Ethanol destilleren: wat is het ethanol-waterazeotroop?
Destillatie is een manier om vloeistoffen te scheiden op basis van hun vluchtigheid. Bij normale luchtdruk vormen ethanol en water een azeotroop bij ongeveer 95,6 massaprocent ethanol. Bij die samenstelling hebben vloeistof en damp dezelfde verhouding, waardoor gewone destillatie bij dezelfde druk geen verdere verrijking in ethanol oplevert.
De oorzaak? Ethanol vormt met water een azeotroop mengsel dat tijdens het koken dezelfde samenstelling houdt. Hierdoor kun je ethanol niet verder zuiveren door simpelweg langer of heter te destilleren.
In dit artikel leggen we uit wat een azeotroop is, waarom gewone destillatie ethanol en water bij die samenstelling niet verder scheidt, en welke aanvullende technieken worden gebruikt om ethanol verder te drogen.
Wat Is Een Azeotroop?
Een azeotroop is een mengsel van twee vloeistoffen dat een vast kookpunt heeft en tijdens het koken niet van samenstelling verandert. De damp die vrijkomt heeft precies dezelfde verhouding als de vloeistof.
In het kort:
- Het mengsel kookt alsof het één enkele stof is.
- Je kunt het door destilleren niet verder scheiden.
- Dit ontstaat door sterke interacties tussen de moleculen, waardoor ze zich niet meer “ideaal” gedragen.
Wanneer een mengsel een azeotroop vormt, houdt gewone destillatie op met werken, ook bij perfecte apparatuur.
Het ethanol-waterazeotroop: de grens bij gewone destillatie
Bij normale luchtdruk vormen ethanol en water een constant-kokend mengsel met ongeveer:
- 95,6 massaprocent ethanol
- 4,4 massaprocent water
Dit mengsel kookt bij ongeveer 78,2°C, net onder het kookpunt van zuivere ethanol (78,37°C).
Massaprocent geeft aan welk deel van de massa uit ethanol bestaat; volumeprocent beschrijft een aandeel van het volume. Deze percentages zijn niet onderling uitwisselbaar. Een productaanduiding als ‘96%’ kan daarom niet zonder de gebruikte meetbasis worden gelijkgesteld aan de azeotroopgrens.
Waarom is dit belangrijk?
Omdat dit azeotroop het laagste kookpunt in het mengsel heeft, gedraagt het zich anders dan een normaal mengsel:
- De samenstelling van de damp = samenstelling van de vloeistof
- Beide vloeistoffen verdampen samen in een vaste verhouding
- Extra destilleren verandert niets meer aan de zuiverheid.
Bij deze samenstelling levert gewone destillatie bij dezelfde druk geen verdere verrijking in ethanol op.
Waarom destillatie stopt bij het azeotroop
Destillatie berust op verschillen in vluchtigheid. Ethanol is normaal gesproken vluchtiger dan water, dus in de vroege stadia van destillatie neemt de ethanolzuiverheid gemakkelijk toe. Maar zodra het azeotroop wordt bereikt, verdwijnt dit scheidingsvermogen.
Het mengsel heeft dan het damp-vloeistof-evenwicht bereikt waarbij:
- Het kookpunt constant is
- De samenstelling constant is
- De damp niet langer “rijker” wordt aan ethanol
Langer verhitten of opnieuw destilleren doorbreekt dit azeotroop bij dezelfde druk niet. De grens ligt bij normale luchtdruk rond 95,6 massaprocent ethanol.
Waarom de industrie ethanol met een laag watergehalte nodig heeft
Voor sommige industriële processen is een zeer laag watergehalte nodig. Denk aan chemische synthese, coatings en analytisch werk. Afhankelijk van de toepassing worden extra eisen gesteld aan de zuiverheid en het maximale watergehalte.
- Absoluut ethanol (99–100%)
- Watervrij ethanol
- Watervrij ethanol voor vochtgevoelige reacties
Omdat gewone destillatie bij dezelfde druk dit azeotroop niet doorbreekt, gebruikt de industrie aanvullende scheidings- en droogmethoden, zoals:
- Moleculaire zeven
Poreuze vaste stoffen die watermoleculen adsorberen terwijl ethanol achterblijft.
Ze kunnen de ethanolzuiverheid verhogen tot meer dan 99,9%. - Azeotrope of extractieve destillatie
Hierbij wordt een derde stof (een entrainer) toegevoegd om het kookgedrag te veranderen en het azeotroop te doorbreken. - Vacuümdestillatie
Door de druk aan te passen veranderen de kookeigenschappen, wat helpt bij verdere scheiding.
Met aanvullende droging kunnen zeer lage watergehalten worden bereikt. De haalbare specificatie hangt af van het toegepaste proces.
Commercieel beschikbare standaardzuiverheden van Ethanol
Ethanol is verkrijgbaar in verschillende concentraties en kan daarnaast gedenatureerd zijn. De meest gebruikte commerciële concentraties zijn:
Ethanol 70%
Deze concentratie wordt veel toegepast in omgevingen waar een verdunde alcoholoplossing gewenst is, bijvoorbeeld voor algemene reiniging of laboratoriumtoepassingen waarbij een lagere alcoholsterkte voldoende is. Door de verhouding water–ethanol kan de vloeistof beter bepaalde oppervlakken bereiken dan hogere concentraties.
Ethanol 96%
Ethanol 96% is een gangbare handelsconcentratie. De betekenis van het percentage volgt uit de productspecificatie: massa- en volumepercentages mogen niet met elkaar worden verward. Deze concentratie is daarom niet zonder meer gelijk aan de samenstelling van het ethanol-waterazeotroop.
Samenvatting
Bij normale luchtdruk vormen ethanol en water een azeotroop bij ongeveer 95,6 massaprocent ethanol. Bij deze samenstelling hebben damp en vloeistof dezelfde verhouding, waardoor gewone destillatie bij dezelfde druk geen verdere verrijking in ethanol oplevert.
Het azeotroop heeft een iets lager kookpunt dan zuivere ethanol, waardoor het mengsel zich tijdens het koken gedraagt als één enkele stof.
Om ethanol verder te ontwateren, zijn aanvullende droog- of scheidingstechnieken nodig, zoals moleculaire zeven. De genoemde azeotroopsamenstelling geldt voor het ethanol-watermengsel bij normale luchtdruk.