Применение первапорации и парофазного мембранного метода для концентрирования фурфурола из водных растворов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Актуальность увеличения производства фурфурола подтверждается расширением областей его применения. Фурфурол производится исключительно путем гидролиза биомассы и для получения товарного фурфурола в настоящее время широко используется ректификация, характеризующаяся значительными капитальными и эксплуатационными затратами. Повышение эффективности процесса концентрирования фурфурола и снижение энергозатрат возможно с применением мембранной технологии. В настоящей работе отражено современное состояние исследований применения первапорации и парофазного мембранного метода, мембранных материалов и мембран для задачи концентрирования фурфурола. Проведен анализ опубликованных экспериментальных данных, включая расчет вклада мембраны в разделительный процесс. Показано, что фактор разделения фурфурол/вода при фазовом переходе приблизительно равен 7 для раствора, содержащего 6 мас.% фурфурола, и слабо зависит от температуры. Фактор разделения фурфурол/вода ПДМС мембраны находится в диапазоне 3.9–7.5. На примере математического моделирования процесса парофазного мембранного выделения фурфурола из гидролизата рассчитаны ожидаемые показатели процесса с использованием доступной мембраны на основе ПДМС. Продемонстрированы преимущества применения мембранной технологии по сравнению с ректификацией: получение потока паров с более высоким содержанием органической фазы (35–50 мас.% вместо 27 мас.%) и более высокой долей фурфурола, направляемого на доочистку после декантации (87% от исходного потока вместо 70%).

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Козлова

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: a_a_kozlova@ips.ac.ru
Россия, Ленинский пр., 29, Москва, 119991

В. К. Грудковская

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Email: a_a_kozlova@ips.ac.ru
Россия, Ленинский пр., 29, Москва, 119991

М. И. Афокин

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Email: a_a_kozlova@ips.ac.ru
Россия, Ленинский пр., 29, Москва, 119991

М. Г. Шалыгин

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Email: a_a_kozlova@ips.ac.ru
Россия, Ленинский пр., 29, Москва, 119991

Список литературы

  1. Jorqueira D.S., Lima L.F., Moya S.F., et al. // Applied Catalysis A: General. 2023. V. 119. P. 360.
  2. Mariscal R., Maireles-Torres P., Ojeda M., Sádaba I., Granados M. L. // Energy and environmental science. 2016. V. 9. P. 1144–1189. https://doi.org/10.1039/C5EE02666K
  3. Kabbour M., Luque R. // Biomass, biofuels, biochemicals. 2020. P. 283–297. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-64307-0.00010-X
  4. Сушкова В.И. // Химия растительного сырья. 2023. V. 2. P. 27–54. https://doi.org/10.14258/jcprm.20230211880
  5. Zhao S., Zhang Y., Rao Z., Liu H., et al. // Applied Catalysis B: Environment and Energy. 2025. P. 125228. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125228
  6. Sun Y., Wang Z., Liu Y., et al. // Energies. 2019. V. 13. P. 21. https://doi.org/10.3390/en13010021
  7. Tu R., Liang K., Sun Y., Wu Y., et al. // Chinese J. Chemical Engineering. 2023. V. 452. P. 139526.
  8. Mitran G., Nguyen T.L.P., Seo D.K. // Biomass and Bioenergy. 2024. V. 190. P. 107429.
  9. Joshi R., Tiwari M.S. // Catalysis Today. 2025. P. 115276.
  10. Lange J.P., Van Der Heide E., van Buijtenen J., Price R. // ChemSusChem. 2012. V. 5. P. 150–166. https://doi.org/10.1002/cssc.201100648
  11. Lange J. P. // Catalysis Today. 2024. P. 114726. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2024.114726
  12. ООО “НПО Завод фурановых соединений”. Официальный сайт. URL: https://npozfs.ru/.
  13. Yong K.J., Wu T.Y., Lee C.B., et al. // Biomass and Bioenergy. 2022. V. 161. P. 106458. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.106458
  14. Delbecq F., Wang Y., Muralidhara A., et al. // Frontiers in chemistry. 2018. V. 6. P. 146. https://doi.org/10.3390/coatings11010110
  15. Dutta S., De S., Saha B., Alam M. I. // Catalysis Science Technology. 2012. V. 2. P. 2025–2036. https://doi.org/10.1039/C2CY20235B
  16. Ntimbani R.N., Farzad S., Görgens J.F. // Biomass Conversion and Biorefinery. 2021. V. 12. P. 5257–5267. https://doi.org/10.1007/s13399-021-01313-3
  17. Jaswal A., Singh P.P., Mondal T. // Green Chemistry. 2022. V. 24. P. 510–551. https://doi.org/10.1039/D1GC03278J
  18. Сушкова В.И, Воробьёва Г.И. Безотходная конверсия растительного сырья в биологически активные вещества. Москва. Дели принт. 2008. С. 215.
  19. Чхеда Ж.Н., Ланж Ж.П. Замкнутый способ получения фурфурола из биомасс. Пат. № 2713659 (РФ), 06.02.2020.
  20. Li X., Hu J., Yang T., Yang X., Qu J., Li C.M. // Nano Energy. 2022. V. 92. P. 106714. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106714
  21. Lee C.B.T.L., Wu T.Y. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2021. V. 137. P. 110172. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110172
  22. Cai C.M., Zhang T., Kumar R., Wyman C.E. // J. Chem. Tech. Biotech. 2014. V. 89. P. 2–10. https://doi.org/10.1002/jctb.4168
  23. Weingarten R., Tompsett G.A., Conner W.C., Huber G.W. // Journal of Catalysis. 2011. V. 279. P. 174–182. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2011.01.013
  24. Dulie N.W., Woldeyes B.V, Demsash H.D., Jabasingh A.S. // Waste and Biomass Valorization. 2021. V. 12. P. 531–552. https://doi.org/10.1007/s12649-020-00946-1
  25. Dubiniak A., Kulikov L., Egazaryants S., Maximov A., Karakhanov E. // Applied Catalysis A: General. 2025. V. 689. P. 120025. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2024.120025
  26. Galkin K.I., Ananikov V.P. // ChemSusChem. 2019. V. 12. P. 185–189. https://doi.org/10.1002/cssc.201802126
  27. Edumujeze D., Fournier-Salaün M.C., Leveneur S. // Fuel. 2025. V. 381. P. 133423. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2024.133423
  28. Qian X., Jia S., Skogestad S., Yuan X. // Computer Aided Chemical Engineering. 2016. V. 38. P. 409–414. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63428-3.50073-4
  29. Contreras-Zarazúa G., Martin-Martin M., Sánchez-Ramirez E., Segovia-Hernández J.G. // Chemical Engineering and Processing-Process Intensification. 2022. V. 171. P. 108569. https://doi.org/10.1016/j.cep.2021.108569
  30. Nhien L.C., Long N.V.D., Kim S., Lee M. // Biotechnology for Biofuel. 2017. V. 10. P. 81. https://doi.org/10.1186/s13068-017-0767-3
  31. Alonso-Riano P., Illera A.E., Amândio M.S., et al. // Separation and Purification Technology. 2023. V. 309. P. 123008. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.123008
  32. Zhuang Y., Si Z., Pang S., et al. // Journal of Cleaner Production. 2023. V. 396. P. 136481. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.136481
  33. Mohamad N., Reig M., Vecino X., et al. // Journal of Chemical Technology Biotechnology. 2019. V. 94. P. 2899–2907. https://doi.org/10.1002/jctb.6093
  34. Ali A.A., Al-Othman A., Tawalbeh M., et al. // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2024. V. 13. P. 114998. https://doi.org/10.1016/j.jece.2024.114998
  35. Pervaporation, DeltaMem AG. Официальный сайт. URL: https://www.deltamem.ch/.
  36. Shalygin M.G., Kozlova A.A., Heider J., et al. // Membranes and Membrane Technologies. 2023. V. 5. P. 55–67. https://doi.org/10.1134/s2517751623010055
  37. Borisov I.L., Golubev G.S., Vasilevsky V.P., et al. // J. Membr. Sci. 2017. V. 523. P. 291–300. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2016.10.009
  38. Yakovlev A.V., Shalygin M.G., Matson S.M., et al. // J. Membr. Sci. 2013. V. 434. P. 99–105. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2013.01.061
  39. Hu S., Guan Y., Cai D., et al. // Scientific Reports. 2015. V. 5. P. 9428. https://doi.org/10.1038/srep09428
  40. Shalygin M.G., Kozlova A.A., Teplyakov V.V. // Membranes and Membrane Technologies. 2022. V. 4. P. 258–266. https://doi.org/10.1134/S2517751622040084
  41. Borisov I.L., Volkov V.V. // Separation and Purification Technology. 2015. V. 146. P. 3341. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2015.03.023
  42. Wang Y., Ban Y., Liu J., et al. // J. Membr. Sci. 2025. V. 722. P. 123864. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2025.123864
  43. Vane L.M. // J. Chem. Tech. Biotech. 2019. V. 94. P. 343–365. https://doi.org/10.1002/jctb.5839
  44. Abo B.O., Gao M., Wang Y., et al. // Environ. Sci. Pollut. Res. 2019. V. 26. P. 20164–20182. https://doi.org/10.1007/s11356-019-05437-y
  45. Mao H., Li S.-H., Zhang A.-S., et al. // Separation and Purification Technology. 2021. V. 272. P. 118813. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.118813
  46. Green D., Southard M.Z. // Perry’s Chemical Engineers Handbook. 2019. P. 2–8.
  47. Tai W.P., Lee H.Y., Lee M.J. // Fluid Phase Equilibria. 2014. V. 384. P. 134–142. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2014.10.037
  48. Liu G., Jin W. // J. Membr. Sci. 2021. V. 636. P. 119557. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2021.119557
  49. Qin F., Li S., Qin P., Karim M.N., Tan T. // Green Chemistry. 2014. V. 16. P. 1262–1273. https://doi.org/10.1039/C3GC41867G
  50. Grushevenko E.A., Borisov I.L., Volkov A.V. // Pet. Chem. 2021. V. 61. P. 959–976. https://doi.org/10.1134/S0965544121090103
  51. Zheng P., McCarthy T.J. // Langmuir. 2010. V. 26. P. 18585–18590. https://doi.org/10.1021/la104065e
  52. Ahmad A., Li S.H., Zhao Z.P. // J. Membr. Sci. 2021. V. 620. P. 118863. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118863
  53. Liu W., Ji S.L., Guo H.X., Gao J., Qin Z.P. // J. Appl. Polym. Sci. 2014. V. 131. https://doi.org/10.1002/app.40004
  54. Baker R.W. Membrane technology and applications. Wiley. 2024. P. 539. https://doi.org/10.1002/9781119686026
  55. Vinh-Thang H., Kaliaguine S. // Chemical reviews. 2013. V. 113. P. 4980–5028. https://doi.org/10.1021/cr3003888
  56. Sandmeier M., Paunović N., Conti R., et. al. // Macromolecules. 2021. V. 54. P. 7830–7839. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.1c00856
  57. Li S., Li P., Si Z., Li G., et al. // AIChE J. 2019. V. 65. P. e16710. https://doi.org/10.1002/aic.16710
  58. Sawatdiruk S., Charoensuppanimit P., Faungnawakij K., Klaysom C. // Sep. Pur. Tech. 2021. V. 278. P. 119281. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.119281
  59. Shan H., Li S., Zhang X., et al. // Sep. Pur. Tech. 2021. V. 258. P. 118006. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.118006
  60. Xu X., Nikolaeva D., Hartanto Y., Luis P. // Separation and Purification Technology. 2021. V. 278. P. 119233. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.119233
  61. Ghosh U.K., Pradhan N.C., Adhikari B. // Desalination. 2010. V. 252. P. 1–7. https://doi.org/10.1016/j.desal.2009.11.009
  62. Ghosh U.K., Pradhan N.C., Adhikari B. // Desalination. 2007. V. 208. P. 146–158. https://doi.org/10.1016/j.desal.2006.04.078
  63. Yang Y., Si Z., Cai D., et. al. // Separation and Purification Technology. 2020. V. 235. P. 116144. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2019.116144
  64. Wang Y., Xue T., Si Z., et al. // J. Membr. Sci. 2022. V. 653. P. 120515. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2022.120515
  65. Liu C., Ding C., Hao X., et. al // Separation and Purification Technology. 2018. V. 207. P. 42–50. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.06.029
  66. Yang R., Zhang H., Li X., Ye X., Liu L. // ACS Sustainable Chemistry Engineering. 2024. V. 12. P. 12378–12385. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssuschemeng.4c02672
  67. Шалыгин М.Г., Козлова А.А., Нетрусов А.И., Тепляков В.В. // Мембраны и мембранные технологии. 2016. Т. 6. № 3. C. 313–324. https://doi.org/10.1134/S221811721603010X
  68. Vane L.M. // Separation Science and Technology. 2013. V. 48. P. 429–437.
  69. Teplyakov V.V., Shalygin M.G., Kozlova A.A., et al. // Petroleum Chemistry. 2017. V. 57. P. 747–762. https://doi.org/10.1134/S0965544117090080

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Платформа фурфурола для производства различных видов биотоплива [10].

Скачать (186KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схематическое представление массопереноса в первапорации.

Скачать (153KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Схематическое представление массопереноса в парофазном мембранном методе.

Скачать (121KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Фазовая диаграмма систем фурфурол/вода при 60°С (1) и 90°С (2) и бутанол/вода при 60°С (3), где x – содержание компонентов в жидкой фазе, y – в паровой.

Скачать (131KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Диаграмма р-х-у системы фурфурол/вода при 60°C (1) и 90°С (2), x – содержание фурфурола в жидкой фазе, у – в паровой фазе, p – давление смеси паров над раствором.

Скачать (120KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Доступные литературные данные по свойствам мембран при разделении смеси вода/фурфурол в координатах диаграммы Робсона.

Скачать (133KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Схема процесса парофазного мембранного концентрирования фурфурола: ВН – вакуумный насос, Д – декантер, К – конденсатор, ММ – мембранный модуль. Содержание фурфурола приведено без учета газа-носителя, составы пермеата и ретентата указаны для степени извлечения фурфурола 50%.

Скачать (75KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимость содержания фурфурола в пермеате (сплошная линия) и ретентате (пунктирная линия) от степени извлечения фурфурола при давлении пермеата 1 и 10 кПа.

Скачать (95KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Зависимость доли отбора от степени извлечения фурфурола при давлении пермеата 1 и 10 кПа.

Скачать (88KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Зависимость удельной производительности по пермеату от степени извлечения фурфурола при давлении пермеата 1 и 10 кПа.

Скачать (86KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025