Intensificarea transferului de masă

Pentru a obtine grade inalte de separare fie ca este vorba de rectificare, absorbtie, extractie, cristalizare, adsorbtie, pe langa diferentele de concentratie este important sa existe diferente semnificative intre proprietatile fizice ale componentilor ce formeaza amestecul de separat. Cu cat aceste diferente sunt mai mari se pot folosi metode fizice de separare. Daca aceste diferente sunt mai mici, sau daca se doreste obtinerea unor grade avansate de separare si o selectivitate deosebita, atunci se foloseste o reactie chimica. Componetul transferabil, de interes, reactioneaza cu un agent de complexare si va fi concentrat intr-una din faze. Reactia de complexare trebuie sa fie insa reversibila, deoarece e necesar ca prin schimbarea conditiilor de operare sa se recupereze atat componentul cat si reactantul complexant.

Un exemplu clasic il reprezinta absorbtia CO2 in solutii apoase de amine. Aminele pot complexa CO2 ducand la cresterea solubilitatii gazului in faza apoasa (Danckwerts, 1979; Versteeg si Swaaij, 1988 a, b; Rangwala si colab., 1992; Tontiwachwuthikul si colab., 1992; Xu si colab., 1996; Cadours si Boullou, 1998). Solutia apoasa este apoi incalzita pentru a se putea recupera CO2, iar solutia de amina se recircula.

In ceea ce priveste separarile prin membrane, acestea se bazeaza pe diferentele dintre solubilitatea solutiilor (transferabili) prin membrana si pe diferentele dintre coeficientii de difuziune ale acestora prin membrana. Daca se considera membrana ca o bariera semipermeabila intre doua faze, atunci un lichid nemiscibil poate servi drept membrana intre doua lichide sau faze gazoase. Diversi soluti vor avea solubilitati si coeficienti de difuziune diferiti in acest lichid, astfel incat o membrana lichida va conduce la permeabilitati selective si deci, la separari. Deoarece coeficientii de difuzie in lichid sunt cu mult mai mari decat in solide, atunci se pot obtine fluxuri mari de component transferat. Si in acest caz, se poate intensifica transferul de masa prin prezenta unui agent de complexare, nevolatil, prezent in lichid. Moleculele acestuia pot reactiona selectiv si reversibil cu solutul care urmeaza a fi separat. Exista doua mecanisme de baza pentru intensificarea transportului. In transportul cuplat, o reactie reversibila are loc cu un schimbator de ioni lichid. Reactia, in mod normal, se desfasoara la interfata lichid - lichid, deoarece ionii nu sunt solubili in faza organica. Transportul co - cuplat este caracterizat de faptul ca reactia reversibila are loc numai intre solut si extractant (carrier) si nu implica alti componenti. O astfel de reactie poate avea loc in faza de membrana lichida. Cele doua tipuri de transport sunt ilustrate in figura 2.1.

Fig. 2.1. Reprezentarea schematica a transportului cuplat si a celui co-cuplat

Folosirea extractantilor in membrana lichida are o serie de avantaje:

- fluxuri mari de transfer

- separari foarte selective.

Selectivitatea reactiei de complexare este cu mult mai mare decat cea bazata pe solubilitatea relativa si pe coeficientii de difuzie. Acest fapt este utilizat, mai ales, pentru concentratii mici ale solutului, cand se foloseste o concentratie mai mare a agentului de complexare. Se stie ca la concentratii mici ale solutului procesele clasice de separare nu pot asigura o recuperare eficienta a acestuia.

- Substantele dizolvate, mai ales cele ionice, pot fi concentrate prin transport cuplat chiar impotriva gradientului natural de concentratie (acest aspect va fi tratat ulterior mai pe larg).

- Pot fi folositi extractanti scumpi, deoarece se utilizeaza in general cantitati mici, care se pot recircula in proces.

Exista o serie de probleme care apar in ceea ce priveste reactia de complexare a solutului (transferabilului). Viteza de complexare trebuie sa fie suficient de mare pentru a obtine o cantitate mare de complex, deci un efect de intensificare apreciabil. Pe de alta parte, este necesar ca viteza de descompunere a complexului sa fie si ea destul de rapida, astfel incat solutul sa poata fi recuperat, iar agentul de complexare sa poata fi recirculat fara costuri energetice prea mari.

In afara cunoasterii valorilor constantelor reactiilor de echilibru implicate in proces, este necesar sa se rezolve si alte probleme printre care:

- sa nu existe reactii competitive cu soluti nedoriti; acestea reduc atat fluxul cat si selectivitatea solutului care se doreste a fi separat;

- sa nu existe reactii ireversibile sau de descompunere; aceste reactii reduc capacitatea sistemului de separare si timpul sau de viata;

- sa nu apara coextractia solventului din faza de alimentare. Orice coextractie a solventului este daunatoare procesului cu membrane lichide. Faza receptoare se va dilua si membrana lichida isi va reduce timpul de viata. Aceasta problema va fi ilustrata pe larg, mai ales, la extractia metalelor, unde apar diferente mari de presiune osmotica prin membrana;

- cinetica rapida. Atat reactia de complexare, cat si cea de descompunere a complexului trebuie sa fie suficient de rapide, astfel incat membrana sa opereze in regim difuziv (regim de echilibru de reactie). Selectivitatea este maxima cand se opereaza in