TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen
eines einzelnen Bestandteils von seiner flüssigen Lösung durch
die Verwendung einer durchlässigen Membran und insbesondere
ein solches Verfahren zum Trennen des Bestandteils durch
Dampf-zu-Dampf-Phasenpermeation, die als ein "Evapomeations"-
Verfahren bezeichnet werden könnte, wie geprägt aus den Worten
"Evaporation" und "Permeation", um das neuartige
Flüssigkeitstrennverfahren der vorliegenden Erfindung gut zu
beschreiben.
HINTERGRUNDTECHNIK
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Als ein Verfahren zum Trennen eines einzelnen Bestandteils von
seiner flüssigen Lösung oder Mischung, wie etwa einer
organischen Flüssigkeit, die zwei oder mehr Arten von Bestandteilen
enthält, ist bisher eine Destillation verwendet worden. Aber
die Destillation erfordert eine große Menge an Energieeintrag
zum Erhitzen der flüssigen Lösung. Daher wird als eines der
Membranverfahren zum Trennen der flüssigen Lösung ein
Umkehrosmoseverfahren eingesetzt. Aber beim Umkehrosmoseverfahren
wird die durchlässige Membran, da es erforderlich ist, die
flüssige Lösung unter einen hohen Druck zu setzen, damit ein
einzelner Bestandteil, der abgetrennt werden soll, von einer
Seite mit konzentrierterer Lösung, zu einer Seite mit weniger
konzentrierter Lösung effektiv durch eine durchlässige Membran
permeieren kann, durch solches Unter-Druck-Setzen leicht
verdichtet, so daß ihre Permeationseffizienz abgesenkt wird,
wodurch ihren Trennleistung beträchtlich beschränkt wird.
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Folglich ist eine Studie auf ein Pervaporations
(Permeationevaporation)-Verfahren gerichtet worden, das ebenfalls das
Membran-Trennverfahren ist, aber kein Unter-Druck-Setzen
erfordert, wie z. B. in US-A-4,218,312 gezeigt.
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Das Prinzip dieses Pervaporationsverfahrens wird kurz unter
Bezugnahme auf Fig. 3 diskutiert, in der eine Vorrichtung für
das Verfahren schematisch so dargestellt ist, daß sie
einen Trennbehälter 25 aufweist, der mittels einer
durchlässigen Membran 24 in eine obere Lösungskammer 23 in eine untere
Vakuumkammer 21 geteilt ist. Durch Reduzieren eines Drucks in
der Vakuumkammer 21, während die Lösungen 22, die in die
Lösungskammer 23 eingebracht worden sind, in Kontakt mit der
Membran 24 gehalten werden, wird ein einzelner Bestandteil in
der flüssigen Lösung 22 selektiv bevorzugt zu den anderen
Bestandteilen durch die durchlässige Membran 24 permeieren und
diffundieren, so daß der Bestandteil, der permeiert ist von
der Oberfläche der durchlässigen Membran 24 in die
Vakuumkammer 21 verdampfen kann. Mit diesem Verfahren ist es möglich,
die Trennung der flüssigen Lösung zu bewirken, indem der
einzelne Bestandteil, der so durch die Membran 24 permeiert und
in die Vakuumkammer 21 verdampft ist, zurückgewonnen wird,
oder alternativ indem die restliche Lösung in der
Lösungskammer 23 zurückgewonnen wird.
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Wie im obigen erläutert, ermöglicht es das
Pervaporationsverfahren, die flüssige Lösung durch eine durchlässige Membran zu
trennen, ohne daß irgendein Unter-Druck-Setzen wie beim
Umkehrosmoseverfahren erforderlich ist und auch ohne daß
bewirkt wird, daß die Membran unerwünscht verdichtet.
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Beim obigen Pervaporationsverfahren, bei dem die flüssige
Lösung in direktem Kontakt mit der durchlässigen Membran
gehalten wird, tritt jedoch ein anderes Problem auf, daß die
durchlässige Membran, die im allgemeinen aus einem
makromolekularen Material hergestellt ist, dazu neigt, während des
direkten Kontaktes mit der Lösung zu quellen. Wenn die
durchlässige Membran gequollen ist, wird ihre Durchlässigkeit
verschlechtert, wodurch die Trenneffizienz gesenkt wird.
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DE-C-851 048 offenbart eine Dampf-zu-Dampf-Permeation durch
einen Membran mit selektiver Durchlässigkeit, insbesondere zur
Wasser-Ethanol-Trennung. Obgleich diese Druckschrift bereits
angibt, daß der Druck im Inneren der Lösungskammer höher sein
sollte als außerhalb derselben, ist es die Absicht dieses
bekannten Verfahrens, den Dampfdruck auf der äußeren Wand der
Membran niedriger zu halten als den Dampfdruck im Behälter
selbst. Beim bekannten Verfahren wird Erhitzen oder
Ultraschallvibration auf die Flüssigkeit in der Lösungskammer
angewendet, um einen Dampfdruck darin zu erhöhen, verglichen mit
dem Atmosphärendruck außerhalb, um den resultierenden Dampf
durch die Membran zu treiben.
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DE-A-36 00 333 offenbart die Verwendung einer
Alginsäuremembran und die Verwendung einer Chitosanmembran, die beide so
ausgebildet sind, daß sie Metallkomplexe einschließen, zur
Steigerung der Quellung der Membran zur Verwendung im
Evaporationsverfahren.
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EP-A-0 062 494 offenbart eine Trenntechnik, bei der eine
Polystyrolmembran verwendet wird.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Im Hinblick auf den obigen Stand der Technik und seine
Nachteile, ist es die primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren zum Trennen eines einzelnen Bestandteils aus
seiner flüssigen Lösung mit einer verbesserten Effizienz zur
Verfügung zu stellen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Behälter
verwendet, der durch eine durchlässige Membran mit selektiver
Durchlässigkeit in ein Lösungskammer zur Aufnahme besagter
flüssigen Lösung und eine Vakuumkammer geteilt ist, wobei
besagtes Verfahren umfaßt, daß die flüssige Lösung außer
direktem Kontakt mit besagter durchlässigen Membran gehalten wird
und die Vakuumkammer evakuiert wird, um die flüssige Lösung in
der Lösungskammer zu verdampfen und den resultierenden Dampf
durch die durchlässige Membran in die Vakuumkammer zu ziehen,
wodurch ermöglicht wird, daß der einzelne Bestandteil in
Dampf-zu-Dampf-Phasenumgebung selektiv durch besagte Membran
permeiert, wobei besagte flüssige Lösung eine wäßrige Lösung
von Ethanol ist und besagte durchlässige Membran eine
Alginsäuremembran, eine Chitosanmembran oder eine Polystyrolmembran
ist, die selektive Durchlässigkeit für Wasser bevorzugt zu
Ethanol zeigt.
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In einer anderen Ausführungsform wird ein Behälter verwendet,
der durch eine durchlässige Membran mit selektiver
Durchlässigkeit in eine Lösungskammer zur Aufnahme besagter flüssigen
Lösung und eine Vakuumkammer geteilt ist, wobei besagte
Vakuumkammer weiter durch eine weitere durchlässige Membran mit zu
besagter durchlässigen Membran umgekehrter Selektivität in
eine erste und eine zweite Vakuumkammer unterteilt ist, wobei
besagtes Verfahren umfaßt, daß die flüssige Lösung außer
direktem Kontakt mit besagter durchlässigen Membran gehalten
wird, die Vakuumkammer evakuiert wird, um die flüssige Lösung
in der Lösungskammer zu verdampfen und den resultierenden
Dampf durch die durchlässige Membran in besagte erste
Vakuumkammer zu ziehen, das Evakuieren der Vakuumkammer fortgesetzt
wird, um besagten Dampf aus der ersten Vakuumkammer durch
besagte weiter durchlässige Membran in die zweite Vakuumkammer
zu ziehen, wodurch ermöglicht wird, daß der einzelne
Bestandteil in Dampf-zu-Dampf-Phasenumgebung selektiv durch besagte
zulässige Membran in besagte erste Vakuumkammer permeiert und
gleichzeitig ermöglicht wird, daß der andere Bestandteil in
Dampf-zu-Dampf-Phase selektiv durch besagte weitere
durchlässige Membran in besagte zweite Vakuumkammer permeiert, wobei
besagte flüssige Lösung eine wäßrige Lösung von Ethanol ist,
besagte durchlässige Membran eine Polydimethylsiloxanmembran
mit der selektiven Durchlässigkeit für Ethanol bevorzugt zu
Wasser ist und besagte weitere durchlässige Membran eine
Dialdehyd- vernetzte Chitosanmembran mit selektiver
Durchlässigkeit für Wasser bevorzugt zu Ethanol ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die eine Vorrichtung
zeigt, die für die vorliegende Erfindung verwendet
wird;
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Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die eine andere
Vorrichtung zeigt, die für die vorliegende Erfindung verwendet
wird; und
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Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, die ein allgemeines
Pervaporationsverfahren veranschaulicht.
MÖGLICHKEITEN ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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Bezugnehmend auf Fig. 1, die das Prinzip des "Evapomeations"-
Trennverfahren der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, ist
ein Trennbehälter 5 mittels einer durchlässigen Membran 4 in
eine obere Vakuumkammer 1 und eine untere Lösungskammer 3
geteilt. Die durchlässige Membran 4 ist in Abhängigkeit von
einem einzelnen Bestandteil der flüssigen Lösung, der
abgetrennt werden soll, ausgewählt. Ein Zwischenraum oder Raum
ist zwischen der Unterfläche der Membran 4 und der Oberfläche
der flüssigen Lösung 2, die dich in der Lösungskammer 3
befindet, vorgesehen, um die durchlässige Membran 4 außer direktem
Kontakt mit der flüssigen Lösung 2 zu halten. Beim Evakuieren
der Vakuumkammer 1 wird die Lösungskammer 3, die durch die
durchlässige Membran 4 damit in Luftverbindung steht, in
entsprechender Weise evakuiert, so daß die flüssige Lösung
veranlaßt wird, zu verdampfen. Wenn der Dampf aus der so
verdampften flüssigen Lösung in Kontakt mit der
Permeationsmembran 4 kommt, permeiert er durch die Membran 4,
wenn er dort hinein diffundiert, und wird gezwungen, unter der
Wirkung des Vakuums in die Vakuumkammer 1 einzutreten. Da die
durchlässige
Membran 4 ermöglicht, daß ein einzelner Bestandteil bevorzugt
zu den anderen selektiv permeiert, ist es leicht möglich, die
Trennung abzuschließen, entweder indem der Bestandteil, der
durch die durchlässige Membran 4 in die Vakuumkammer 1
hindurchgegangen ist, gesammelt wird oder indem die restliche
Lösung in der Lösungskammer 3, aus der der Bestandteil
entfernt worden ist, gesammelt wird.
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Wie im obigen zu sehen, kann die Trennung der flüssigen Lösung
2 in der Form der Dampf-zu-Dampf-Phasen-Permeation durch die
Membran 4 durchgeführt werden. Folglich kann die Membran 4 von
beträchtlicher Quellung freigehalten werden, die inhärent ist,
wo die Membran in direktem Kontakt mit der flüssigen Lösung
steht wie im herkömmlichen Pervaporationsverfahren, was
wirkungsvoll verhindert, daß die durchlässige Membran ihre
Permeationseffizienz verringert. Dies, zusätzlich zu der
Tatsache, daß die Permeation in Dampf-zu-Dampf-Phase durchgeführt
wird, führt zu einer bemerkenswert hohen Permeationsrate des
selektiven Bestandteils, verglichen mit den herkömmlichen
Pervaporationsverfahren, bei dem die Trennung über
Flüssigkeitzu-Dampf-Phasen-Permeation
durchgeführt wird. Daher macht es
das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, welches
"Evapomeations"-Verfahren genannt werden könnte, möglich, die
Permeations- und Trenneffizienz für die flüssige Lösung zu
erhöhen.
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Die durchlässige Membran 4, die bei der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, kann eine Membran sein, die im allgemeinen
eine nicht-poröse Membran genannt wird, einschließlich
derjenigen, die beim herkömmlichen Pervaporationsverfahren
verwendet werden. Zum Beispiel kann die durchlässige Membran aus
Alginsäure, Chitosan, vernetztem Chitosan, Chitosanacetat,
quaternisiertem Chitosan, Polystyrol, Polyvinylidenchlorid,
Silicium (polydimethylsiloxan), Polyvinylidenflurid,
Cellulosenitrat, Celluloseacetat, Polyvinylalkohol und ähnlichen
Materialien hergestellt sein.
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Selbst die durchlässige Membran, die aus dem Material
hergestellt ist, das durch den Kontakt mit der flüssigen Lösung
leicht quillt, kann in gleicher Weise bei der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, ohne daß die Trenneffizienz
verringert wird. Wenn die vorliegenden Erfindung den
Materialarten, die die durchlässige Membran bilden, keine substantielle
Beschränkung auferlegt, kann die Trennung in einer höchst
effektiven Art und Weise durchgeführt werden, indem aus einer
breiten Vielzahl von Materialien ein optimales als die
durchlässige Membran ausgewählt wird, in Abhängigkeit von dem
abzutrennenden einzelnen Bestandteil.
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In Anbetracht der Tatsache, daß die Permeationsrate des
einzelnen Bestandteils umgekehrt proportional zur Dicke der
Membran ist, durch die er permeiert, und daß der
Permeationseffekt keine direkte Beziehung zur Membrandicke aufweist, kann
die Permeationsrate durch Verwendung einer dünneren Membran
erhöht werden.
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Außerdem, im Hinblick darauf, daß die Permeationsrate vom
hinter der Membran" entwickelten Grad des Unterdrucks variieren
wird, kann sie auch durch Anheben des Vakuumgrades in der
Vakuumkammer erhöht werden.
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Wenn die durchlässige Membran mit einer verringerten Dicke
verwendet wird, ist es bevorzugt, die Membran auf ein
Trägerteil zu legen, um die Membran genügend zu verstärken, daß sie
einem hinter ihr entwickelten Unterdruck standhält. Das
Trägerteil kann in der Form eines Netzes oder einer porösen
Platte vorliegen, z. B. einer porösen Glasplatte, die zwischen
der Vakuumkammer und der Lösungskammer vorgesehen ist, um das
Brechen der Membran unter der Wirkung des Unterdrucks zu
verhindern.
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Fig. 2 veranschaulicht eine andere für die
Flüssigkeitstrennung verwendete Vorrichtung, die bei der Durchführung der
vorliegenden Erfindung vorteilhaft ist. In dieser Vorrichtung
wird eine zusätzliche durchlässige Membran 14 verwendet, um
die Vakuumkammer 1 von Fig. 2 in ein paar aus einer ersten und
einer zweiten Vakuumkammer 11 und 12 zu unterteilen, von denen
jede mit einer Evakuierungsöffnung 31, 32 versehen ist.
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Wenn die Vorrichtung von Fig. 2 zur Trennung einer wäßrigen
Lösung von Alkohol verwendet wird, wird die durchlässige
Membran so gewählt, daß sie aus einem alkalophilen Material
hergestellt ist, das selektive Permeation von Alkohol bevorzugt
zu Wasser zuläßt, während die durchlässige Membran 14 so
gewählt wird, daß sie aus hydrophilem Material hergestellt
ist, was selektive Permeation von Wasser bevorzugt zu Alkohol
zuläßt. Bei Erreichen eines geeigneten Vakuumgrades in der
ersten und zweiten Kammer 11 und 12 wird der im resultierenden
Dampf der flüssigen Lösung enthaltene Alkohol bevorzugt durch
die untere Membran 4 permeieren, so daß die
Alkoholkonzentration in dem in die erste Kammer 11 eintretenden Dampf
ansteigt. Dann wird der Wassergehalt im Dampf in der ersten
Kammer 11 veranlaßt, bevorzugt durch die oberen Membran 14 in
die obere zweite Kammer 12 zu permeieren, wodurch die
Alkoholkonzentration der in der ersten Kammer 11 eingefangenen
Dampfes weiter ansteigt. Mit diesem Ergebnis kann der Alkohol
mit einer erhöhten Konzentration aus der ersten Kammer 11
durch die Öffnung 31 zurückgewonnen werden. Zusätzlich kann
das durch die Permeationsmembran 4 und 14 abgetrennte Wasser
leicht aus der Kammer 12 durch die Öffnung 32 wiedergewonnen
werden.
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In der gleichen Art und Weise können drei oder mehr
Bestandteile leicht getrennt werden, indem die entsprechende Anzahl
von durchlässigen Membranen mit unterschiedlichen bevorzugten
Selektivitäten hinzugefügt werden.
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Obgleich das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung an die
Trennung aller Arten von Bestandteilen aus ihren flüssigen
Lösungen angepaßt werden kann, indem die durchlässige(n)
Membran(en) in geeigneter Weise ausgewählt wird (werden), ist
festgestellt worden, daß es besonders effektiv ist für die
Trennung einer flüssigen Lösung, die sich durch ein übliches
Destillationsverfahren schwer trennt. Zum Beispiel kann die
vorliegende Erfindung effektiv auf die Systeme zum Trennen von
Alkohol, aromatischer Verbindung oder Ether aus azeotropischen
Gemischen, wie etwa Wasser/Alkohol-Lösung,
Wasser/Aromat-Lösung oder Wasser/Ether-Lösung, zum Trennen einer oder mehrerer
organische Lösungsmittel, wie etwa Kohlenwasserstoffen mit
nahe beieinanderliegenden Siedepunkten aus dem Gemisch
derselben, zum Trennen einer oder mehrerer Strukturisomere, wie etwa
o-, in- oder p-Xylol aus dem Gemisch derselben, zum Trennen
einer oder mehrerer rechtsdrehender oder linksdrehender
optischer
Isomere aus dem Gemisch derselben, zum Trennen thermisch
zersetzter oder transmutierter Bestandteile, wie etwa
Arzneimittel, Substanzen, die im Zusammenhang mit dem lebenden
Körper stehen, Fruchtsäfte oder polymerisierte Monomere aus den
Gemischen derselben, zum Trennen eines Reaktionsproduktes aus
einer Reaktionsmischung, um das Reaktionsgleichgewicht zur
Beschleunigung der Reaktion zu verschieben, oder zum Trennen
einer oder mehrerer flüchtiger organischer Bestandteile, wie
etwa Ammoniak, Amin, Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid oder
Schwefelsäuregas aus Abfallflüssigkeiten angewendet werden.
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Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung auf die Systeme zum
Konzentrieren von Alkohol aus einer Biomasse, zum Rückgewinnen
teurer organischer Lösungsmittel wie etwa Dimethylformamid,
Dimethylacetamid oder Dimethylsulfoxid aus Spinnbad für
synthetische Fasern, zum Rückgewinnen von Lösungsmitteln aus
einer Abfallfarbflüssigkeit, die während des Prozesses der
Farbenherstellung oder bei einer Anstreichlinie abgeleitet
wird, zum Konzentrieren von Alkohol oder organischen
Lösungsmitteln aus dem Gemisch derselben, daß in einer chemischen
Anlage verwendet wird, zum Rückgewinnen von Salzen aus der
Mischung derselben, zum Rückgewinnen von Trichlorethylen aus der
Trockenreinigungsmischung, zum Konzentrieren einer
Emulsionslösung oder einer Lösung, die eine radioaktive Substanz
enthält, zum Konzentrieren eines Ions einer seltenen Erde in
seiner Lösung, zum Konzentrieren eines Virus oder einer
Bakteriophage, zur Herstellung von sterilem Wasser oder
nicht-exotermen Wasser für medizinische Formulierung, Klinikgebrauch
oder Hämodialyse oder zum Herstellen ultrareinen Wassers für
die Elektronikindustrie angewendet werden.
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Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die
folgenden Beispiele diskutiert werden, die zum Zwecke der
Veranschaulichung und nicht zum Zwecke der Beschränkung
bereitgestellt werden. Alle Prozentangaben sind gewichtsbezogen.
Beispiel 1
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Eine 0,5% wäßrige Lösung von Natriumalginat wurde unter einem
Unterdruck entlüftet, um eine Gießlösung herzustellen. Die
Gießlösung wurde dann gleichmäßig auf eine flache Petrischale
gegossen und in einen Thermostattrockner gegeben, wo sie bei
einer Temperatur von 60ºC für 6 Stunden trocknete, so daß die
Lösung vollständig verdampfte, um eine Natriumalginatmembran
zu bilden. Nachdem sie von der Schale abgelöst worden war,
wurde die Natriumalginatmembran in eine 1 N Salzsäure von 25ºC
für 24 Stunden eingetaucht, um eine Alginsäuremembran zu
erhalten. Die resultierende Alginsäuremembran wurde wiederholt
mit reinem Wasser gewaschen, bis restliche Salzsäure
vollständig daraus entfernt war oder kein Chlorion im Waschwasser
nachgewiesen wurde. Danach wurde sie getrocknet, um eine
Alginsäuremembran von 3u in Trocknerdicke vorzulegen, die eine
durchlässige Membran mit selektiver Durchlässigkeit für Wasser
bevorzugt zu Alkohol ist.
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Die so erhaltene Alginsäuremembran wurde als die durchlässige
Membran 4 verwendet, die den Trennbehälter 5 von Fig. 1 in die
obere Vakuumkammer 1 und die untere Lösungskammer 3 teilt. Die
Proben 1 bis 8, die wäßrige Lösungen mit verschiedenen
Ethanolkonzentrationen sind, wurden jede in die Lösungskammer 3
eingebracht, um die Trennung der wäßrigen Lösung durch
Evakuieren der Vakuumkammer 1 herunter auf einen Druck von 1,33 Pa
(10&supmin;² Torr) bei einer Temperatur von 40ºC zu bewirken. Eine
Permeationsrate und ein Trennfaktor α wurden für jede Probe
zur Bewertung der Permeationseffizienz erhalten, wie in
Tabelle 1 aufgelistet.
Vergleichsbeispiel 1
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Dieselbe durchlässige Membran aus Alginsäure, wie in Beispiel
1 erhalten, wurde als die Membran 24 der Vorrichtung von Fig.
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3 verwendet, um das Pervaporationsverfahren zum Vergleich mit
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Zu
diesem Zweck werden gleiche Proben mit verschiedenen
Ethanolkonzentrationen jeweils getestet, um die Permeationsrate und
den Trennfaktor α unter denselben Bedingungen wie in Beispiel
1 zu ermitteln, mit der Ausnahme, daß die Membran 24 gequollen
war, so daß sie eine erhöhte Feuchtdicke von 20 u wegen des
direkten Kontaktes mit der flüssigen Lösung hatte. Die
Testergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 aufgelistet.
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Der Trennfaktor α in Tabelle 1 ist durch die folgende
Gleichung definiert:
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α=YH20/YETOH/XH20/XETOH
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in der XH20 und XETOH Fraktionen von Wasser bzw. Ethanol in
wäßriger Ethanollösung sind, enthalten in der Lösungskammer
3, 23, während YH20 und YETOH Fraktionen von Wasser bzw. Ethanol
im Dampf nach Permeation durch die Membran 4, 14 sind,
gemessen in der anschließenden verflüssigten Phase. Wie in der
obigen Beziehung deutlich wird, bedeutet es, wenn α größer als
1 ist, daß das Wasser in einer größeren Menge als der Ethanol
durch die Membran 4, 24 hindurchgegangen ist und das daß
Wasser in einem größeren Maße bevorzugt durch die Membran
hindurchgelassen wird, wenn der Wert α größer wird. In diesem
Zusammenhang wird angemerkt, daß die Permeationsrate in
Tabelle 1 definiert ist als eine Rate, mit der das Wasser und
der Ethanol, die das durch den Wert α dargestellte Verhältnis
haben, durch die Membran permeiert sind.
Tabelle 1
Probe Ethanol Konzentration (Gew.-%) in flüssiger Lösung Beispiel Vergleichsbeispiel Permeationsrate Trennfaktor
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Wie aus Tabelle 1 deutlich wird, zeigt Beispiel 1, das das
"Evapomeations-Verfahren" der vorliegenden Erfindung
verkörpert, größere Werte sowohl in der Permeationsrate als auch im
Trennfaktor α in allen Proben mit unterschiedlichen
Ethanolkonzentrationen als Vergleichsbeispiel 1, das das herkömmliche
"Pervaporations"-Verfahren verkörpert. Somit ist bestätigt,
daß der "Evapomeations"-Verfahren der vorliegenden Erfindung
das Beste aus der Funktion der durchlässigen Membran machen
kann, d. h. der Funktion, die es dem Wasser erlaubt, bevorzugt
dort hindurch zu permeieren, zu dem Zweck, daß die
Konzentration des Ethanols in seiner Lösung erhöht wird und daher
die Flüssigkeitstrennung am effektivsten gemacht wird. Es
sollte insbesondere angemerkt werden, daß, wie aus dem
Ergebnissen von Probe Nr. 7 zu sehen ist, ein höchster Trennfaktor α,
der gute Trennergebnisse anzeigt, sogar für ein azeotropes
Gemisch mit einer so hohen Ethanolkonzentration wie 96%
erhalten werden kann, das mit dem herkömmlichen
Destillationsverfahren kaum getrennt werden kann. Dies bedeutet, daß
das "Evapomeations"-Verfahren der vorliegenden Erfindung der
durchlässigen Membran ermöglicht, die bevorzugte Permeation
von Wasser mit einer bemerkenswert hohen Rate zu ermöglichen,
die ausreicht, um das Wasser aus solch einem azeotropen
Gemisch zu entfernen, und sich folglich als besonders geeignet
zur Reinigung von azeotropen Gemisch erweist.
Beispiel 2
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Eine 1%ige Lösung von Chitosan in einer 1 N wäßrigen Lösung
von Essigsäure wurde unter einem Unterdruck entlüftet, um eine
Gießlösung herzustellen, die anschließend gleichmäßig auf eine
flache Petrischale gegossen und in einen Thermostattrockner
gegeben wurde, wo sie bei einer Temperatur von 60ºC für 6
Stunden getrocknet wurde, so daß sie vollständig verdampfte,
um eine Chitosanacetatmembran zu bilden. Nachdem sie von der
Schale abgelöst worden war, wurde die Chitosanacetatmembran in
eine wäßrige Lösung von 1 N Natriumhydroxid eingetaucht, um
eine Chitosanmembran zu erhalten. Die resultierende
Chitosanmembran wurde wiederholt mit reinem Wasser gewaschen, bis
restliches Natriumhydroxid vollständig daraus entfernt war
oder kein Natriumion im Waschwasser nachgewiesen wurde. Danach
wurde sie getrocknet, um eine Chitosanmembran mit 5 u
Trockendicke vorzulegen, die eine durchlässige Membran mit selektiver
Durchlässigkeit für Wasser bevorzugt zu Ethanol ist.
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Die so erhaltene Chitosanmembran wurde als die Membran 4 im
Behälter 5 von Fig. 1 verwendete um die Tests in denselben
Vorgehensweisen wie in Beispiel 1 für jede der Proben 1 bis 8
mit verschiedenen Ethanolkonzentrationen durchzuführen. Die
Testergebnisse der Permeationsrate und des Trennfaktors α sind
in Tabelle 2 aufgelistet.
Vergleichsbeispiel 2
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Dieselbe Chitosanmembran, wie in Beispiel 2 erhalten, wurde
als die Membran 24 der Vorrichtung von Fig. 3 verwendet, um
das herkömmliche Pervaporationsverfahren für einen
Vergleichszweck durchzuführen. In diesem Vergleichsbeispiel
wurden gleiche Proben 1 bis 8 getestet, um die Permeationsrate
und den Trennfaktor α unter derselben Bedingung wie in
Beispiel 2 zu erhalten, mit der Ausnahme, daß die Membran
gequollen war, so daß sie eine erhöhte Feuchtdicke von 30 u wegen
des direkten Kontaktes mit der flüssigen Lösung hatte. Die
Testergebnisse wurden ebenfalls in Tabelle 2 aufgelistet.
Tabelle 2
Probe Ethanol Konzentration (Gew.-%) in flüssiger Lösung Beispiel Vergleichsbeispiel Permeationsrate Trennfaktor
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Wie aus Tabelle 2 zu sehen, zeigt Beispiel 2, das das
"Evapomeations"-Verfahren der vorliegenden Erfindung verkörpert,
größere Werte sowohl in der Permeationsrate als auch im
Trennfaktor α bezüglich aller Proben 1 bis 8 mit
unterschiedlichen Ethanolkonzentrationen als Vergleichsbeispiel 2,
das das herkömmliche "Pervaporations"-Verfahren verkörpert. Es
wird auch bestätigt, daß Beispiel 2 erfolgreich ist, um einen
höchsten Trennfaktor α im Hinblick auf Probe Nr. 7
bereitzustellen, die ein azeotropes Gemisch mit einer so hohen
Ethanolkonzentration wie 96% ist, und somit gute Trennwirkung für
solches azeotrope Gemisch sicherstellt.
Beispiel 3:
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Eine 3,5%ige Lösung von Polystyrol in Benzol wurde auf eine
flache Petrischale gegossen und stand drei Stunden in einer
Temperatur von 25 ºC, um eine durchlässige Polystyrolmembran
mit 15 u Trockendicke zu erhalten. Die so erhaltene
Polystyrolmembran wurde als die durchlässige Membran 4 des Behälters
von Fig. 1 zur Durchführung derselben Tests wie in Beispiel 1
für jede der Proben 1 bis 8 unter denselben Bedingungen
verwendet. Die Testergebnisse der Permeationsrate und des
Trennfaktors α sind in Tabelle 3 aufgelistet.
Tabelle 3
Beispiel Ethanol Konzentration (Gew.-%) in flüssiger Lösung Permeationsrate Trennfaktor
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Aus Tabelle 3 ist zu sehen, daß die Verwendung der
durchlässigen Polystyrolmembran im "Evapomeations"-Verfahren der
vorliegenden Erfindung keinen wesentlichen Unterschied in der
Permeationsrate zwischen den Proben 1 bis 8 mit verschiedenen
Ethanolkonzentrationen bewirkt. Weiter wird bestätigt, daß die
Polystyrolmembran den Trennfaktor α von mehr als 1 für jede
Probe hat, so daß dem Wasser ermöglicht wird, bevorzugt dort
hindurch zu permeieren, und daß es einen größten Trennfaktor a
für das azeotrope Gemisch von Probe Nr. 7 mit einer
Ethanolkonzentration von 96% hat.
Beispiel 4
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In diesem Beispiel wurde die Vorrichtung von Fig. 2 zur
Trennung von Wasser und Ethanol aus der Mischlösung derselben
gemäß dem "Evapomeations"-Verfahren der vorliegenden Erfindung
verwendet. Eine Polydimethylsiloxanmembran wurde als die
durchlässige Membran 4 verwendet, was es dem Ethanol erlaubte,
selektiv bevorzugt zu Wasser zu permeieren, während eine
Membran aus Chitosan. vernetzt mit Dialdehyd, als die
durchlässige Membran 14 verwendet wurde, was es dem Wasser erlaubte,
selektiv bevorzugt zu Ethanol zu permeieren. Die
Dialdehydvernetzte Chitosanmembran wurde hergestellt, indem die
Chitosanmembran, die in Beispiel 2 erhalten wurde, für 15 Minuten
in eine 0,4%ige wäßrige Lösung von Glutaraldehyd eingetaucht
wurde, zu der eine 0,5 N wäßrige Lösung von Schwefelsäure als
ein Katalysator zugegeben wurde, um das Chitosan mit Aldehyd
zu vernetzen, davon gefolgt, daß es gewaschen und dann unter
einem Unterdruck bei Raumtemperatur getrocknet wurde.
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Proben 9 bis 14, die wäßrige Lösungen mit verschiedenen
Ethanolkonzentrationen sind, wurden jede in die Lösungskammer 3
eingebracht und wurden dann einem Tests zur Trennung von
Alkohol aus der flüssigen Lösung unterzogen. Der Test wurde für
eine Stunde in einer Umgebungstemperatur von 40 ºC durch
Evakuieren
der oberen Vakuumkammer 12 durch die obere Öffnung 32
auf ein reduziertes Druckniveau von 1,33 Pa (10&supmin;² Torr) für
eine Stunde durchgeführt, wobei die Öffnung 31 der unteren
Vakuumkammer 11 geschlossen war. Die Ethanolkonzentrationen
des Dampfes in der Lösungskammer 3, des Dampfes in der unteren
Vakuumkammer 11 wurden jeweils für jede Probe nach Abschluß
des obigen Tests gemessen. Die Testergebnisse sind in Tabelle
4 zusammen mit Vergleichsergebnissen aufgelistet, die durch
Vergleichstests erhalten wurden, die unter denselben
Bedingungen wie oben durchgeführt wurden, mit der Ausnahme, daß die
Membran 14 aus dem Behälter entfernt wurde, um nur die
Polydimethylsiloxanmembran zu verwenden, die die selektive
Durchlässigkeit für Ethanol zeigt, im Hinblick auf dieselben Proben 9
bis 14.
Tabelle 4
Beispiel Ethanol Konzentration (Gew.-%) in flüssigr Lösung Beispiel Vergleich Ethanol Konzentration in Dampf aus Kammer 3 Ethanol Konzentration (Gew.-%) in Dampf aus Kammer 11 Ethanol Konzentration (Gew.-%) in Dampf aus Kammer 11 ohne Membran 14
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Wie aus Tabelle 4 zu sehen, ist nachgewiesen, daß Ethanol in
einer höheren Konzentration mit der Kombinations-Verwendung
der durchlässigen Membranen zurückgewonnen werden kann, von
denen eine selektive Durchlässigkeit für Ethanol und die
andere für Wasser besitzt, als mit der einzelnen Verwendung der
durchlässigen Membran mit selektiver Durchlässigkeit für
Ethanol. Es wird zu diesem Zeitpunkt angemerkt, daß mit der
Verwendung des Behälters von Fig. 2 das Ethanol mit hoher
Konzentration leicht durch die untere Öffnung 31 zurückgewonnen
werden kann.