La pervaporación (o separación pervaporativa) es un método de procesamiento para la separación de mezclas de líquidos por vaporización parcial a través de una membrana porosa o no porosa . [1]
El término pervaporación es una combinación de los dos pasos del proceso: (a) la permeación del permeado a través de la membrana y, luego, (b) su evaporación a la fase de vapor. Este proceso se utiliza en varias industrias para varios procesos diferentes, incluidos la purificación y el análisis , debido a su simplicidad y su naturaleza en línea.
La membrana actúa como una barrera selectiva entre las dos fases: la fase líquida de alimentación y el permeado en fase vapor. Permite que los componentes deseados de la fase líquida de alimentación se transfieran a través de ella por vaporización . La separación de los componentes se basa en una diferencia en la velocidad de transporte de los componentes individuales a través de la membrana.
Normalmente, el lado de la corriente ascendente de la membrana se encuentra a presión ambiente y el lado de la corriente descendente se encuentra al vacío para permitir la evaporación del componente selectivo después de la permeación a través de la membrana. La fuerza impulsora de la separación es la diferencia en las presiones parciales de los componentes en los dos lados y no la diferencia de volatilidad de los componentes en la alimentación.
La fuerza impulsora para el transporte de diferentes componentes es proporcionada por una diferencia de potencial químico entre el líquido de alimentación/retenido y el permeado de vapor en cada lado de la membrana. El retenido es el resto de la alimentación que sale de la cámara de alimentación de la membrana, que no se permea a través de la membrana. El potencial químico se puede expresar en términos de fugacidad , dada por la ley de Raoult para un líquido y por la ley de Dalton para un gas (ideal). Durante la operación, debido a la eliminación del permeado en fase de vapor, la fugacidad real del vapor es menor que la anticipada en función del permeado recolectado (condensado).
La separación de componentes ( por ejemplo, agua y etanol) se basa en una diferencia en la velocidad de transporte de los componentes individuales a través de la membrana. Este mecanismo de transporte se puede describir utilizando el modelo de difusión por solución, basado en la velocidad/grado de disolución de un componente en la membrana y su velocidad de transporte (expresada en términos de difusividad) a través de la membrana, que será diferente para cada componente y tipo de membrana que conduce a la separación.
La pervaporación es eficaz para soluciones diluidas que contienen trazas o cantidades menores del componente que se desea eliminar. En base a esto, las membranas hidrófilas se utilizan para la deshidratación de alcoholes que contienen pequeñas cantidades de agua y las membranas hidrófobas se utilizan para la eliminación/recuperación de trazas de compuestos orgánicos de soluciones acuosas .
La pervaporación es una alternativa eficiente y ahorradora de energía a procesos como la destilación y la evaporación . Permite el intercambio de dos fases sin contacto directo. [2]
Los ejemplos incluyen la deshidratación de disolventes: deshidratación de los azeótropos de etanol/agua e isopropanol/agua, eliminación continua de etanol de los fermentadores de levadura , eliminación continua de agua de las reacciones de condensación como las esterificaciones para mejorar la conversión y la velocidad de la reacción, espectrometría de masas con introducción de membrana , eliminación de disolventes orgánicos de aguas residuales industriales, combinación de destilación y pervaporación/permeabilización de vapor, y concentración de compuestos de sabor hidrófobos en soluciones acuosas (utilizando membranas hidrófobas).
Recientemente, se han introducido en el mercado varias membranas de pervaporación organófilas. Las membranas de pervaporación organófilas se pueden utilizar para la separación de mezclas orgánico-orgánicas, por ejemplo: reducción del contenido de aromáticos en corrientes de refinería, ruptura de azeótropos , purificación de medios de extracción, purificación de corrientes de producto después de la extracción y purificación de solventes orgánicos.
Las membranas hidrófobas a menudo se basan en polidimetilsiloxano , donde el mecanismo de separación real se basa en el modelo de solución-difusión descrito anteriormente.
Las membranas hidrófilas están más ampliamente disponibles. El sistema de membrana de pervaporación comercialmente más exitoso hasta la fecha se basa en alcohol polivinílico . Más recientemente, también se han puesto a disposición membranas basadas en poliimida . Para superar las desventajas intrínsecas de los sistemas de membrana polimérica, se han desarrollado membranas cerámicas durante la última década. Estas membranas cerámicas consisten en capas nanoporosas sobre un soporte macroporoso. Los poros deben ser lo suficientemente grandes para dejar pasar las moléculas de agua y retener cualquier otro disolvente que tenga un tamaño molecular mayor, como el etanol. Como resultado, se obtiene un tamiz molecular con un tamaño de poro de aproximadamente 4 Å . El miembro más ampliamente disponible de esta clase de membranas es el basado en zeolita A.
Como alternativa a estos materiales cristalinos, la estructura porosa de las capas de sílice amorfa se puede adaptar a la selectividad molecular. Estas membranas se fabrican mediante procesos químicos sol-gel . La investigación sobre nuevas membranas cerámicas hidrófilas se ha centrado en el titanio o el zirconio . Muy recientemente se ha logrado un gran avance en la estabilidad hidrotermal mediante el desarrollo de un material híbrido orgánico-inorgánico. [ cita requerida ]