Lotne substancje organiczne (LSO), w węższym znaczeniu używanym w technologii chemicznej i ochronie środowiska, to takie (zazwyczaj ciekłe) związki organiczne, stosowane w procesach technologicznych oraz będące w powszechnym użyciu (np. płyny chłodnicze w lodówkach czy benzyna ), które wskutek parowania mogą powodować straty materiałowe w produkcji lub/i szkodzić środowisku naturalnemu przenikając jako zanieczyszczenia do atmosfery. Łatwo przenoszone na duże odległości i rozprzestrzeniające się na znaczne obszary zanieczyszcenia atmosfery mogą stanowić zagrożenie nawet w skali globalnej.Według ocen różnych badaczy, emsja do atmosfery LSO z źródeł antropogennych (t.j . związanych z działalnością człowieka) na początku lat 90-tych, w skali światowej, wynosiła od 25 do 50 mln t /rok. Około 1/2 tej ilości przypada na przemysł, a ok. 1/3 na transport.

Do największych zagrożeń wywołanych emisją LSO należy niszczenie warstwy ozonowej Ziemi przez niektóre organiczne związki chloropochodne, fluorochloropochodne (freony) i fluorochlorobromopochodne (halony). Od ponad czterdziestu lat substancje te były na szeroką skalę stosowane jako czynniki chłodnicze w instalacjach domowych i przemysłowych, jako środki spieniające przy produkcji polimerów, środki rozpylające w preparatach aerozolowych, płyny gaśnicze oraz jako rozpuszczalniki. Wykrycie w początkach lat osiemdziesiątych niszczenia prez nie warstwey ozonowej, niosącego skutki o zasięgu globalnym, spowodowało w efekcie zawarcie w 1987r międzynarodowego układu , zwanego Protokołem Montrealskim, ustalającego rodzaje LSO szkodliwych dla warstwy ozonowej oraz terminy przerwania ich produkcji i całkowitego wycofania z użycia. Od 1993 r. Polska jest też sygnateriuszem Protokołu Montrealskiego.

Innym rodzajem LSO, których emisja do atmosfery może mieć wpływ na ocieplenie klimatu wywołane t.zw. efektem cieplarnianym są węglowodory. Ich źródłem są wszystkie objekty związane z wydobyciem lub/i wytwarzaniem, składowaniem, przesyłaniem i użytkowaniem paliw gazowych i płynnych, przede wszystkim gazu ziemnego i benzyny. 

W procesach przemysłowych wiele ciekłych produktów pośrednich, kierowanych do dalszego przerobu, i surowych nieoczyszconych ścieków to wodne roztwory LSO. Używane jako reagenty w procesach przemysłu chemicznego i rafineryjnego oraz jako rozpuszczalniki także w innych dziedinach gospodarki, LSO obejmują liczną grupę związków, zróżnicowanych pod względem własności fizycznych i chemicznych, ceny oraz stopnia i rodzaju szkodliwości dla otoczenia. Oprócz wyżej wspomnianych węglowodorów i ich fluorowcopochodnych należą tu alkohole, ketony, estry, etery, aminy, fenole i szereg innych rodzajów związków. Również stężenie LSO w wodzie może się zmieniać w szerokich granicach. Wszystkie te aspekty są brane pod uwagę przy wyborze sposobu traktowania LSO zawartych w wodach poprodukcyjnych. Można tu wyróżnić dwa sposoby ogólne :

( I ) - polegający na rozkładzie LSO metodami biologicznymi bezpośrednio w środowisku wodnym, bez wydzielania,

( II ) - obejmujący wydzielanie LSO wybranymi metodami fizykochemicznymi w celu ich ponownego wykorzystania bądź zniszczenia przez spalenie.

Sposoby rodzaju ( I ) stosuje się do LSO będących odpadami produkcyjnymi, ze względów technologocznych lub/i ekonomicznych nie nadającymi się do dalszego praktycznego wykorzystania. Informacje o metodach biologicznych oczyszczania ścieków są podane w Rozdz. 5.3 “Podręcznika do ćwiczeń z technologii chemicznej” ^{[1 ]} .
Zachowawcze sposoby rodzaju ( II ) stosuje się przede wszystkim do LSO mających wartość jako uboczne produkty procesu lub nadających się do ponownego w nim wykorzystania (recyklingu). Niekiedy też, przy bardzo dużej zawartości odpadowych LSO w ściekach, najpierw wydziela się je metodami zachowawczymi, a następnie niszczy przez spalenie.

Do zachowawczego wydzielania LSO z wodnych płynów poprodukcyjnych i ścieków stosuje się klasyczne operacje rozdzielcze inżynierii chemicznej : adsorpcję, ekstrakcję i destylację, w różnych ich odmianach. Ostatnio też, praktyczne zastosowanie w tej dziedzinie znalazła perwaporacja - jedna z nowoczesnych membranowych metod rozdzielania mieszanin. 

O szczegółowym wyborze określonej metody i warunków jej prowadzenia decydują w pierwszej kolejności : 

1) rodzaj LSO (właściwości chemiczne i fizyczne), 
2) stężenie LSO w strumieniu wodnym, 
3) wielkość odprowadzanego strumienia zawierającegoLSO.

Przy wydzielaniu składników użytecznych należy też uwzględnić ich termostabilność. 

Granice stosowalności poszczegolnych metod ze względu na stężenie i wielkość strumienia są pokazane na Rys.1. 
 
 

Perwaporacja należy do membranowych metod rozdzielania mieszanin. W tej metodzie ciekła mieszanina podlegająca rozdziałowi styka się z ciągłą ( nieporowatą ) membraną polimerową, po drugiej stronie której, w przestreni parowej, panuje ciśnienie mniejsze od ciśnienia pary nasyconej odpowiedającego aktualnemu składowi i temperaturze mieszaniny ciekłej. Ta różnica ciśnień jest siłą napędową procesu, powodującą parowanie cieczy przez membranę. Efekt rozdzielenia mieszaniny jest wynikiem niejednakowej rozpuszczalności par poszczególnych składników w materiale membrany i niejednakowej szybkości ich dyfuzji przez membranę do przestrzeni parowej. 

    Główne elementy urządzenia do perwaporacji przedstawia uproszczony schemat na Rys. 2. Obszerniejsze informacje na temat perwaporacji (i innych metod membranowych) można znależć n.p. w podręcznikach Seleckiego i Gawrońskiego ^[3] lub Rautenbacha ^[4].

Odpędzanie w strumieniu gazu (najczęściej powietrza) lub pary wodnej należy do najbardziej rozpowszechnionych metod zachowawczych usuwania LSO z ścieków i innych wodnych płynów poprodukcyjnych. Proces z zastosowaniem pary wodnej, szczególnie nasyconej, nazywa się w skrócie przeparowaniem. Jak pokazuje Rys. 1, przeparowanie ma najszersze zastosowanie w przypadku dużych strumieni i średnich stężeń LSO. Jego zalety stanowią: przeciwprądowe, ciągłe prowadzenie procesu oraz prostota aparatury. Przeparowanie jest szczególnie użyteczne w zastosowaniu do LSO, które po skropleniu oparów rozwarstwiają się z wodą tworząc osobną 
 
 

Rys. 3 Ogólny schemat instalacji przeparowywania wodnych produktów odpadowych

organiczną fazę ciekłą. Główne elementy aparatury do przeparowania są pokazane na Rys. 3. Ciekły surowiec jest tłoczony pompą (1) przez podgrzewacz parowy (3) na szczyt kolumny przeparnikowej (5). Zazwyczaj jest to kolumna z wypełnieniem. Woda procesowa podawana jest pompą (2) do kotła parowego (4). Wytworzoną parę wprowadza się na spód kolumny, pod warstwę wypełnienia. Strumień oparów wzbogacony w LSO odprowadza się ze szczytu kolumny i w całości skrapla w chłodnicy (6). Destylat, po ochłodzeniu dwufazowy, zbiera się w odbieralniku-rozdzielaczu (8), z którego osobno odrpowadza się fazę organiczną i fazę wodną. Przeparowany, pozbawiony LSO, produkt odpływa z dołu kolumny przez chłodnicę (7).

Operację przeparowania opisuje się jako szczególną, uproszczoną odmianę rektyfikacji prowadzonej z użyciem kolumny bez deflegmatora i bez kotła. Ogólny opis pracy kolumny rektyfikacyjnej o działaniu ciągłym jest podany m.in. w rozdz. 2.2 podręcznika do ćwiczeń^[1]. 
 
 

Stosując te same oznaczenia wielkości, uzyskamy dla kolumny przeparnikowej schemat przepływu strumieni materiałowych podany na Rys.4. oraz, odpowiednio, równanie bilansu materiałowego całości
V0 + S = D + W [1]
bilansu cząstkowego składnika bardziej lotnego (LSO)
S x_S = D y_D + W x_W [2]
i bilansu energetycznego całości
V₀ i^’_V + S i_S = D i^’_D + W i_W [3]
gdzie molowe przepływy , wyrażone w [kmol/godz], oznaczają : V₀ - strumień pary wodnej (procesowej), S - strumień ciekłej surówki, D - strumień pary destylatu wzbogaconej w LSO, W - strumień cieczy wyczerpanej (t.j. przeparowanego surowca); x, y oznaczają odpowiednio ułamki molowe LSO w cieczy i w parze (UWAGA: dla czystej pary wodnej y_V = 0; molowe entalpie (wyrażone w [kJ/kmol]) cieczy są oznaczone jako i, pary jako  i^’

Przyjmując upraszczające założenia odnośnie: a) stałości entalpii strumieni cieczy i pary oraz b) stałości natężenia przepływu tych strumieni w obrębie całej kolumny (t.j. W = S i D = V₀ ), uzyskamy z wzorów [1] i [2] równanie linii operacyjnej kolumny przeparnikowej
y = [S / V₀] x - [W / V₀] x_{W .} [4]
Na wykresie równowagi ciecz - para, w układzie współrzędnych {y, x} będzie to tylko jedna linia operacyjna, gdyż kolumna przeparnikowa pod względem funkcjonalnym odpowiada tylko części wyczerpującej normalnej kolumny rektyfikacyjnej. Linia operacyjna [4] przebiega między punktami {0, x_W} na osi odciętych i {y_D, x_S}, z nachyleniem arctg[S/V₀]. Typowy wykres izobarycznej równowagi ciecz - para w układzie heteroazeotropowym jest pokazany na Rys. 5. 

Jego powiększony fragment na Rys.6 ilustruje zastosowanie graficznej metody Mc Cabe’a i Thielego do wyznaczania liczby półek teoretycznych w kolumnie przeparnikowej. Liczbę półek teoretycznych wyznacza się bądź podczas projektowania nowej kolumny przeparnikowej, w oparciu o z góry zadane niezbędne wielkości projektowe, bądź podczas testowania już istniejącego urządzenia, w celu określenia jego sprawności, w oparciu o doświadczalne parametry ruchowe kolumny, zazwyczaj zmierzone przy użyciu odpowiedniej mieszaniny wzorcowej. W przypadku projektowania wielkościami zadanymi są: strumień masowy surówki (S), strumień masowy pary (V₀), skład surówki (x_S) oraz skład cieczy wyczerpanej (x_W), t.j. resztkowa zawartość LSO w przeparowanym produkcie. Linię operacyjną prowadzi się (patrz Rys.6) jako prostą o wyżej podanym nachyleniu, od punktu x_Wna osi odciętych do punktu A o odciętej x = x_S. Odpowiada on szczytowi kolumny, na którym ogrzana do temperatury wrzenia surówka mija się z nasyconymi LSO oparami odprowadzanymi do chłodnicy. Punkt B na przekątnej wykresu i w obrębie luki mieszalności odpowiada chłodnicy, w której opary o składzie y_D ulegają całkowitemu skropleniu tworząc dwufazowy destylat o średnim składzie x_D, rozwarstwiający się na fazę wodną o składzie x_D’ i fazę wzbogaconą w LSO, o składzie x_D”. Prowadząc z punktu A łamaną linię schodkową między linią operacyjną i krzywą równowagi do osiągnięcia punktu x_W wyznacza się liczbę stopni teoretycznych. W przykładzie na Rys.6 wyniosła ona 3 stopnie. 

Oprócz założeń upraszczających przyjmowanych w samej metodzie Mc Cabe’a i Thielego, w wyżej podanym przykładzie, dla prostoty opisu równowagi ciecz - para, potraktowano surowiec jako dwuskładnikowy układ heteroazeotropowy LSO - woda. W praktycznych zastosowaniach tej metody trzeba zawsze mieć na uwadze, że wodne produkty odpadowe mogą zawierać kilka lotnych substancji organicznych oraz także rozpuszczone substancje nielotne, zarówno organiczne jak i nieorganiczne. W obecności nielotnych substanscji względna lotność pozostałych składników roztworu zmienia się i to niekiedy bardzo znacznie. Ten efekt, stanowiący podstawę procesu destylacji ekstrakcyjnej, trzeba również uwzględniać w projektowaniu procesów przeparowania. Surowiec przerabiany w doświadczalnej części tego ćwiczenia jest właśnie takim roztworem LSO zawierającym składnik nielotny.

1. Podręcznik do ćwiczeń z technologii chemicznej, pr. zbior. pod red. nauk. 
T.Kasprzyckiej-Guttman, Wyd. Uniwersytetu Warszawskiego, 1996.
2. Serwiński M., Zasady inżynierii chemicznej i procesowej, Wyd. 3, WNT,Warszawa, 1982
3. Selecki A., Gawroński R., Podstawy projektowania wybranych procesów rozdzielania mieszanin, WNT, Warsszawa, 1992.
4. Rautenbach R., Procesy membranowe, WNT, Warszawa, 1996.