İki bileşenli sıvı karışımların pervaporasyonla ayrılması

Abstract

ÖZET Bir membran prosesi olarak pervaporasyonun, geleneksel yöntemlerle ayrılması zor veya mümkün olmayan sıvı karışımların ayrılması için önemli potansiyele sahip bir temel işlem olduğu düşünülmektedir. Pervaporasyon işleminde besleme karışımı membranın bir tarafıyla temas halinde tutulmakta ve vakum pompası yardımıyla permeat, buhar olarak diğer taraftan sürekli olarak alınmaktadır. Bu çalışmada, ikili sıvi karışımı olarak etilasetat-su karışımı üzerinde durulmuştur. Membran olarak, yüksek akı ve seçicilik değerlerini verebilecek çapraz bağlı polivinilalkol (PVA) ve polidimetilsiloksan (PDMS) membranlar hazırlanmıştır. Çapraz bağlayıcı olarak PVA için tartarik asit seçilmiş ve PDMS için ticari çapraz bağlayıcısı kullanılmıştır. PVA'nın çapraz bağlanması için düşünülen okzalik asit yapılan ön denemeler sonunda elenmiştir. Yapılan ön denemeler sonucunda PVA için çapraz bağlayıcı olarak kullanılan tartarik asit konsantrasyonu ağırlıkça %20 olarak belirlenmiştir. Deneysel düzenek başlıca; besleme tankı, su banyosu, besleme pompası, vakum pompası, membran hücresi (paslanmaz çelik) ve dewar kaplarından oluşmaktadır. Pervaporasyon deneyleri, dewar kaplarında sıvı azotla yoğuşturulan permeatı toplamak için kullanılabilen üç tuzağa sahip bir sistemde gerçekleştirilmiştir. Sorpsiyon deneyleri film aplikatörüyle hazırlanan çapraz bağlı PVA ve PDMS membranlar kullanılarak saf su ve etilasetat içinde ve değişik yüzdelerde su içeren etilasetat-su karışımında PVA membran ile 30, 40 ve 50°C'de gerçekleştirilmiştir. Ayrıca sadece PVA membranlar kullanılarak 30, 40, 50 ve 63°C sıcaklıklarda, saf madde ve karışıma yönelik pervaporasyon deneyleri yapılmış ve hazırlanan PVA membranların (50 ve 100 um kalınlığında) etilasetat-su karışımından su uzaklaştırmada son derece etkili olduğu belirlenmiştir. Denge eğrisi, ideal olmayan sıvı faz için Wilson denkleminin kullanıldığı buhar-sıvı denge hesaplamaları yapılarak oluşturulmuştur. Membran boyunca permeat sorpsiyonu ve difüzyonu için literatürden bulunan, Fujita'nın serbest hacim teorisi ve Flory-Huggins termodinamiğini kullanan ve çözelti-difüzyon modeli prensibinden hareket eden matematiksel bir model saf madde geçişine uygulanmıştır. Anahtar Kelimeler: Pervaporasyon, membran, sorpsiyon, polivinilalkol, polidimetilsiloksan, tartarik asit, etilasetat, su, Flory-Huggins termodinamiği.

ABSTRACT Pervaporation as a membrane process is today considered a basic unit operation with significant potential for the separation of liquid mixtures which are difficult or not possible to separate by conventional methods. In the pervaporation process, the feed mixture is maintained in contact with one side of a membrane, and the permeate is continuously removed from the other side in vapor form by a vacuum pump. In this study, separation of ethyl acetate-water binary system was attempted. As membranes, polymeric films (polyvinylalcohol and polydimethylsiloxane), which will have high flux and selectivity values, were prepared. Tartaric acid was selected as the cross-linking agent for PVA and a commercial cross-linking agent was used for PDMS. Oxalic acid as the cross- linking agent for PVA was eliminated after preliminary tests and evaluation. Based on the preliminary experiments the concentration of the TAc was selected as 20% by weight. Experimental setup consisted of feed tank, water bath, feed pump, vacuum pump, membrane cell (stainless steel) and dewar containers. Pervaporation experiments were conducted continuously in a system which has three traps that were used to collect the permeate condensed by liquid nitrogen held in dewars. Sorption experiments were carried out at 30, 40 and 50 °C in pure water and pure ethyl acetate using PVA and PDMS membranes prepared, and in ethylacetate-water mixtures containing different percentages of water using PVA membranes prepared. Pervaporation experiments conducted using only PVA membranes for the pure components and their binary mixtures at 30, 40, 50 and 63°C showed that the PVA membrane (50 and 100 urn thick) prepared is exteremely effective for the selective permeation of water. The equilibrium curve was determined by conducting vapor-liquid equilibrium calculations using the Wilson Equation for the liquid phase nonideality. A mathematical model found in literature for the permeate sorption and diffusion throughout the membrane which uses free volume theory of Fujita and Flory-Huggins thermodynamics, based on the principle of solution-diffusion, was applied to the pure component permeation. Keywords: Pervaporation, membrane, sorption, polyvinylalcohol, polydimethylsiloxane, tartaric acid, ethyl acetate, water, Flory-Huggins thermodynamics XI