業で利用されています。
膜は、液相原料と気相透過液という2つの相の間の選択的なバリアとして機能します。液相原料中の目的成分は、膜を通して蒸発し、膜を通過します。成分の分離は、膜を通過する個々の成分の輸送速度の差に基づいて行われます。
通常、膜の上流側は常圧、下流側は真空状態となり、膜を透過した選択成分が蒸発します。分離の駆動力は、両側の成分の分圧差であり、供給液中の成分の 揮発性の差ではありません。
様々な成分の輸送の駆動力は、膜の両側における液体原料／未透過液と蒸気透過液との間の化学ポテンシャル差によって生じます。未透過液とは、膜供給チャンバーから排出される原料のうち、膜を透過せずに残った成分です。化学ポテンシャルは、液体の場合はラウールの法則、（理想）気体の場合はドルトンの法則によって与えられるフガシティで表すことができます。運転中は、蒸気相透過液が除去されるため、実際の蒸気のフガシティは、収集された（凝縮された）透過液に基づいて予測される値よりも低くなります。
成分（例：水とエタノール）の分離は、膜を通過する各成分の輸送速度の差に基づいています。この輸送メカニズムは、膜への成分の溶解速度／溶解度と膜を通過する輸送速度（拡散係数で表される）に基づく溶解拡散モデルを用いて説明できます。これらの速度／溶解度は、分離に至る成分と膜の種類によって異なります。
アプリケーション
パーベーパレーションは、除去対象成分が微量または微量に含まれる希薄溶液に効果的です。このため、少量の水分を含むアルコールの脱水には親水性膜が使用され、水溶液からの微量有機物の除去・回収には疎水性膜が使用されます。
浸透気化法は、蒸留や蒸発などのプロセスに代わる、エネルギーを節約できる効率的な方法です。直接接触することなく二相の交換が可能です。[ 2 ]
例としては、溶媒の脱水（エタノール/水およびイソプロパノール/水の共沸混合物の脱水）、酵母発酵槽からのエタノールの連続除去、エステル化などの縮合反応からの水の連続除去による反応の変換と速度の向上、膜導入質量分析、産業廃水からの有機溶媒の除去、蒸留と浸透気化/蒸気透過の組み合わせ、および水溶液中の疎水性風味化合物の濃縮（疎水性膜を使用）などがあります。
最近、多くの有機親和性パーベーパレーション膜が市場に投入されています。有機親和性パーベーパレーション膜は、有機-有機混合物の分離、例えば、製油所の流体中の芳香族含有量の低減、共沸混合物の分解、抽出媒体の精製、抽出後の生成物の精製、有機溶媒の精製などに使用できます。
材料
疎水性膜は多くの場合ポリジメチルシロキサンをベースとしており、実際の分離メカニズムは上記の溶解拡散モデルに基づいています。
親水性膜はより広く入手可能です。現在までに商業的に最も成功しているパーベーパレーション膜システムは、ポリビニルアルコールをベースとしています。さらに最近では、ポリイミドをベースとした膜も利用可能になっています。ポリマー膜システムの固有の欠点を克服するために、過去10年間でセラミック膜が開発されました。これらのセラミック膜は、マクロ多孔性支持体の上にナノ多孔性層が積層されています。細孔は、水分子を通過させ、エタノールなどの分子サイズの大きい他の溶媒を保持できるほど十分に大きくなければなりません。その結果、細孔サイズが約4Åの分子ふるいが得られます。このクラスの膜の中で最も広く入手可能なのは、ゼオライトA をベースとした膜です。
これらの結晶性材料の代わりに、非晶質シリカ層の多孔質構造を分子選択性に合わせて調整することも可能です。これらの膜はゾルゲル化学プロセスによって作製されます。新しい親水性セラミック膜の研究は、チタニアまたはジルコニアに重点的に行われてきました。ごく最近では、有機無機ハイブリッド材料の開発により、水熱安定性における画期的な進歩が達成されました。
参照
参考文献
- ^ Strathmann, H. (2001). 「膜分離プロセス：現在の関連性と将来の可能性」（PDF） . AIChEジャーナル. 47 (5): 1077– 1087. Bibcode : 2001AIChE..47.1077S . doi : 10.1002/aic.690470514 . ISSN 0001-1541 .
- ^ Sae-Khow, Ornthida; Mitra, Somenath (2009年12月). 「化学分析における浸透蒸発」. Journal of Chromatography A. 1217 ( 16): 2736– 2746. doi : 10.1016/j.chroma.2009.12.043 . PMID 20060529 .
さらに読む
- フォンタルボ・アルザテ、ハビエル (2006)。二相流パーベーパレーションおよびハイブリッド蒸留プロセスの設計とパフォーマンス。オランダ、アイントホーフェン工科大学: JWL boekproducties。ISBN 978-90-386-3007-6。
- Matuschewski, Heike (2008). MSE — 芳香族／脂肪族化合物分離のための親有機性パーベーパレーションにおける改質膜. www.desline.com: 脱塩.
- Eslami, Shahabedin; Aroujalian, Abdolreza; Bonakdarpour, Babak; Raeesi, Ahamdreza (2008). 「浸透気化システムと発酵プロセスの連携」(PDF) .国際膜・膜技術会議 (ICOM2008). ホノルル, ハワイ, 米国.
