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J. Chim. Phys.
Volume 85, 1988
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Page(s) | 293 - 308 | |
DOI | https://doi.org/10.1051/jcp/1988850293 | |
Published online | 29 May 2017 |
La pervaporation : une nouvelle technique de fractionnement des mélanges liquides. Aspects physico-chimiques du procédé
Laboratoire de Chimie-Physique Macromoléculaire, C.N.R.S.-U.A. 494
Ecole Nationale Supérieure des Industries Chimiques 1, rue Grandville, 54042 Nancy Cedex, France.
La sélectivité du transport pervaporatif d'un perméat binaire est en partie déterminée par celle du partage qui s'établit, au niveau de la face amont de la membrane, entre la charge liquide traitée et le film qui gonfle à son contact. Dans le cas des barrières les plus performantes, cette sélectivité est accrue par l'inégale diffusivité des deux pénétrants qui migrent dans l'épaisseur de la membrane. L'interprétation quantitative de ce dernier phénomène est relativement difficile parce qu'il s'agit d'un transport diffusionnel caractérisé par des coefficients de diffusion qui. en chaque point de la lame traversée, dépendent de la composition locale du milieu.
Quand la pervaporation est effectuée sur un liquide pur, la diffusivité D du pénétrant unique varie de façon exponentielle avec sa concentration c dans le film polymère : D = D* exp (γc), D* et γ étant respectivement la diffusivité limite du pénétrant dans le matériau très peu gonflé et le coefficient de plastification décrivant l'intensité des interactions qui s'exercent entre le support et le migrant.
Après avoir mis au point une nouvelle technique expérimentale permettant d'observer directement le profil de concentration du pénétrant dans une membrane fonctionnant en régime stationnaire de pervaporation, nous sommes parvenus à déterminer les valeurs des paramètres D* et γ. Quand elle est traitée à 25 °C, à l'aide d'une membrane obtenue en neutralisant, par la potasse, un film de polyéthylène basse densité, greffé par de l'acide acrylique, l'eau est caractérisée par les valeurs :
[math] = 2,35 · 10-7 cm2 · sec-1 γw = 5,83
Dans les mêmes conditions, la diffusivité limite de l'éthanol est environ cent fois plus faible et son coefficient de plastification trois fois plus grand.
Les résultats de ces mesures montrent que la remarquable sélectivité de la membrane examinée, vis-à-vis des mélanges eau-éthanol, est due non seulement à son hydrophilie mais aussi à la forte résistance que la couche aval sèche de la barrière oppose au transport de l'alcool.
Abstract
The selectivity of pervaporative mass-transport is partly determined by the partitioning equilibrium which is established at the upstream surface of the operating membrane, slightly swollen by the flowing liquid feed-mixture. In the case of the most performing barriers, an additional selective effect arises from the unequal diffusivities of the two penetrants within the film which is unevenly swollen when the process is carried out under a low downstream pressure. It is rather difficult to appreciate the magnitude of the latter contribution since the diffusional transport of a liquid across a polymeric layer is characterized by a concentration-dependent D(c) local diffusion coefficient.
When the penetrant is unique (Pervaporation of a pure liquid), it is widely accepted that D(c) is an exponential function of c : D(c) = D’exp (γc) (D* being the diffusivity in the non-swollen polymeric material and y the plasticization coefficient).
After having developed a new experimental technique making possible the direct observation of the penetrant concentration-profile within the operating membrane, we were able to measure several D*,γ pairs. Investigations carried out with water, at 25 °C, though a hydrophilic membrane obtained after neutralizing, by aq. KOH, a thin film of polyethylene grafted with acrylic acid, yield the following values :
[math] = 2,35 · 10-7 cm2 · sec-1 γw = 5,83
Under the same conditions, the diffusivity D* of ethanol was found to be a hundred time smaller whereas the corresponding plasticization parameter γs was close to 17.
These results show that the high selectivity displayed by the investigated membrane when it is faced with a water-ethanol feed-mixture probably originates from an additional selective effect taking place in the dry downstream layer of the operating barrier.
© Paris : Société de Chimie Physique, 1988