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Absorption of water/methanol binary system on ion-exchange resins

Authors

  • R. Tesser,

    1. Dipartimento di Chimica, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Cinthia, Complesso Universitario di Monte Sant'Angelo, 80126 Napoli, Italy
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  • M. Di Serio,

    1. Dipartimento di Chimica, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Cinthia, Complesso Universitario di Monte Sant'Angelo, 80126 Napoli, Italy
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  • L. Casale,

    1. Dipartimento di Chimica, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Cinthia, Complesso Universitario di Monte Sant'Angelo, 80126 Napoli, Italy
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  • G. Carotenuto,

    1. Dipartimento di Chimica, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Cinthia, Complesso Universitario di Monte Sant'Angelo, 80126 Napoli, Italy
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  • E. Santacesaria

    Corresponding author
    1. Dipartimento di Chimica, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Cinthia, Complesso Universitario di Monte Sant'Angelo, 80126 Napoli, Italy
    • Dipartimento di Chimica, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Cinthia, Complesso Universitario di Monte Sant'Angelo, 80126 Napoli, Italy.
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Abstract

Polymeric ion-exchange resins are widely used in important industrial processes for both separation and reaction applications. Due to their particular cross-linked structure, these materials are subjected to a remarkable swelling phenomena when are contacted with polar solvents like methanol or water. The high liquid volume retained and the selectivity towards the absorption of particular substances can results in a significant alteration of the liquid reactive mixture composition when polymeric resins are used as catalysts. In this situation the bulk liquid phase and the absorbed phase are different in composition and the kinetics could be strongly affected as the chemical reaction occurs mainly on the internal surface of the resin particles. The correct description of the kinetics for such systems requires additional information regarding the phase partitioning of the various components between the liquid and the absorbed phase. In this work, experimental absorption data, concerning the binary system methanol–water partitioned in the presence of Amberlyst 15 and Relite CFS, two sulphonic ion-exchange resins, typically used as esterification catalysts, are presented. This mixture is of great interest in the esterification reaction of free fatty acids (FFAs) that is nowadays considered a suitable pre-treatment of cheap feedstock for biodiesel production. The data collected on binary systems water–methanol, at different temperatures, have then been successfully correlated by a multicomponent competitive absorption model that could be useful, in the future, in a wider kinetic study. The same model has also been tested on data taken from the literature.

Abstract

Les résines échangeuses d'ions polymériques sont largement utilisées lors de processus industriels importants à la fois pour les applications de séparation et de réaction. En raison de leur structure réticulée particulière, ces matériaux sont soumis à un remarquable phénomène de gonflement lorsqu'ils sont en contact avec des solvants polaires comme le méthanol ou l'eau. Le volume liquide élevé retenu et la sélectivité vers l'absorption de substances particulières peuvent mener à une modification considérable de la composition du mélange réagissant liquide lorsque des résines polymériques sont utilisées comme catalyseurs. Dans cette situation, la phase liquide volumique et la phase absorbée sont différentes sur le plan de la composition et la cinétique pourrait être fortement touchée alors que la réaction chimique se produit principalement sur la surface interne des particules de résine. La bonne description de la cinétique pour de tels systèmes exige des renseignements supplémentaires sur la séparation des phases des divers composants entre la phase liquide et la phase absorbée. Dans ce travail, les données d'absorption expérimentales sont présentées à propos du système méthanol-eau séparé, en présence d'Amberlyst 15 et de Relite CFS, deux résines échangeuses d'ions sulphoniques typiquement utilisées comme catalyseurs d'estérification. Ce mélange est d'un grand intérêt pour la réaction d'estérification des acides gras libres (AGL) qui est maintenant considérée comme un prétraitement approprié de la matière biologique bon marché pour la production de biodiésel. Les données recueillies sur les systèmes binaires eau-méthanol, à différentes températures, ont été corrélées avec succès par un modèle d'absorption compétitive à composants multiples qui pourrait être utile, à l'avenir, dans une étude cinétique plus approfondie. Le même modèle a également été mis à l'essai avec des données prises dans la littérature.

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