Azeotropi: perché è difficile distillarli?

Nel mondo della distillazione industriale e del recupero dei solventi, un concetto importante da conoscere è quello degli azeotropi. Ma cosa sono esattamente? E perché rappresentano una sfida nella distillazione?

Cos’è un azeotropo?

Un azeotropo è una miscela di due o più liquidi che, pur essendo miscibili, si comportano in modo particolare durante la distillazione. A differenza delle normali miscele, che si separano in componenti distinti in base ai rispettivi punti di ebollizione, gli azeotropi mantengono una composizione costante sia nella fase liquida che nella fase vapore. Questo significa che, durante il processo di distillazione, la proporzione della miscela non cambia, impedendo la separazione completa dei suoi componenti.

Perché la distillazione semplice non funziona con gli azeotropi?

La distillazione semplice sfrutta la differenza dei punti di ebollizione dei liquidi per separare le sostanze. Tuttavia, con un azeotropo, i componenti della miscela evaporano e condensano insieme, senza che si verifichi una vera separazione. Questo avviene perché l’azeotropo raggiunge un equilibrio specifico in cui il vapore ha la stessa composizione del liquido, per cui diventa  impossibile ottenere una sostanza pura attraverso la distillazione semplice.

Un esempio classico è la miscela di etanolo e acqua. Quando si distilla una miscela di questi due liquidi, è possibile concentrare l’etanolo fino a circa il 95,6%, ma oltre questo punto si forma un azeotropo. A questa concentrazione, la miscela ha lo stesso rapporto tra etanolo e acqua sia nel liquido che nel vapore, rendendo impossibile ottenere etanolo puro solo con la distillazione semplice.

Al raggiungimento del punto azeotropico (95,6% di etanolo), la temperatura rimane costante e non si verifica più separazione tra i due componenti.

Gli azeotropi possono essere suddivisi in due categorie principali: azeotropi di minima e azeotropi di massima, a seconda delle loro caratteristiche di ebollizione.

Azeotropi di minima

Gli azeotropi di minima sono caratterizzati dal fatto che la miscela azeotropica ha una temperatura di ebollizione inferiore rispetto a quella di entrambi i componenti puri. Durante la distillazione, questa miscela si comporta in modo che il suo vapore sia più ricco del componente con il punto di ebollizione più basso.

Esempio:
Etanolo e acqua: Questa miscela forma un azeotropo di minima a una concentrazione di 95,6% di etanolo e 4,4% di acqua con una temperatura di ebollizione di circa 78,1°C. La miscela di minima ebollizione significa che, sotto questo punto, non è possibile separare completamente l’etanolo dall’acqua tramite distillazione semplice. In effetti, il vapore prodotto avrà sempre la stessa composizione del liquido azeotropico​.

Azeotropi di massima

Gli azeotropi di massima, al contrario, hanno una temperatura di ebollizione più alta rispetto a quella di entrambi i componenti puri. In questo caso, durante la distillazione, il vapore è più ricco del componente con il punto di ebollizione più alto. Queste miscele sono meno comuni rispetto agli azeotropi di minima.

Esempio:
Acido cloridrico e acqua: Questa miscela forma un azeotropo di massima a 20,2% di acido cloridrico e 79,8% di acqua con una temperatura di ebollizione di 110°C, superiore a quella dell’acqua (100°C) e molto più alta rispetto all’acido cloridrico (-84°C). Questo azeotropo, detto anche altobollente, è caratteristico di soluzioni esotermiche​.

Sia che si tratti di azeotropi di minima o di massima, la distillazione semplice non permette la separazione completa dei componenti, perché la composizione della fase liquida e della fase vapore è identica nel punto azeotropico.

Esempi di azeotropi:

Come si possono separare gli azeotropi?

Esistono tecniche avanzate per la separazione degli azeotropi, tra cui:

• Distillazione azeotropica: consiste nell’aggiungere un terzo componente alla miscela per rompere l’azeotropo.
• Distillazione a pressione variabile: modificando la pressione, è possibile cambiare le caratteristiche azeotropiche della miscela.
• Membrane per la separazione: utilizzate per filtrare i componenti sulla base delle loro dimensioni molecolari o affinità.

Questi metodi richiedono attrezzature e competenze specifiche, ma permettono di superare i limiti della distillazione semplice.