Erilaisten seosten erotusteknologioiden valinta

Heterogeeniset ja homogeenistet seokset

Erilaiset seokset voidaan jakaa heterogeenisiin ja homogeenisiin seoksiin. Heterogeenisissa, eli sekakoosteisissa seoksissa vähintään kahden aineen rakenneosat ovat sekoittuneet keskenään, mutta ne pysyvät fyysisesti erillisinä komponentteina, eivätkä ne ole muodostaneet kemiallisia yhdisteitä. Heterogeeniset seokset voivat muodostua seuraavista komponenteista:

1. Kahden erilaisen nesteen muodostama emulsio
2. Nesteen ja kiintoaineen muodosta lietemäinen suspensio
3. Kaasun ja nesteen muodostama aerosoli
4. Kaasun ja kiintoaineen muodostama savu

Heterogeenisten seosten komponentit voidaan erottaa toisistaan mekaanis-fyysisillä erotusmenetelmillä, jotka hyödyntävät esim. seoksessa olevien komponenttien tiheys- tai kokoeroa. Tyypillisiä erotusmenetelmiä ovat mm. laskeutus, pyörrepuhdistus, sihtaus eli seulonta, suodatus, pisaranerotus sekä savukaasupesu.

Homogeenisessa seoksessa eri komponentteja on mahdotonta silmävaraisesti tunnistaa toisistaan. Homogeeniset, eli tasakoosteiset seokset voivat muodostua seuraavista komponenteista:

1. Kahden toisiinsa liukenevan komponentin (neste-neste tai neste-kiintoaine) muodostama seos, eli liuos
2. Kahden erilaisen kaasun muodostama seos, kuten ilma
3. Kahden eri kiintoaineen muodostama seos, kuten metalliseos eli lejeerinki

Homogeenisten seosten komponentit voidaan erottaa toisistaan esim. lämmön- ja aineensiirtoon, faasimuutoksiin, huokoisiin membraaneihin tai adsorbentteihin perustuvilla erotusmenetelmillä. Tyypillisiä erotusmenetelmiä ovat mm. tislaus, haihdutus, uutto, kiteytys, absorptio, strippaus, membraanierotus sekä käänteisosmoosi.

Soveltuvan erotusteknologian valinta

Lähes kaikissa kemianteollisuuden prosesseissa joudutaan erottamaan seoskomponentteja toisistaan. Oikean teknologian valinta vaatii ymmärrystä ja asiantuntemusta erilaisista seoksista, niiden ominaisuuksista sekä olemassa olevista erotustekniikoista. Seoskomponenttien erottamiseen ei ole olemassa yhtä kaiken ratkaisevaa teknologiaa. Teollisessa mittakaavassa seosten komponentit erotetaan usein toisistaan sarjaan kytkettyjen teknologioiden avulla.

Alla olevassa kuvassa on koottu yhteen esimerkinomaisesti eri seoskomponenttien yleisimpiä erotusteknologioita.

Erilaisten komponenttien mekaaninen erottaminen on yksi yleisimmistä prosessiteollisuuden yksikköoperaatioista ja neste-kiintoaine-erotus on todennäköisesti näistä yleisin.

Neste-kiintoaine-erotuksessa sopivan erotustekniikan valintaan vaikuttaa mm. syötteen kokonaismäärä sekä kiintoaineen tyyppi, konsentraatio ja partikkelikokojakauma. Nesteen ominaisuuksista valintaan vaikuttavina tekijöinä on mm. lämpötila, viskositeetti, pH, syttyvyys, myrkyllisyys ja syövyttävyys. Erotusmenetelmän valintaan vaikuttaa myös onko tavoiteltuna lopputuotteena puhdas neste vai kiintoaine (vai molemmat) sekä kuinka kuivana kiintoaine pitäisi pystyä erottamaan. Prosessissa syntyvät tuotteet voidaan luokitella jätteiksi ja mahdolliset viranomaismääräykset tulee aina huomioida erotusmenetelmän valinnassa. Alla olevassa kaaviossa on kuvattu neste-kiintoaine-erotusmenetelmälle karkea valintakaavio.

Homogeenisten seosten erotuksen yksikköoperaatioissa ei myöskään tapahdu kemiallista reaktioita, mutta niissä voi tapahtua fysikaalinen reaktio, kuten faasimuutos. Lämmönsiirtoon perustuvia yksikköoperaatiota on mm. lämmönvaihto, haihduttaminen ja tiivistäminen. Aineensiirtoon taas perustuu absorptio, adsorptio, tislaus ja uutto. Termodynaamisia operaatiota, joissa tapahtuu faasimuutos on mm. sulatus, liuotus ja kiteytyminen.

Erotusmenetelmän valinnassa tarvitaan runsaasti lähtötietoja. Riittävien lähtötietojen avulla voidaan arvioida kuhunkin kohteeseen parhaiten soveltuvia erotusteknologioita.

Erotusmenetelmien valinnan peukalosääntöjä*

• Erota seosten heterogeeniset osat ennen homogeenisen seoksen erotusvaihetta
• Erota syövyttävät ja reaktiiviset komponentit ensin
• Erota ensin se komponentti, jota on eniten
• Vältä turhia erotusvaiheita, jos erotetut komponentit halutaan myöhemmin yhdistää
• Suosi hyväksi havaittuja ja tunnettuja teknologioita, kuten suodatusta, tislausta ja uuttoa
• Valitse tislaus, jos homogeenisen liuoksen pääkomponenttien kiehumispisteet eivät ole lähellä toisiaan
• Suorita haastavin erotusvaihe viimeiseksi, sillä erotus helpottuu, kun häiritsevät komponentit on ensin poistettu ja ainemäärät ovat pienentyneet
• Valitse se erotusprosessi, jolla on alhaisin käyttö-, kunnossapito- ja hankintakustannus, huomioiden, että prosessi on helposti ohjattavissa, turvallinen, ympäristöystävällinen ja valmistettavat lopputuotteet täyttävät niille asetetut vaatimukset

Onko sinulla jokin seos, josta haluaisit erottaa tiettyjä arvokkaita tai haitallisia komponentteja? Kokemuksemme mukaan hyvä tapa selvittää erotusteknologian sopivuus prosessiin on sen testaaminen käytännön kokeilla. Lue tästä, kuinka Kääpä Biotech paransi tuotantoprosessiansa koeajopalvelun avulla.

* Lähde: VTT-R-06143-15, Design and selection of separation processes