Кіріспе

Булау (немесе булау арқылы бөлу) – сұйық қоспаларын тесікті немесе тесіксіз мембрана арқылы жартылай буландыру арқылы бөлу процесі.

Теория

Булану процесі – бұл процестің екі кезегінің қосылуы: (а) мембрана арқылы пермеаттың өтуі, содан кейін (б) оның бу фазасына булануы. Бұл процесті көптеген салалар тазарту және талдау сияқты әртүрлі мақсаттар үшін, оның қарапайымдылығы мен үздісіздігіне байланысты қолданады. Мембрана екі фаза арасындағы – сұйық фазадағы бастапқы материал мен бу фазасындағы пермеат арасындағы таңдаулы кедергі ретінде әрекет етеді. Ол сұйық бастапқы материалдың қажетті компоненттерінің булану арқылы өтуіне мүмкіндік береді. Компоненттерді бөлу жеке компоненттердің мембрана арқылы тасымалдану жылдамдығының айырмашылығына негізделеді. Әдетте, мембрананың үстіңгі жағы атмосфералық қысымда, ал төменгі жағы вакуумда болады, бұл мембрана арқылы өтуден кейін таңдамал компоненттің булануына мүмкіндік береді. Бөлуді қамтамасыз ететін күш – екі жақтағы компоненттердің ішік қысымдарының айырмашылығы, бастапқы материалдағы компоненттердің ұшпалылығының айырмашылығы емес. Әртүрлі компоненттердің тасымалдануын қамтамасыз ететін күш – мембрананың әр жағындағы сұйық бастапқы материал/қалдық пен бу пермеаты арасындағы химиялық потенциалдың айырмашылығы. Қалдық – бұл мембраналық камерадан шығатын және мембрана арқылы өтпейтін бастапқы материалдың қалған бөлігі. Химиялық потенциалды сұйықтар үшін Раульт заңымен, ал (идеалды) газдар үшін Дальтон заңымен берілген қашу арқылы көрсетуге болады. Жұмыс істеу кезінде бу фазасының пермеатын жою нәтижесінде будың нақты қашуы жиналған (конденсацияланған) пермеатқа сәйкес күтілгеннен төмен болады. Компоненттерді (мысалы, су және этанол) бөлу мембрана арқылы жеке компоненттердің тасымалдану жылдамдығының айырмашылығына негізделеді. Бұл тасымалдану механизмін компоненттің мембранаға еріу жылдамдығы/дәрежесі және оның мембрана арқылы тасымалдану жылдамдығы (диффузиялық коэффициент арқылы көрсетілген) негізіндегі ерітінді диффузия моделі арқылы сипаттауға болады, бұл әр компонент пен мембрана түрі үшін әртүрлі болады және бөлуге әкеледі.

Қолданбалар

Булау, іздер немесе шамалы мөлшердегі бөлінетін компоненті бар сұйытылған ерітінділер үшін тиімді. Осыған байланысты, гидрофильді мембраналар аз мөлшерде суы бар спирттерді құрғату үшін, ал гидрофобты мембраналар сулы ерітінділерден органикалық заттардың іздік мөлшерін алу/қайта өңдеу үшін қолданылады. Булау – дистилляция және булану сияқты процестерге қарағанда энергияны үнемдейтін тиімді балама. Ол тікелей жанасусыз екі фазаның алмасуын қамтамасыз етеді. Мысалдар: еріткішті құрғату (этанол/су және изопропанол/су азеотроптарын құрғату), ашытушы ферментаторлардан этанолды үздіксіз алу, этерификация сияқты конденсациялық реакциялардан суды үздіксіз алу арқылы реакцияның өнімділігі мен жылдамдығын арттыру, мембраналық енгізу массалық спектрометриясы, өнеркәсіптік сарқырама сулардан органикалық еріткіштерді алу, дистилляция және булау/буды сіңірудің үйлесімі, сондай-ақ сулы ерітінділерде гидрофобты дәмдік заттарды шоғырландыру (гидрофобты мембраналарды қолдану). Жақында нарыққа бірқатар органофильді булау мембраналары енгізілді. Органофильді булау мембраналарын органикалық қоспаларды бөлу үшін қолдануға болады, мысалы: мұнай өңдеу зауыттарының ағындарындағы ароматтық заттардың мөлшерін азайту, азеотроптарды бұзу, экстракциялық ортаны тазарту, экстракциядан кейінгі өнім ағынын тазарту және органикалық еріткіштерді тазарту.

Материалдар

Гидрофобты мембраналар көбінесе полидиметилсилоксан негізінде жасалады, онда нақты бөліну механизмі жоғарыда сипатталған ерітінді диффузиялық модельге негізделген. Гидрофильді мембраналар кеңінен қолжетімді. Қазіргі кезде коммерциялық тұрғыдан ең табысты первапорациялық мембраналық жүйе поливинил спиртіне негізделген. Соңғы уақытта полиимид негізіндегі мембраналар да қолжетімді болды. Полимерлік мембрана жүйелерінің ішкі кемшіліктерін жою үшін соңғы он жылда керамикалық мембраналар әзірленді. Бұл керамикалық мембраналар макропорозды тіреуге жатқан нанопорозды қабаттардан тұрады. Тесіктер су молекулаларының өтуіне жеткілікті үлкен болуы керек, сонымен қатар этанол сияқты ірі молекулалық өлшемге ие еріткіштерді ұстап тұруы тиіс. Нәтижесінде, шамамен 4 Å тесік өлшемі бар молекулалық ілгіш алынады. Бұл мембраналар класының ең көп таралған түрі – цеолит А негізінде жасалған мембрана. Бұл кристалдық материалдарға балама ретінде аморфты кремний қабаттарының кеуекті құрылымын молекулалық таңдауға бейімдеуге болады. Бұл мембраналар золь-гель химиялық процестері арқылы жасалады. Жаңа гидрофильді керамикалық мембраналарды зерттеуде титан немесе цирконийге баса назар аударылды. Өте жақында органикалық-органикалық емес гибридтік материалды әзірлеу арқылы гидротермиялық тұрақтылықта маңызды жетістікке қол жеткізілді.