Pervaporatie

Principeschema

 

Principe- en installatiebeschrijving

Pervaporatie is een membraanproces analoog aan destillatie[1], en combineert permeatie en verdamping. Pervaporatie wordt toegepast voor het scheiden van vloeistofmengsels. Het gebruikte membraan is een dicht niet-poreus polymeer membraan of een zeer fijn-poreus keramisch membraan dat een affiniteit vertoont voor de component die men wil verwijderen. Specifiek voor dit proces, wordt de permeërende component in dampfase omgezet, dankzij een lage (partiële) dampdruk aan de permeaatzijde. Deze lage dampdruk wordt meestal verkregen door een (licht) vacuüm aan te leggen aan de permeaatzijde van het membraan. In de meeste gevallen wordt het permeaat opnieuw gecondenseerd. Het pervaporatie proces bestaat uit 3 stappen:

  • selectieve sorptie in het membraan aan de influentzijde;
  • selectieve diffusie door het membraan heen;
  • desorptie in de gasfase aan de permeaatzijde.

Er bestaat een alternatieve procesvoering, damppermeatie genoemd. Bij damppermeatie wordt de voeding in dampvorm gebracht vóór ze in contact komt met het membraan.  Dit alternatief is vooral interessant als de voeding uit een vorige processtap in dampvorm komt.

Pervaporatie is niet gebaseerd op een vloeistof-damp evenwicht zoals destillatie, maar is gebaseerd op verschillen in sorptie en diffusie van de verschillende componenten in de voeding. Het is daarom een interessant alternatief voor de scheiding van azeotrope mengsels, of van mengsels met gelijkaardige kookpunten.  Het heeft hierbij het energetisch voordeel dat alleen de permeërende component in de gasfase moet worden omgezet.

Er zijn goede hydrofiele pervaporatiemembranen op de markt. Het gebruik van pervaporatie voor de ontwatering van solventen is duidelijk in opmars. Recent wordt de techniek dan ook ingezet voor de ontwatering van bio-ethanol. Ook voor de verwijdering van vluchtige organische componenten uit afvalwater of gecontamineerd grondwater bestaan goede hydrofobe commerciële membranen. Deze zijn ook geschikt voor de verwijdering van vluchtige componenten zoals koolwaterstoffen uit lucht. De membranen voor scheiding van 2 organische componenten zijn evenwel nog in ontwikkelingsstadium.

Specifieke voor- en nadelen

Het grote voordeel van pervaporatie is het grote potentieel van energiebesparing. Besparingen tot boven 50% zijn gemakkelijk te bekomen. Maar, de membranen en membraaninstallatie (o.a. noodzaak voor vacuüm) zijn momenteel nog relatief duur. Dankzij de hoge energiebesparingen wordt bij complexe destillaties de investering toch economisch rendabel.

Pervaporatie vermijdt bovendien de contaminatie van de gewenste stroom, in tegenstelling tot bv. azeotrope destillatie waarbij entrainers of extra componenten die de azeotroop opheft, gebruikt worden.

In geval van zwevende stoffen of opgeloste zouten in de voeding kan membraanvervuiling optreden. In dat geval wordt gebruik gemaakt van een goede voorbehandeling, of van damppermeatie.

Toepassing

Pervaporatie is een praktisch en financieel haalbaar alternatief voor destillatie in geval van ontwatering van solventen, vooral daar waar azeotropen moeten gebroken worden, of vloeistoffen met gelijkaardige kookpunten moeten gescheiden worden. In deze gevallen is vaak een hybride procesvoering (destillatie in combinatie met pervaporatie) het meest economisch.

Hydrofiele pervaporatie of damppermeatie kan ook gebruikt worden om water uit een reactiemengsel af te voeren en op die manier het reactie-evenwicht gunstig te verschuiven. Dit wordt o.a. toegepast bij esterificatie reacties.

Voor de verwijdering van vluchtige organische stoffen (o.a. gechloreerde koolwaterstoffen en BTEX) uit afvalwater, is pervaporatie competitief zijn met actieve kool-adsorptie (zie technische fiche Adsorptietechnieken) en stripping (zie technische fiches Stoomstrippen en Luchtstrippen).

Wereldwijd bestaan verscheidene implementaties op grote schaal, het merendeel ontwatering van alcoholen (ethanol en isopropanol). De capaciteit van de meeste installaties ligt tussen 50 en 300 l/dag. Het betreft dus eerdere kleinere installaties.

Enkele voorbeelden van sectoren waarin pervaporatie kan worden toegepast zijn: chemische industrie, farmaceutische industrie, petrochemie, raffinaderijen, tank- en vatenreiniging en verf-, lak-, vernis- of drukinktproductie.

Randvoorwaarden 

Om voldoende flux[2] te verkrijgen bij pervaporatie wordt meestal gewerkt bij temperaturen tussen 50 en 100°C. Typische fluxen gemiddeld over een pervaporatietraject liggen rond de 1 kg/lum2.

Pervaporatie wordt best ingezet om de minderheidscomponent uit een mengsel te verwijderen. In dat geval is het benodigde membraanoppervlak en de benodigde energie het laagste.

De meeste pervaporatiemembranen werken maar optimaal wanneer de permeërende component beneden een bepaald maximum in de voeding aanwezig is.

Hoog kokende componenten bemoeilijken de pervaporatie. Ze beperken de selectiviteit en kunnen het membraan blokkeren.

Werkingsgraad

Pervaporatie wordt voornamelijk ingezet voor de verwijdering van vluchtige organische verbindingen (o.a. VOX, BTEX, MAK, methyl tert-butyl ether, fenolen, styreen, PAKs en apolaire KWS) uit afvalwater. Hiervoor kan de techniek competitief zijn met actieve kool-adsorptie (zie technische fiche 'Adsorptietechnieken') en stripping (zie technische fiches 'Stoomstrippen' en 'Luchtstrippen').

Pervaporatie verwijdert gemakkelijk componenten uit water tot beneden 1%. Hogere zuiverheden van het concentraat zijn mogelijk maar vergen relatief veel membraanoppervlak, vermits de fluxen daar relatief laag zijn (lage drijvende kracht).

Hulpstoffen

Wanneer een juiste voorbehandeling (bv. microfiltratie) wordt gebruikt bij de aanwezigheid van zwevende stoffen, en wanneer de damppermeatie procesvoering wordt gebruikt bij aanwezigheid van zouten, worden geen problemen verwacht met membraanreiniging, en zijn bijgevolg geen chemicaliën nodig.

Milieu-aspecten

Pervaporatie wordt erkend als een energiezuinig alternatief voor moeilijke destillaties. Het concentraat is meestal het product (o.a. bij ontwatering). Omwille van de hoge selectiviteiten van de membranen, is het permeaat ook vaak loosbaar, of herbruikbaar.

Kosten

Een theoretische economische evaluatie van een hybride destillatie/pervaporatie-unit voor een te verwerken isopropanol/water mengsel (50/50 gew.%) door Van Hoof et al. (2004) leidde tot volgende kosten:

  • operationele kost (hoofdzakelijk energie):  ~17 €/ton product
  • investeringskost: ~40 €/ton product
  • onderhoud (o.a. membraanvervanging): ~13 €/ton product 

Hiermee zijn de kosten, voor ontwatering van solventen die een azeotroop vormen, door middel van een dergelijke hybride procesvoering destillatie/pervaporatie ongeveer de helft kleiner dan die voor een ‘klassieke’ azeotrope destillatie.

Gezien de beperkte toepassing kan momenteel nog geen investeringskost weergegeven worden voor een gerealiseerde full-scale installatie.

Opmerkingen

De techniek kan leiden tot belangrijke energiereducties. Verwacht wordt dat in de nabije toekomst deze techniek zich verder zal ontwikkelen en op grotere schaal toegepast zal worden.

Complexiteit

Pervaporatie/damppermeatie is een relatief eenvoudig proces. Procesparameters voor procesoptimalisatie zijn temperatuur, vacuüm, voedingssnelheid en voedingconcentratie.

Automatiseringsgraad

Een verregaande automatisering is mogelijk.

Referenties

  • EIPPCB, Reference Document on BAT in Common Waste Water and Waste Gas Treatment / Management Systems in the Chemical Sector, draft februari 2009 (herziening in uitvoering)
  • Jonquières A. et al., Industrial state-of-the-art of pervaporation and vapour permeation in the western countries, Journal of Membrane Science, 5189 (2002) 1-31, 2002
  • Mulder M., Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht (NL) 1996
  • Van Hoof V. et al., Economic comparison between azeotropic distillation and different hybrid systems combining distillation with pervaporation for the dehydration of isopropanol, Separation and Purification Technology, 37 (2004) 33-49, 2004
  • VITO-SCT, herwerking technische fiches WASS, 2008
  • Wynn N., Reactions and Separations, Pervaporation, Comes of Age, CEP Magazine, October 2001, 66-72, 2001

 


[1] Techniek om door middel van verdamping twee of meer stoffen in een oplossing te scheiden, gebaseerd op het verschil in kookpunt van deze stoffen.

[2] hoeveelheid effluent gefiltreerd per oppervlakte-eenheid membraan en per tijdseenheid

 

 

Versie : februari 2010

Producten en diensten: