DE69013483T2 - Membransystem und Verfahren zum Konzentrieren von organischen Sauerstoffverbindungen. - Google Patents

Membransystem und Verfahren zum Konzentrieren von organischen Sauerstoffverbindungen.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membran. die zur Verwendung bei der Konzentrierung organischer Sauerstoffverbindungen geeignet ist. Sie betrifft außerdem eine Membrantechnik zum Bewirken der Abtrennung von Wasser aus einer wäßrigen Mischung, die solche Sauerstoffverbindungen umfaßt, wie etwa Alkohole, Glykole und schwache Säuren.
  • Wie den Fachleuten auf diesem Gebiet gut bekannt, ist es möglich. Wasser aus Mischungen desselben mit organischen Flüssigkeiten durch verschiedene Techniken, einschließlich Adsorption oder Destillation zu entfernen. Diese herkömmlichen Verfahren, insbesondere Destillation. sind jedoch gekennzeichnet durch hohe Kapitalkosten. Im Falle der Destillation erfordert das Verfahren zum Beispiel teure Destillationstürme, Heizeinrichtungen, Wärmetauscher (Reboiler, Kondensatorkühler, etc.), zusammen mit einer beträchtlichen Menge an Hilfsausrüstung, wie typischerweise Pumpen, Sammelbehälter, Vakuumerzeugungsgeräte, etc..
  • Solche Arbeitsweisen sind gekennzeichnet durch hohe Betriebskosten, hauptsächlich Kosten für Heizen und Kühlen - plus Pumpen, etc..
  • Außerdem können die Eigenschaften der zu trennenden Materialien. wie durch die Destillationskurven belegt wird. derart sein, daß eine große Anzahl von Böden erforderlich sein kann, etc.. Wenn das Material ein Azeotrop mit Wasser bildet, können zusätzliche Probleme vorliegen, die zum Beispiel erfordern könnten, daß die Trennung in einer Reihe von Schritten (z.B. in zwei Türmen) oder durch Zugabe von Fremdmaterialien zum System bewirkt wird.
  • Es gibt auch vergleichbare Probleme, die nur für Adsorptionssysteme zutreffen.
  • Es ist festgestellt worden, daß es möglich ist, Membransysteme einzusetzen, um Mischungen von Flüssigkeiten durch Pervaporation zu trennen. In diesem Verfahren wird die Chargenflüssigkeit in Kontakt mit einem Membranfilm gebracht; und eine Komponente der Chargenflüssigkeit permeiert die Membran bevorzugt. Das Permeat wird dann als ein Dampf von der stromabwärtigen Seite des Films entfernt - typischerweise durch Spülen mit einem Trägergas oder durch Verringern des Druckes unter den Dampfdruck der permeierenden Spezies.
  • JP-A-63 054903 (Takegami), die US-A-5 059 327 entspricht (das letztere Dokument ist nach dem Anmeldetag der vorliegenden Erfindung veröffentlicht worden), offenbart die Pervaporation einer Mischung von Wasser und einer organischen Verbindung durch Verwendung einer Membran aus einem intermolekular vernetzten Reaktionsprodukt von (i) einem Polyvinylalkohol oder Polyvinylalkohol-Copolymer und (ii) einem Polystyrol- Schwefelsäure- oder Polystyrol-Sulfonsäure-Copolymer. Typische organische Verbindungen schließen Alkohole, Ketone, Ether, Säuren, Aldehyde oder Amine ein.
  • Beispielhafte Membranen, die im Stand der Technik eingesetzt worden sind, schließen diejenigen ein, die in der folgenden Liste angegeben sind: Trennschicht Literaturstellen - Nafion , Markenprodukt aus Perfluorsulfonsäure - Cabasso und Liu J.Memb. Sci. 24, 101 (1985) - Sulfoniertes Polyalkylen - Fluorierter Polyether oder Carbonsäurefluoride - Selemion AMV, Markenprodukt von Asahi Glass, vernetztes Styrolbutadien (mit quaternären Ammoniumresten auf einer Polyvinylchlorid-Rückschicht) - Cellulosetriacetat - Polyacrylnitril - Vernetzter Polyvinylalkohol - Poly(maleimidacrylnitril) - Dextrin-Isophorondiisocyanat - USP 4,728,429 (Cabasso, et al.) - Cabasso, Korngold & Liu J. Pol. Sc. Letters, 23, 57 (1985)) - USP 4,526,948 (Dupont als Rechtsnachfolger von Resnick) - Wentzlaff Boddeker & Hattanback, J. Memb. Sci. 22, 333 (1985) - Neel, Aptel & Clement Desalination 53, 297 (1985) - EP-A-0 096 339 (GFT) - Yoshikawa et al. J. Pol. Sci. 22, 2159 (1984) - Chem. Econ. Eng. Rev. Vol. 17, No. 12, 5.34 (1985)
  • Die Kosteneffektivität einer Membran wird bestimmt durch die Selektivität und Produktivität. Von den korniuerziell erhältlichen Membranen ist eine beispielhafte Membran mit hoher Leistung diejenige, die in EP-A-0 096 339 (GFT) offenbart ist.
  • EP-A-0 096 339 (GFT) offenbart, als Vernetzungsmittel, Disäuren (typischerweise Maleinsäure oder Fumarsäure); Dihalogenverbindungen (typischerweise Dichloraceton oder 1,3-Dichlorisopropanol); Aldehyde, einschließlich Dialdehyde, typischerweise Formaldehyd. Von diesen Membranen wird gesagt, daß sie besonderes effektiv für die Entwässerung von wäßrigen Lösungen von Ethanol oder Isopropanol sind.
  • Die Entgegenhaltung offenbart die Trennung von Wasser von Alkoholen, Ethern, Ketonen, Aldehyden oder Säuren durch Verwendung von Verbundmembranen. Genauer gesagt schließt das Verbundmaterial (i) eine Rückschicht, typischerweise etwa 120 Mikron dick, ein, auf der (ii) eine mikroporöse Stützschicht aus einem Polysulfon oder einem Polyacrylnitril mit etwa 50 Mikron Dicke angeordnet ist, auf der (iii) eine Trennschicht aus quervernetztem Polyvinylalkohol, die etwa 2 Mikron dick ist, angeordnet ist.
  • Polyvinylalkohol kann durch Verwendung von difunktionellen Mitteln quervernetzt werden, die mit der Hydroxylgruppe des Polyvinylalkohols reagieren. Typische Vernetzungsmittel können Dialdehyde (die Acetalbindungen liefern), Disäuren oder Disäurehalogenide (die Esterbindungen liefern) , Dihalogenverbindungen oder Epiichlorhydrin (die Etherbindungen liefern), olefinische Aldehyde (die Ether/Acetalbindungen liefern), Borsäure (die Boresterbindungen liefert), Sulfonamidoaldehyde, etc. einschließen.
  • Siehe auch J.G. Prichard, Polyvinvl Alcohol. Basic Properties and Uses. Gordon and Breach Science Publishers, New York (1970) oder
  • C.A. Finch, Polyvinvl Alcohol. Properties and Applications. John Wiley and Sons, New York (1973).
  • T.Q. Nguyen et al. Synthesis of Membranes for the Dehydration of Water-Acetic Acid Mixtures bv Pervaporation Makromol. Chem. 188, 1973 - 1984 (1987). Diese beschreibt die Verwendung einer Mischung von PVA mit einer Polybase oder einer Polysäure bei der Membran-Pervaporation von wäßrigen Mischungen. Die Membran wird hergestellt, indem eine Polymermischung lösungsbeschichtet und das Lösungsmittel bis zur Trocknung bei 110ºC abgedampft wird.
  • H. Karakane et al. Separation of Water-Ethanol bv Pervaporation Through Polyelectrolyte Complex Composite Membrane. Proc. Third Int. Cont. on Pervaporation Processes in the Chemical Industry, Nancy, France Sep 19-22, 1988.
  • US-A-4,755,299 (Bruschke), US-A-4,802,988 (Bartels und Reale, Jr.), US-A-4,728,429 (Cabasso et al.), US-A-4,067,805 (Chiang et al.), US-A-4,526,948 (Resnick), US-A-3,750,735 (Chiang et al.) und US-A-4,690,766 (Linder et al.) liefern zusätzlichen Hintergrund.
  • Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine neuartige Verbundmembran zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, die Trennung von Wasser von organischen Sauerstoffverbindungen, wie etwa Isopropylalkohol, zu bewirken.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Membran zur Verfügung gestellt, die eine nicht-poröse Trennschicht umfaßt die eine Mischung aus einem Polyvinylalkohol (PVA) und einer Polyacrylsäure (PAA) umfaßt, die bei 125ºC bei 225ºC für zwischen 1 und 30 Minuten ausgehärtet worden ist, und wobei keine äußeren Härtungsmittel verwendet werden, und eine poröse Trägerschicht, die ein Polysulfon umfaßt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Konzentrieren einer wäßrigen Charge einer organischen Sauerstoffverbindung zur Verfügung gestellt, welches umfaßt, daß besagte wäßrige Charge in Kontakt mit der Hochdruckseite der nicht-porösen Trennschicht der obenbeschriebenen Membran geleitet und ein Druckabfall über besagte Schicht gehalten wird, wodurch wenigstens ein Teil besagten Wassers und ein geringerer Teil an organischer Sauerstoffverbindung aus besagter wäßrigen Charge durch Pervaporation durch besagte Trennschicht als eine an Sauerstoffverbindung arme Mischung, die mehr Wasser und weniger organische Sauerstoffverbindung enthält, als in besagter wäßriger Charge vorhanden sind, hindurchgeht und eine an Sauerstoffverbindung reiche Flüssigkeit zurückbleibt, die weniger Wasser und mehr organische Sauerstoffverbindung enthält, als in besagter wäßriger Charge vorhanden sind.
  • Bevorzugte organische Sauerstoffverbindungen zur Behandlung schließen Alkohole, Glykole und schwache Säuren ein. Besonders bevorzugt ist Isopropanol.
  • Die Verbundstruktur dieser Erfindung schließt einen mehrschichtigen Aufbau ein, der in der bevorzugten Ausführungsform vorzugsweise eine poröse Trägerschicht einschließt, die dem Aufbau mechanische Festigkeit und Halt verleiht.
  • DIE TRÄGERSCHICHT
  • Diese Trägerschicht, wenn sie verwendet wird, ist gekennzeichnet durch ihren hohen Grad an Porosität und mechanischer Festigkeit. Sie kann faserig oder nicht-faserig, gewebt oder nicht-gewebt sein. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Trägerschicht ein poröser, flexibler, nicht-gewebter, faseriger Polyester.
  • Eine bevorzugte nicht-gewebte Polyester-Trägerschicht kann aus nicht-gewebten, thermisch-gebundenen Strängen formuliert und gekennzeichnet sein durch ein Stoffgewicht von 80 ± 8 Gramm pro Square Yard (96 ± 9,6g/m²), eine Dicke von 4,2 ± 0,5 mils (106,7 ± 12,7 um), eine Zugfestigkeit (in der Maschinenrichtung) von 31 psi (213 kPa) und (in Querrichtung) von 10 psi (69 kPa) und eine Frazier/Luftdurchlässigkeit von 6 cuft/min/sq. ft. @ 0,5 Inches Wasser (182 cm³/min/cm² @ 125 Pa).
  • DIE PORÖSE STÜTZSCHICHT
  • Die poröse Stützschicht, die in dieser Erfindung eingesetzt werden kann, ist aus einer Folie aus Polysulfonpolymer gebildet. Typischerweise kann die Polysulfonschicht eine Dicke von 40-80 Mikron, z.B. 50 Mikron, besitzen, und das Polysulfon eine relative Molekülmasse Mn von 5.000-100.000, vorzugsweise 20.000-60.000, z.B. 40.000. Die Polysulfonschicht ist vorzugsweise gekennzeichnet durch eine Porengröße von weniger als etwa 500 x 10&supmin;¹&sup0; m (500 Å) und typischerweise etwa 200 x 10&supmin;¹&sup0; m (200 Å). Dies entspricht einem Schnitt für die relative Molekülmasse von weniger als etwa 25.000, typischerweise etwa 20.000.
  • Die Sulfonpolymere, die eingesetzt werden können, können diejenigen einschließen, die aus Cumol hergestellt sind, enthaltend Isopropylidengruppen im Rückgrat; z.B.
  • Diese Isopropylidensulfone, die Wiederholungseinheiten enthalten, die Ether-Aromat-Isopropyliden-Aromat-Ether-Aromat-sulfon-Aromat-Gruppen einschließen, können typischerweise eine relative Molekülmasse Mn von 15.000-30.000, eine Wasserabsorption (bei 20ºC) von etwa 0,85 Gew.-%, eine Glasübergangstemperatur von 176ºC (449 K), eine Dichte von 125 g/cm³, eine Formänderungsfestigkeit (bei 20ºC) von 10.000 psi (69 MPa) und einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 2,6 x 10&supmin;&sup5; mm/mm/ºC besitzen.
  • Es ist jedoch festgestellt worden, daß die bevorzugten Sulfonpolymere, die in der Praxis des Verfahrens dieser Erfindung eingesetzt werden können, diejenigen einschließen können, die frei von Isopropylideneinheiten in der Rückgratkette sind und in denen die Phenylengruppen im Rückgrat nur an Ether-Sauerstoffatome und an Schwefelatome gebunden sind. Ein bevorzugtes Polymer, das typischerweise aus
  • hergestellt werden kann, kann gekennzeichnet sein durch ein Rückgrat, das die folgenden Wiederholungsgruppen enthält:
  • Ein bevorzugtes Sulfonpolymer kann ein Polyethersulfon sein, das frei ist von Isopropylideneinheiten in der Rückgratkette und in dem die Phenylengruppen im Rückgrat nur an Ether-Sauerstoffatome und an Schwefelatome gebunden sind. Dieses Polymer kann gekennzeichnet sein durch eine relative Molekülmasse Mn von 25.000, eine Wasserabsorption @ 20ºC von 2,1 Gew.-%, eine Glasübergangstemperatur von 214ºC (487 K), eine Formänderungsfestigkeit von 12.200 psig (84,1 MPa) bei 20ºC; und eine Wärmeausdehnungskoeffizienten von 5,5 x 10&supmin;&sup5; mm/mm/ºC. Diese Polymerschicht hat einen Schnitt für die relative Mclekülmasse von etwa 20.000 und hat eine Porengröße von etwa 200 x 10&supmin;¹&sup0; m (200 Å).
  • DIE TRENNSCHICHT
  • Gemäß bestimmten ihrer Aspekte umfaßt die Trennschicht ein Gemisch oder eine Mischung aus Vinylalkoholpolymer und einem Polymer einer Acrylsäure, wie etwa Acrylsäure oder Methacrylsäure. Das Einsatzmaterial, aus dem diese Trennmembran hergestellt werden kann, kann eine wäßrige Lösung sein, die ein Vinylalkoholpolymer und ein Polymer einer Acrylsäure enthält. Typischerweise kann die wäßrige Lösung 5-10 Gew.-%, z.B. 7 Gew.-% Polyvinylalkohol mit einer relativen Molekülmasse von 20.000-200.000, z.B. 115.000, und 5-10 Gew.-%, z.B. 7 Gew.-% Polyacrylsäure mit einer relativen Molekülmasse Mn von 90.000- 300.000, z.B. 250.000 sein. Das Gewichtsverhältnis von Vinylalkoholpolymer zu Acrylsäurepolymer kann 0,1-10:1, z.B. 1:1 sein. Allgemein wünschenswerter höherer Fluß wird erreicht durch Verwendung niedrigerer Verhältnisse, z.B. 0,1-0.5, z.B. 0,25.
  • Wenn die Trennschicht aus einer Mischung aus Vinylalkoholpolymer und Acrylsäurepolymer (wie in einer bevorzugten Ausführungsform) hergestellt wird, ist es wünschenswert, die wäßrigen Lösungen der Polymere zu vermischen, um ein Gemisch zu bilden, das beide Polymere enthält.
  • Die Verbundmembran, hergestellt aus dem Gemisch von Polyvinylalkohol und Polyacrylsäure, wird dann in einem Ofen bei 125ºC- 225ºC, vorzugsweise 150ºC-225ºC, z.B. 150ºC, für 1-30 Minuten, z.B. 10 Minuten, ausgehärtet, um eine Membran aus Polyvinylalkohol-Polyacrylsäure-Film mit einer Dicke von 1-10 Mikron, z.B. 2 Mikron, zu liefern. Während des Erhitzens für die angegebene Zeit scheinen die Komponenten des Membransystems zu reagieren oder in Wechselwirkung zu treten, um das System innerlich auszuhärten oder zu vernetzen. Kein äußeres Härtungsmittel wird verwendet. Tatsächlich verschlechtert das Vorhandensein von äußeren Härtungsmitteln die Leistung der Membranen.
  • Während des Aushärtens können der Polyvinylalkohol und die Polyacrylsäure quervernetzen oder in anderer Weise reagieren, um Esterbindungen zu bilden. Es wird auch deutlich, daß die Trennschicht mit der Polysulfon-Stützschicht in Wechselwirkung treten kann, um ein System zu bilden, das durch unerwartet hohen Fluß gekennzeichnet ist.
  • Beispielhafte Polyvinylalkohol-Polyacrylsäure-Membranen, die eingesetzt werden können, können einschließen:
  • I. Die Membran, die hergestellt wird, indem eine Mischung aus gleichen Gewichtsteilen einer 7 Gew.-%igen Lösung von Polyvinylalkohol mit Mn von 115.000 und einer 7 Gew.-%igen Lösung von Polyacrylsäure mit Mn von 250.000 gegossen wird, wobei die Mischung nach dem Gießen bei 150ºC für 10 Minuten ausgehärtet wird, um einen Film zu bilden, der etwa 2 Mikron dick ist.
  • II. Die Membran, die hergestellt wird, indem gleiche Teile einer 7 Gew.-%igen wäßrigen Suspension von Polyvinylalkohl mit von 115.000 und einer 7 Gew.-%igen wäßrigen Suspension von Polyacrylsäure mit Mfl von 250.000 vermischt und die Mischung gegossen wird, gefolgt von Aushärten bei 140ºC für 15 Minuten, um einen Film mit einer Dicke von etwa 2,5 Mikron zu bilden. III. Die Membran, die hergestellt wird, indem gleiche Teile einer 6 Gew.-%igen wäßrigen Suspension von Polyvinylalkohol mit Mn von 100.000 und einer 7 Gew.-%igen wäßrigen Suspension von Polymethacrylsäure mit Mn von 280.000 vermischt und die Mischung gegossen wird1 gefolgt von Aushärten bei 150ºC für 10 Minuten, um einen Film mit einer Dicke von etwa 2 Mikron zu liefern.
  • DIE VERBUNDMEMBRAN
  • Es ist ein Merkmal dieser Erfindung, daß die Verbundmembran dieser Erfindung (i) eine fakultative Trägerschicht, die gekennzeichnet ist durch Porosität und mechanische Festigkeit, zum Halten einer porösen Stützschicht und einer Trennschicht, (ii) eine poröse Stützschicht aus Polysulfon, vorzugsweise mit einem Schnitt für die relative Molekülmasse von 20.000-40.000 und (iii) darauf angebracht als eine nicht-poröse Trennschicht, ein Gemisch aus Polyvinylalkohol mit einer relativen Molekülmasse von 20.000-200.000, z.B. 115.000, und Polyacrylsäure mit einer relativen Molekülmasse von 50.000-350.000, z.B. 250.000, umfassen kann.
  • Die Verbundmembran dieser Erfindung kann in verschiedenen Konfigurationen eingesetzt werden. Es ist zum Beispiel möglich, das Verbundmaterial in einer Platten/Rahmen-Konfiguration einzusetzen, in der Trennschichten auf der porösen Stützschicht mit der Trägerschicht angebracht werden können.
  • Es ist auch möglich, ein spiralgewickeltes Modul einzusetzen, das eine nicht-poröse Trennschicht-Membran einschließt die auf einer porösen Stützschicht und Trägerschicht angebracht ist, wobei der Aufbau typischerweise gefaltet und entlang aller Kanten bis auf eine offene Kante geklebt oder gesiegelt ist - um eine taschenähnliche Einheit zu bilden, die vorzugsweise die Trennschicht auf der Außenseite trägt. Ein Gewebeabstandshalter, der als der Membran- oder Abgabekanal dient, ist innerhalb der taschenähnlichen Einheit angeordnet. Der Abgabekanal steht aus dem offenen Ende der Einheit hervor.
  • Angeordnet auf einer Seite der taschenähnlichen Einheit, benachbart zur Trennschicht und damit gleichzeitig abschließend, befindet sich dann eine Zuführkanalschicht - typischerweise gebildet aus einem Kunststoffnetz.
  • Der so gebildete Aufbau wird um ein vorzugsweise zylindrisches Rohr gewickelt, das eine Vielzahl von Perforationen in der Wand trägt - vorzugsweise in einer linearen Anordnung, die so lang ist wie die Breite der taschenähnlichen Einheit. Der hervorstehende Teil des Abgabekanals der taschenähnlichen Einheit wird über die Perforationen des Rohres gelegt und die taschenähnliche Einheit wird um das Rohr gewickelt, um eine spiralgewickelte Konfiguration zu bilden.
  • Es wird offensichtlich sein, daß, obgleich nur ein Zuführkanal vorhanden ist, der einzige Zuführkanal in dem gewickelten Aufbau zu zwei Seiten der Membranschicht benachbart sein wird. Die spiralgewickelte Konfiguration kann gebildet werden, indem der Aufbau mehrmals um das Rohr gewickelt wird, um ein leicht handhabbare Einheit zu bilden. Die Einheit wird in einen Mantel eingepaßt (in einer Art und Weise, die vergleichbar ist mit einem Röhrenwärmetauscher), der mit einem Einlaß an einem Ende und einem Auslaß am anderen versehen ist. Eine ablenkplattenähnliche Abdeckung zwischen der inneren Oberfläche des Mantels und der äußeren Oberfläche des spiralgewickelten Einsatzes verhindert, daß Flüssigkeit das operative Membransystem umgeht, und stellt sicher, daß Flüssigkeit in das System hauptsächlich an einem Ende eintritt. Das Permeat strömt vom Zuführkanal in Kontakt mit der Trennschicht und von da dorthindurch in den Permeatkanal und von da dortentlang zu und durch die Perforationen im Rohr, durch die es als reines Permeat abgezogen wird.
  • Bei der Verwendung der spiralgewickelten Membran läßt man Chargenflüssigkeit durch das Kunststoffnetz hindurchströmen, das als ein Zuführkanal dient, und von da in Kontakt mit den nicht-porösen Trennmembranen. Flüssigkeit, die nicht durch die Membranen hindurchgeht, wird als Retentat abgezogen. Der Dampf, der die Membran permeiert, strömt in das Volumen, das von dem Permeat-Abstandshalter eingenommen wird, und durch diesen Permeatkanal zu den Perforationen im zylindrischen Rohr, durch das es aus dem System abgezogen wird. In dieser Ausführungsform wird es offensichtlich sein, daß das System keine Trägerschicht einschließen muß.
  • In einer anderen Ausführungsform ist es möglich, das System dieser Erfindung als eine Röhren- oder Hohlfaser einzusetzen. In dieser Ausführungsform kann die poröse Stützschicht aus Polysulfon als eine feine Röhre mit einer Wanddicke von typischerweise 0,001-0,1 mm extrudiert werden. Die extrudierten Röhren werden durch ein Bad aus Polyvinylalkohol/Polyacrylsäure hindurchgeführt, das in situ ausgehärtet wird. Ein Bündel dieser Röhren wird (mit einem Epoxy-Kleber) an jedem Ende in einem Saminelrohr befestigt und die Fasern werden so geschnitten, daß sie mit den Enden des Sammelrohres abschließen. Dieses Röhrenbündel wird in einem Mantel in einem typischen Mantel-Röhren-Aufbau angebracht.
  • Im Betrieb wird die Chargenflüssigkeit zur Röhrenseite zugelassen und strömt durch die Innenseite der Röhren und tritt als Retentat aus. Während des Durchgangs durch die Röhren strömt Permeat durch die nicht-poröse Trennschicht und Permeat wird in der Mantelseite gesammelt.
  • In dieser Ausführungsform wird es offensichtlich sein, daß das System normalerweise keine Trägerschicht einschließen muß. Die Trennschicht kann extrudiert und danach vor der Befestigung in den Sammelrohren in situ quervernetzt und ausgehärtet werden.
  • PERVAPORATION
  • Es ist ein Merkmal der nicht-porösen Polyvinylalkohol-Polyacrylsäure-Trennschicht auf Polysulfon-Träger, daß sie sich als besonders wirksam erwiesen hat, wenn sie sich als in einem Pervaporationsverfahren eingesetzt wird. Bei Pervaporation wird eine Chargenflüssigkeit, die eine stärker permeierbare und eine weniger permeierbare Komponente enthält, in Kontakt mit einer nicht-porösen Trennschicht gehalten; und ein Druckabfall wird über diese Schicht gehalten. Die Chargenflüssigkeit löst sich in die Membran hinein und diffundiert dorthindurch. Das Permeat, das durch die Membran hindurchtritt und als ein Dampf austritt, kann durch Kondensieren bei niedriger Temperatur gewonnen werden oder kann alternativ durch Verwendung eines sich bewegenden Gasstromes weggespült werden. Vorzugsweise wird die Permeatseite der Membran bei einem niedrigen Druck gehalten, typischerweise 0,65 kPa (5 mm Hg).
  • Für allgemeinen Hintergrund über Pervaporation, siehe US-A- 3,950,247 und US-A-4,035,291.
  • Es ist ein Merkmal des Verfahrens dieser Erfindung, daß die Membran besonders nützlich in Pervaporationsverfahren zur Entwässerung wäßriger Mischungen von organischen Sauerstoffverbindungen sein kann, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die aus Alkoholen, Glykolen und schwachen Säuren besteht. Es wird den Fachleuten auf diesem Gebiet offensichtlich sein, daß es wünschenswert sein kann, große Mengen an Wasser aus teilweise mischbaren Systemen vor dem Einsatz des Verfahrens der Erfindung, um die letzten Spuren von Wasser zu entfernen, durch Dekantieren abzutrennen.
  • Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher, wenn die Chargenflüssigkeit eine einphasige homogene wäßrige Lösung ist, wie dies der Fall zum Beispiel bei Isopropanol ist. Es ist auch ein Merkmal dieser Erfindung, daß sie besonders nützlich sein kann, um Azeotrope, wie etwa Isopropanol- Wasser, zu trennen.
  • Die organischen Sauerstoffverbindungen in der Charge, die mit dem Verfahren dieser Erfindung behandelt werden können, können Alkohole, Glykole und schwache Säuren einschließen. Es wird den Fachleuten auf diesem Gebiet klar sein, daß die organischen Sauerstoffverbindungen in der Charge vorzugsweise inert im Hinblick auf die Trennmembran sind. Natürlich wird ein System, in dem die Membran durch die Komponenten der Chargenflüssigkeit angegriffen wird, nicht über einen vernünftigen Zeitraum eine signifikante Trennung liefern. Beste Ergebnisse können erreicht werden, wenn Alkohole (wie etwa Isopropanol) oder Glykole (wie etwa Ethylenglykol) behandelt werden. Ergebnisse, die mit Säuren erreicht werden, sind im allgemeinen weniger befriedigend.
  • Beispielhafte Alkohole können Ethanol, Propanol, n-Butanol, i- Butanol, tert.-Butanol, Amylalkohole, Hexylalkohole einschließen.
  • Beispielhafte Glykole können Ethylenglykol, Propylenglykole, Butylenglykol oder Glykölether, wie etwa Diethylenglykol, Triethylenglykol, oder Triole, einschließlich Glycerin, einschließen.
  • Beispielhafte schwache Säuren können Armeisensäure, Oxalsäure, Essigsäure Propionsäure einschließen.
  • Man glaubt, daß die Vorteile dieser Erfindung am deutlichsten sind, wenn die organische Sauerstoffverbindung eine Flüssigkeit ist, wie etwa Isopropanol, die bei der Herstellung oder beim Gebrauch Wassermengen aus verschiedenen Quellen aufnehmen kann.
  • Eine typische Charge kann eine wäßrige Mischung sein, die 70%- 99%, z.B. etwa 95% Isopropanol enthält.
  • In der Praxis des Pervaporationsverfahrens dieser Erfindung kann die wäßrige organische Sauerstoffverbindung in der wäßrigen Chargenlösung typischerweise bei 40ºC-90ºC, z.B. 65ºC, in Kontakt mit der nicht-porösen Trennschicht der Membran dieser Erfindung geleitet werden. Ein Druckabfall von etwa einer Atmosphäre wird üblicherweise über die Membran gehalten. Typischerweise liegt die Zuführ- oder Chargenseite der Membran bei etwa atmosphärischem Druck und die Permeat- oder Abgabeseite der Membran liegt bei einem Druck von etwa 0,26-6,5, vorzugsweise 0,65-2,6, z.B. 0,65 kPa (2-50, vorzugsweise 5-20, z.B. 5 mm Hg).
  • Das Permeat, das durch die Membran hindurchgeht, schließt Wasser und einen kleinen Anteil der organischen Sauerstoffverbindung aus der Chargenflüssigkeit ein. Typischerweise enthält das Permeat 95-99, z.B. 98 Gew.-% Wasser. Permeat kann in Dampfphase gewonnen werden.
  • Pervaporation kann typischerweise bei einem Fluß von 0,1-3, z.B. 0,22 Kilogramm pro Quadratmeter pro Stunde (kg/m².h) durchgeführt werden. Typischerweise können die Einheiten gute Trennung zeigen (gemessen als Gew.-% organische Sauerstoffverbindung im Permeat während der Pervaporation einer wäßrigen Lösung von organischer Sauerstoffverbindung durch eine Polyvinylalkohol/Polyacrylsäure-Trennschicht auf einem Polysulfon- Träger).
  • Es wird offensichtlich sein, daß die bevorzugte Membran eine ist, die gute Trennung (d.h. niedrige Konzentration von Sauerstoffverbindung im Permeat) und hohen Fluß ergibt. Es ist ein besonderes Merkmal des Verfahrens dieser Erfindung, daß es gute Trennung bei einem Fluß liefert, der so groß wie zehnmal und üblicherweise 5-6mal so groß wie derjenige sein kann, der erreicht wird, wenn z.B. eine Polyacrylnitril-Stützschicht verwendet wird.
  • Der Trennfaktor S oder Sep, der die Fähigkeit der Membran repräsentiert, Wasser abzutrennen, wird wie folgt berechnet:
  • worin Xn und Xm die Gewichtsfraktionen von Wasser bzw. nichtwäßrigen Komponenten im Permeat (P) und in der Charge (F) sind. Ein System, das überhaupt keine Trennung zeigt, würde einen Trennfaktor von 1 besitzen; und ein System, das perfekte 100%ige Trennung zeigt, würde einen Trennfaktor von Unendlich besitzen. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann einen so hohen Trennfaktor wie 1.400 besitzen - typischerweise mehrere Hundert bis zu z.B. etwa 300. Befriedigender Betrieb scheint einen Trennfaktor von wenigstens etwa 1.000 (dies kann beträchtlich variieren) erfordern, obgleich gute kommerzielle Praxis Trennfaktoren erfordert, die höher liegen. Das Verfahren dieser Erfindung liefert typischerweise Trennfaktoren, die befriedigend sind.
  • Die Erfindung wird detallierter in den folgenden Beispielen beschrieben, in denen, wie anderswo in dieser Beschreibung, alle Teile Gewichtsteile sind, sofern nicht anders angegeben. Ein Sternchen (*) gibt ein Kontrollbeispiel an.
  • BESCHREIBUNG SPEZIFISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN BEISPIEL I
  • In diesem Beispiel wird die selektive Trennschicht auf einer porösen Stützschicht aus einem kommerziell erhältlichen Verbundmaterial angebracht, das eine nicht-gewebte Polyester- Rückschicht als Trägerschicht enthält, die eine poröse Stützschicht trägt, eine mikroporöse Membran aus einem Polyethersulfon, das frei ist von Isopropylideneinheiten in der Rückgratkette und in dem die Phenylengruppen im Rückgrat nur an Ether-Sauerstoffatome und an Schwefelatome gebunden sind. Dieses Polymer kann gekennzeichnet sein durch eine relative Molekülmasse Mn von 25.000, eine Wasserabsorption @ 20ºC von 2,1 Gew.-%, eine Glasübergangstemperatur von 214ºC (487 K), eine Formbeständigkeitsfestigkeit von 12.200 psig (84,1 MPa) bei 20ºC; und einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 5,5 x 10&supmin;&sup5; mm/mm/ºC. Die Polymer-Stützschicht hat einen Schnitt für die relative Molekülmasse von etwa 20.000 und hat eine Porengröße von etwa 200 Å (200 x 10&supmin;¹&sup0; m).
  • Die Trennschicht wird gebildet, indem gleiche Gewichtsteile von (i) einer 7 Gew.-%igen wäßrigen Lösung von Polyvinylalkohol PVA mit einer relativen Molekülmasse Mn von 115.000 und (ii) einer 7 Gew.-%igen wäßrigen Lösung von Polyacrylsäure PAA mit einer relativen Molekülmasse Mn von 250.000 vermischt werden. Das Gemisch wird auf einem Träger verteilt, um einen Film zu bilden, der dann bei 150ºC bei 15 Minuten ausgehärtet wird.
  • Die Membran wird in einer Pervaporationszelle bewertet, zu der die Charge bei 70ºC zugelassen wird. Permeatdruck beträgt 0,65 kPa (5 mm Hg) bei Flüssigstickstofftemperatur.
  • In dieser bevorzugten Ausführungsform enthält die Chargenlösung 95,1 Gew.-% Isopropanol (IPA) und 4,9 Gew.-% Wasser. Der Permeat-Kondensator enthält eine wäßrige Lösung, die nur 5,8 Gew.-% IPA enthält. Der Fluß (kg/m².h) beträgt 0,22. Der Trennfaktor beträgt 315.
  • BEISPIEL II*
  • In diesem Vergleichsbeispiel ist die poröse Stützschicht eine Polyacrylnitril-Membran mit einer Dicke von etwa 50 Mikron mit einem Schnitt für die relative Molekülmasse von etwa 40.000. Die Trennschicht und die Trägerschicht sind dieselben wie in Beispiel I. Die anderen Bedingungen sind wie in Beispiel I.
  • In Beispiel II* enthält die Charge 97,4 Gew.-% IPA und 2,6 Gew.-% Wasser - was vergleichbar ist mit der Charge von Beispiel I.
  • Der Fluß (kg/m².h), der in Beispiel II* erhalten wird, beträgt nur 0,04 (bei einer Permeatkonzentration von 0,2 Gew.-% IPA).
  • Aus diesen Beispielen kann man sehen, daß die Verwendung der Polysulfon-Membran dieser Erfindung unerwarteterweise das Erreichen eines Flußes ermöglicht, der (0,22/0,04 oder) 5,5mal höher ist als derjenige, der erreicht wird, wenn die Vergleichs-Polyacrylnitrilmembran verwendet wird.
  • BEISPIELE III - XI
  • In dieser Reihe von Beispielen wird das Verfahren von Beispiel I unter Verwendung des Membransystems jenes Beispiels durchgeführt, mit folgenden Ausnahmen:
  • (i) Die Trennmembran ist 100% PVA/0% PAA in Beispiel III*, 70% PVA/30% PAA in Beispiel IV und 50% PVA/50% PAA in allen anderen Beispielen.
  • (ii) Die PVA-haltige Membran wird (bei 125ºC für 15 Minuten) mit Glutaraldehyd in einem Molverhältnis (von Glutaraldehyd zu PVA) von 0,2 (in Kontrollbeispiel III* und VII*) und von 0,4 (in Kontrollbeispiel VI*) und von 0,04 (in Kontrollbeispiel VIII*) quervernetzt.
  • (iii) Die Aushärtungstemperatur (ºC) beträgt 100ºC (in Beispiel IX), 125ºC (in den Beispielen III*, VI*, VIII* und X), 150ºC (in den Beispielen I, II, IV und V) und 125ºC (in Beispiel XI). TABELLE Beispiel PVA/PAA Gew.-Verhältnis Chargen-Konz. % IPA Perm.-Konz. % IPA Sep Fluß (kg/m².h)
  • Aus der obigen Tabelle wird folgendes deutlich:
  • (i) Experimentalbeispiel I, das den höchsten Fluß (0,22 kg/m².h), bei niedriger Konzentration von IPA im Permeat, ergibt, wird unter Verwendung einer 50/50-PVA/PAA-Trennmembran auf einem Polysulfon-Träger durchgeführt - wobei die Trennmembran bei 150ºC ohne äußere Quervernetzung ausgehärtet wird;
  • (ii) Vergleichsbeispiel II*, das im allgemeinen mit Experimentalbeispiel I vergleichbar ist, (mit der Ausnahme, daß Beispiel II* eine Polyacrylnitril-Stützschicht verwendet, wohingegen Beispiel I eine Polysulfon-Stützschicht verwendet) ergibt einen Fluß der nur (0,04/0,22 oder) 18% desjenigen beträgt, der in Beispiel I erhalten wird:
  • (iii) Vergleichsbeispiel III*, VI*-VIII*, die äußere Quervernetzung mit Glutaraldehyd einsetzen, liefern unerwünscht niedrigen Fluß (0,04-0,01-0,02-0,06), im Gegensatz zu z.B. Experimentalbeispiel I (0,22), das innere Quervernetzung einsetzt;
  • (iv) Vergleich der Experimentalbeispiele IX, X, I und XI zeigt, daß, wenn die Aushärtungstemperatur über den Bereich 100ºC-175ºC ansteigt der Fluß abfällt und die Konzentration von IPA im Permeat auch abfällt. Eine Bilanz zwischen diesen zwei Faktoren zeigt, daß Beispiel I am vielversprechendsten ist als ein Kandidat für weitere Überlegungen.
  • (v) Beispiel IX* zeigt unter anderem, daß eine Temperatur von 100ºC (87,6 Gew.-% IPA im Permeat) nicht hoch genug ist, um das System richtig auszuhärten. Aushärtung sollte bei 125ºC oder darüber durchgeführt werden und vorzugsweise bei 150ºC- 225ºC, z.B. 150ºC.
  • BEISPIELE XII - XIX
  • In dieser Reihe von Beispielen wird die Auswirkung der Zeit auf die Membranleistung gemessen. In jedem Fall wird die Membran hergestellt wie in Beispiel I, mit der Ausnahme, daß die Gewichtsprozente PAA in den Membranen variiert werden (wobei der Rest PVA ist) und die Aushärtungsbedinungen variiert werden. Die Selektivität (Gew.-% IPA im Permeat) und der Fluß (kg/m².h) bei Zeit 0 und bei mehr als 48 Stunden werden gemessen. Die Charge ist 85 Gew.-% IPA bei 70ºC. TABELLE Beispiel Memb. Gew.-% PAA Aushärtung T/t Anfangsleistung Sel Fluß Endleistung
  • Aus der obigen Tabelle wird folgendes deutlich:
  • (i) Die Praxis dieser Erfindung ergibt guten Fluß und Selektivität, sowohl am Anfang als auch am Ende (nach 48 Stunden);
  • (ii) Die Selektivität verbessert sich im allgemeinen über die Zeit, während der Fluß im allgemeinen über die Zeit abnimmt;
  • (iii) Der beste Anfangsfluß (2,7) wird unter Verwendung der 80/20-Membran, ausgehärtet bei 150ºC für 4 Minuten, erreicht; und der Fluß ist am Ende des Testes hoch (0,78);
  • (iv) Der beste Endfluß (0,89) wird mit der 60/40-Membran, ausgehärtet bei 150ºC für 10 Minuten, erreicht.
  • Es ist ein Merkmal dieser Erfindung, daß die gewünschten Ergebnisse durch innere (oder intermolekulare) Quervernetzung durch die Reaktion oder Wechselwirkung der PVA und der PAA und des Polysulfons (PS) auf/miteinander erreicht werden - im Gegensatz zur äußeren Quervernetzung der Vernetzungsmittel nach dem Stand der Technik (z.B. Glutaraldehyd). Es wird deutlich, daß die PAA (mit höherer relativer Molekülmasse) Säurefunktionalität beiträgt, die die Quervernetzung mit dem PVA unterstützt. Die PAA behält offensichtlich auch nicht-umgesetzte Carbonsäurefunktionalitäten bei, die der endgültigen Membran einen hydrophilen Charakter verleihen. Die Produktmembran ist im Inneren vernetzt; und dies trägt zu ihrer Fähigkeit bei, Lösungen bei höherer Temperatur zu entwässern, die üblicherweise PAA oder PAA lösen würden (vgl. die nicht-vernetzte Membran von Nguyen, aaO).

Claims (7)

1. Eine Membran, die eine nicht-poröse Trennschicht umfaßt, die eine Mischung aus einem Polyvinylalkohol (PVA) und einer Polyacrylsäure (PAA) umfaßt, die bei 125ºC bis 225ºC für zwischen 1 und 30 Minuten ausgehärtet worden ist, und wobei keine äußeren Härtungsmittel verwendet werden, und eine poröse Trägerschicht, die ein Polysulfon umfaßt.
2. Eine Membran nach Anspruch 1, wobei das Gewichtsverhältnis PVA/PAA im Bereich von 0,1 bis 10 liegt.
3. Eine Membran nach Anspruch 1, wobei das Gewichtsverhältnis PVA/PAA im Bereich von 0,1 bis 5 liegt.
4. Eine Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die bei 150ºC bis 225ºC für zwischen 1 und 30 Minuten ausgehärtet worden ist.
5. Ein Verfahren zum Konzentrieren einer wäßrigen Charge einer organischen Sauerstoffverbindung, welches umfaßt, daß besagte wäßrige Charge in Kontakt mit der Hochdruckseite der nicht-porösen Trennschicht einer Membran nach einem der vorangehenden Ansprüche geleitet und ein Druckabfall über besagte Schicht gehalten wird, wodurch wenigstens ein Teil besagten Wassers und ein geringerer Teil an organischer Sauerstoffverbindung aus besagter wäßrigen Charge durch Pervaporation durch besagte Trennschicht als eine an Sauerstoffverbindung arme Mischung, die mehr Wasser und weniger organische Sauerstoffverbindung enthält, als in besagter wäßriger Charge vorhanden sind, hindurchgeht und eine an Sauerstoffverbindung reiche Flüssigkeit zurückbleibt, die weniger Wasser und mehr organische Sauerstoffverbindung enthält, als in besagter wäßriger Charge vorhanden sind.
6. Ein Verfahren nach Anspruch 5, wobei die organische Sauerstoffverbindung einen Alkohol, ein Glykol, eine schwache Säure oder eine Mischung derselben umfaßt.
7. Ein Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei die organische Sauerstoffverbindung Isopropanol umfaßt.
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