Polymermembranen für Gas-und Dampf-Trennung

Durch Dr. Johannes Carolus Jansen

Dr. Johannes Carolus (John) Jansen, Leiter einer Forschungsgruppe, Forschungsinstitut auf Membran-Technologie, ITM-CNR, c-/oUniversität von Kalabrien. Entsprechender Autor: jc.jansen@itm.cnr.it

Eine der größten Sorgen der modernen Gesellschaft ist, einen hohen Lebensstandard zu warten und eine nachhaltige Zukunft zu erstellen. In diesem Zusammenhang stellen wir einige Probleme gegenüber, die auf dem Bedarf am Energiesparenderen und umweltfreundlicheren Gebrauch von unseren beschränkten Mitteln in Verbindung gestanden werden.

Membrantechnologie wird als mögliche Alternative für aktuell verwendete Prozesse, wegen seines kleinen Abdruckes, seiner Energieeffizienz und seiner Modularbauweise [1,2] gesehen. Wichtige Trennungen, in denen Membrantechnologie möglicherweise eingesetzt wird, sind

H-/CO₂₂ trennung, zum des Wasserstoffs für Brennstoffzellen zu produzieren
CO-/N₂₂ trennung traf auf Rauchgas oder KalkofenAbgase für CO-₂ Absonderung zu
CO-/CH₂₄ trennung für Erdgasbehandlung oder für das Biogasausbauen
O-/N₂₂ trennung, zum des Sauerstoffes zu produzieren reicherte Luft oder reinen Stickstoff an. Bergung des Organischen Dampfes von der Luft an den Benzinstationen oder Bohrinseln durch Membranen verringern Emissionen auf der Atmosphäre und erhöhen Prozess-Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit.

Baumuster von Trennungs-Membranen

Die selektive Trennung von Gasen und/oder von Dämpfen benötigt Dünnfilme in der Lage sind, sich aufgrund von molekularen Eigenschaften zu trennen. Solche Membranen sind möglicherweise anorganisch und, wie Zeolith oder mesoporous Silikon porös und trennen sich auf der Grundlage von molekulare Abmessungen oder condensability der Durchdringungsspezies. Sie können, größtenteils für Wasserstofftrennung auf der Grundlage von die Möglichkeit metallisch sein, zum der chemischen Spaltungs- und Rekombinationsreaktion durchzumachen. Die geläufigste und reichlichste Gruppe von handelsüblichen Membranen wird durch die Polymermembranen gebildet und trennt sich auf der Grundlage von die so genannte Lösungdiffusion Vorrichtung.

Durchlässigkeit gegen Selektivität

Eine Beschränkung von Polymermembranen für Gas- und Dampftransport ist der so genannte Durchlässigkeitselektivität Kompromiss, zuerst et al. berichtet durch Robeson im Jahre 1991 [3] und dann weiter aktualisiert [4]. Dieser Kompromiss bestimmt im Allgemeinen, dass, wenn man nach neuen Materialien mit einer höheren Durchlässigkeit sucht, der Preis zu zahlen eine niedrigere Selektivität ist, und vice versa. Während er ursprünglich aufgrund von nur empirischen Erwägungen eingeführt wird, ein körperlicher Hintergrund dieses Kompromisses ist auch gegeben worden [5].

Trotz dieser tatsächlichen Beschränkung ist eins der Hauptziele für Forschung in den Polymermembranen für Gastrennung deshalb die Recherche nach Materialien geworden, die dieses obere Limit überschreiten. Molekulare Auslegungs- und Formungstechniken werden heutzutage einerseits verwendet um experimentelle Ergebnisse zu unterstützen und zu verstehen und andererseits um die Membranleistung [6] vorauszusagen.

Membran Entstehung

Die einfachste Methode der Polymermembranvorbereitung ist die zahlungsfähige Verdampfungsmethode, die von einer homogenen Polymerlösung abfährt und im Allgemeinen verhältnismäßig starke Membranen gibt. Diese sind für grundlegende Studien von Transportphänomenen gut, aber sie sind nicht für praktischen Gebrauch wegen ihres verhältnismäßig niedrigen Permeance sehr geeignet, umgekehrt proportional zur Dicke. Geläufige glasige oder gummiartige Polymere geben homogene dichte Filme, aber im Falle der Blockcopolymere, führt möglicherweise zahlungsfähige Verdampfung unter den ordnungsgemäßen Zuständen zu dreidimensionale Morphologien mit eindeutigen Transporteigenschaften [7].

Integral behäutete dichte Membranen mit einer dünnen selektiven Schicht können durch Phasenumkehr vorbereitet werden. In dieser Methode zuerst eingeführt durch Loeb und Sourirajan [8], wird eine Polymerlösung in Verbindung mit einem passenden inaktiven Lösungsmittel geholt und führt den Niederschlag des Polymers. Aktuell ist diese Methode noch mehr eine Kunst als eine Wissenschaft, aber unter den passenden Bedingungen hat die Membran, die gebildet wird, eine Oberschicht mit sorgfältig esteuerten Transporteigenschaften und eine poröse Stützschicht, die seinen mechanischen Widerstand bereitstellt. In der trocken-nassen Phasenumkehrmethode wird das Polymer nach kurzer Belastung durch die Luft geronnen und ultradünne Membranen möglicherweise werden mit einer effektiven Stärke unten zu CA 50 nm gebildet. [9]. In der so genannten trockenen Phasenumkehrmethode ist der Koagulationsschritt nicht anwesend und Phasenumkehr findet statt, weil das inaktive Lösungsmittel bereits in der Castinglösung anwesend ist und weniger flüchtig als das Lösungsmittel ist. Diese Methode gibt ein wenig weniger Regelung über der Stärke der selektiven Haut, die mit der trocken-nassen Methode [10] verglichen wird.

Zusammengesetzte Membranen werden gewöhnlich durch eine Nachbehandlung einer porösen Halterung, zum Beispiel durch Badbeschichtung mit einer verdünnten Polymerlösung und einer nachfolgenden zahlungsfähigen Verdampfung [11], durch Zwischenflächen- Polymerisierung der Phase [12] vorbereitet. Im Falle der Hohlfasern kann die zusammengesetzte Membran durch das direkte Spinnen mit einer dreifachen Öffnungsspinndüse [13] vorbereitet werden.

Feige. 1. Ultradünne Haut einer asymetrischen Membran [9]

Membranmaterialien

Die Anzahl von möglichen Membranmaterialien [14] ist fast unbegrenzt und schwankt von den in hohem Grade selektiven weniger durchlässigen glasigen polyimides und von den polyetherimides, zu den Polysulphonen und zu den polyethersulfones, zum in hohem Grade durchlässigen gummiartigen polydimethylsiloxane. Gummiartige Polymere sind im Allgemeinen, das durchlässiger als glasige Polymere ist und sind für verdichtbare Spezies selektiver.

Noch werden verhältnismäßig wenige Polymere industriell verwendet. Die Zelluloseester der ersten Generation sind noch, trotz ihrer sehr bescheidenen Trennungseigenschaften, wegen ihrer Robustheit und verhältnismäßig stabilen Leistung unter verschiedenen Bedingungen bemerkenswert populär. Vor kurzem es gibt zunehmenden Zinsen an den glasigen Polymeren des hohen Totraums wie PTMSP [15], polynorbornenes und in Verbindung stehende Polymere [16,17] und Polymere mit tatsächlicher Mikroporosität, [18,19] und hat ungewöhnlich hohe Durchlässigkeit und ähnliche Lösungsselektivität als die gummiartigen Polymere.

Ein anderes aber eng verwandtes Thema ist die Pyrolyse von polymerischen Vorläufermembranen für Produktion von in hohem Grade durchlässigen und selektiven Kohlenstoffmembranen [20]. Glasige perfluoropolymers Mähdrescher wie der Teflon- AF [21] oder Hyflon-ANZEIGE [6] ein hohen Totraum mit einem hohen Widerstand zu den meisten organischen Dämpfen [22], öffnende Perspektiven für mehr fordernde Anwendungen.

Versucht, die Leistungsgrenzen auf reine organische Polymere zu überschreiten, definiert durch das obere Limit Robeson, haben geführt zu die umfangreiche Studie von MischGrundmasse-Membranen [23,24], in denen normalerweise anorganische poröse Einfüllstutzen in der polymerischen Grundmasse zerstreut werden. Auch dichte Einfüllstutzen möglicherweise beeinflussen die Transporteigenschaften positiv [25]. In diesen Anlagen ist die bedeutende Herausforderung, gute Kompatibilität zwischen den verschiedenen Materialien zu erzielen.

Transportphänomene/Vorrichtungen

Transport von Gasen und von Dämpfen in den dichten Polymermembranen wird normalerweise durch die Lösungdiffusion Vorrichtung [26] geregelt. Die ideale Selektivität, a_i,j, ist das Verhältnis zwischen der Durchlässigkeit der Spezies I und J und besteht einem Diffusionsausdruck und aus einem Löslichkeitsausdruck:

Selektivität in den gummiartigen Polymeren ist im Allgemeinen die gesteuerte Löslichkeit, während in den glasigen Polymeren es normalerweise die gesteuerte Diffusion ist. Eine Ausnahme wird durch einige hohe Totraumpolymere wie PTMSP, Pims Usw. dargestellt, die möglicherweise die Rückselektivität aufweisen, die für Gummis typisch ist. In der Mehrheit der Fälle ist die Mischgasselektivität niedriger als die ideale Selektivität, obgleich in diesen hohen Totraumpolymeren selektive Kondensation möglicherweise der durchlässigeren verdichtbareren Spezies die weniger durchlässigen Spezies effektiv blockieren und folglich höhere Selektivität als die ideale Selektivität aufweist. Wenn man Ergebnisse vergleicht, muss Sorgfalt angewendet werden, dass diese möglicherweise etwas von der spezifischen verwendeten Maßtechnik abhängen [27]. Verzögerungsmaße sind besonders stark, da sie Durchlässigkeits- und Ausbreitungsvermögendaten liefern. Wenn sie sorgfältig durchgeführt werden, decken möglicherweise sie ungewöhnliche Phänomene, wie das Bündeln von Alkoholen in perfluoropolymer Membranen auf [28].

Ein spezieller Fall ist ermöglichter Transport, in dem spezielle Zusätze oder Funktionsgruppen in der Membran aktiv und selektiv den Transport von einem der Spezies in einer Mischung erhöhen. Beispiele sind ermöglichter Transport von Olefinen durch silberne Salze [29] oder CO₂ durch Aminpeilung Gruppen [30]. Aktuell empfangen Ionenflüssigkeiten besonderes Interesse [31] wie Zusätze, Gastransport zu erhöhen. Verschiedene Techniken werden studiert, um stabile Membranen [32,33,34] zu erhalten.

Feige. 2. Wechselbeziehung des kritischen Volumens des Durchdringungsmittels und die Transporteigenschaften einer flüssigen Gelionenmembran mit 80% von IL.

Der Totraum spielt eine Schlüsselrolle im Transport durch dichte Polymermembranen und seine Kenntnisse sind für das Verständnis der Membranleistung wichtig. Die Verschiedenen prüfenden Techniken, basiert auf den experimentellen oder Computermethoden, können eine genaue Abbildung der FV-Verteilung in den Membranmaterialien [35] geben. Glasige Polymere sind in einem nicht Gleichgewichtszustand und körperliche Aushärtung führt zu eine Reduzierung des Totraums [36] und als Folge der Durchlässigkeit, begleitet von einer Zunahme der Selektivität [37]. Dieser Effekt ist in den Dünnfilmen [38] schneller und die asymetrischen Membranen, die durch Phasenumkehr vorbereitet werden, können eine beträchtlich höhere Selektivität als die entsprechenden Dickfilme [9] deshalb haben.

Der Bedarf an den besseren Membranen und an den Membranmaterialien wird offenbar gezeigt, indem man von verschiedenen Sonderprojekten und von Netzen unter dem EUs' Rahmenprogramme [39] finanziert.

Bezüge

1. P. Bernardo, G. Golemme, E. Drioli, Ind. Eng. Chem. Res. 48 (2009) 4638.

2. R.W. Bäcker, Ind. Eng. Chem. Res. 41 (2002) 1393.

3. L.M. Robeson, J. Membr. Sci. 62 (1991) 165.

4. L.M. Robeson, J. Membr. Sci. 320 (2008) 390.

5. B.D. Freeman, Makromoleküle 32 (1999) 375.

6. M. Macchione, J.C. Jansen, G. De Luca, E. Tocci, M. Longeri, E. Drioli, Polymer 48 (2007) 2619.

7. K. - V Peinemann, M. Konrad, V. Abetz, Entsalzen, 199 (2006) 124.

8. S. Loeb, S. Sourirajan, Adv. Chem., 28 (1963) 117.

9. J.C. Jansen, M.G. Buonomenna, A. Figoli, E. Drioli, J. Membrane Sci., 272 (2006) 188.

10. J.C. Jansen, M. Macchione und E. Drioli, J. Membr. Sci., 255 (2005), 167.

11. J.C. Jansen, F. Tasselli, E. Tocci, E. Drioli, Entsalzen, 192 (2006) 207.