Membranas Poliméricas para la Separación del Gas y del Vapor

Por el Dr. Juan Carolus Jansen

El Dr. Juan Carolus (Juan) Jansen, Investigador Sénior, Instituto de Investigación en la Tecnología de la Membrana, ITM-CNR, Universidad de c/o de Calabria. Autor Correspondiente: jc.jansen@itm.cnr.it

Una de las mayores preocupaciones de la sociedad moderna es mantener un alto nivel de vida y crear un futuro sostenible. En este contexto estamos haciendo frente a varios problemas relacionados con la necesidad de un uso más económico de energía y más respetuoso del medio ambiente de nuestros recursos limitados.

La tecnología de la Membrana se considera como opción potencial para los procesos actualmente usados, debido a su pequeña huella, su rendimiento energético y su diseño modular [1,2]. Las separaciones Importantes donde la tecnología de la membrana puede ser utilizada están

  • Separación22 de H/CO para producir el hidrógeno para las pilas de combustible
  • La separación22 de CO/N se aplicó al humo o a los gas de escape del horno de la cal para el secuestro2 del CO
  • Separación24 de CO/CH para el tratamiento del gas natural o para el aumento del biogás
  • La separación22 de O/N para producir el oxígeno enriqueció el aire o el nitrógeno puro. La recuperación del vapor Orgánico del aire en las estaciones de gasolina o las plataformas petroleras por las membranas reduce emisiones a la atmósfera y aumenta eficiencia y economía de proceso.

Tipos de Membranas de la Separación

La separación selectiva de gases y/o de vapores requiere las películas finas puede separarse en base de propiedades moleculares. Tales membranas pueden ser inorgánicas y porosas, por ejemplo las zeolitas o el sílice mesoporous, separándose en base de dimensiones o del condensability moleculares de la especie de la impregnación. Pueden ser metálicas, sobre todo para la separación del hidrógeno en base de la posibilidad para experimentar la reacción química de la hendidura y de la recombinación. El grupo más común y más abundante de membranas disponibles en el comercio es formado por las membranas poliméricas, separándose en base del supuesto mecanismo de la solución-difusión.

Permeabilidad comparado con Selectividad

Una limitación de las membranas poliméricas para el transporte del gas y del vapor es el supuesto equilibrio de la permeabilidad-selectividad, primero señalado por Robeson y otros en 1991 [3] y después puesto al día más lejos [4]. Este equilibrio determina básicamente que si uno está buscando los nuevos materiales con una permeabilidad más alta, el precio a pagar es una selectividad más inferior, y vice versa. Mientras Que están introducidos originalmente en base de consideraciones empíricas solamente, los antecedentes físicos de este equilibrio también se han dado [5].

A pesar de esta limitación intrínseca, una de las metas principales para la investigación en las membranas poliméricas para la separación del gas por lo tanto se ha convertido en la búsqueda para los materiales que exceden este salto superior. Las técnicas Moleculares del diseño y del modelado se utilizan hoy en día, por una parte, para utilizar y para entender conclusión experimentales y, por otra parte, para predecir el funcionamiento de membrana [6].

Formación de la Membrana

La manera más simple de preparación polimérica de la membrana es el método solvente de la evaporación, que empieza con una solución homogénea del polímero y da generalmente las membranas relativamente gruesas. Éstos son buenos para los estudios fundamentales de los fenómenos de transporte, pero no son muy convenientes para el uso práctico debido a su permeancia relativamente inferior, inverso proporcional al espesor del film. Los polímeros vidriosos o con la consistencia del caucho Comunes dan las películas densas homogéneas, pero en el caso de los bloque-copolímeros, la evaporación solvente bajo condiciones apropiadas puede llevar a las morfologías tridimensionales con las propiedades de transporte únicas [7].

Las membranas densas Integralmente peladas con una capa selectiva fina se pueden preparar por la inversión de fase. En este método, primero introducido por Loeb y Sourirajan [8], una solución del polímero se trae en contacto con un no disolvente apropiado, llevando la precipitación del polímero. Actualizado este método sigue siendo más un arte que una ciencia, pero bajo condiciones apropiadas la membrana formada tendrá una capa superior con las propiedades de transporte cuidadosamente controladas y una capa porosa del soporte que proporciona a su resistencia mecánica. En el método seco-mojado de la inversión de fase, el polímero se coagula después de la exposición corta al aire y las membranas ultrafinas se pueden formar con un espesor efectivo hacia abajo a CA 50 nanómetro. [9]. En el supuesto método seco de la inversión de fase el paso de progresión de la coagulación no está presente y la inversión de fase ocurre porque el no disolvente está ya presente en la solución del bastidor moldeado y es menos volátil que el disolvente. Este método da algo menos mando sobre el espesor de la piel selectiva comparada al método seco-mojado [10].

Las membranas Compuestas son preparadas típicamente por un tratamiento del poste de un soporte poroso, por ejemplo por la declive-capa con una solución diluída y una evaporación solvente subsiguiente [11] del polímero, por la polimerización de cara a cara de la fase [12]. En el caso de fibras huecos la membrana compuesta se puede preparar por el giro directo con una hilera triple del orificio [13].

Fig. 1. piel Ultrafina de una membrana asimétrica [9]

Materiales de la Membrana

El número de los materiales posibles de la membrana [14] es casi infinito y varía de polyimides y de polyetherimides vidriosos menos permeables altamente selectivos, a las polisulfonas y a los polyethersulfones, al polydimethylsiloxane con la consistencia del caucho altamente permeable. Los polímeros Con La Consistencia Del Caucho son en el general más permeable que los polímeros vidriosos y son más selectivos para la especie condensable.

Todavía relativamente pocos polímeros se utilizan industrial. Los ésteres de celulosa de la primera generación siguen siendo notable populares, a pesar de sus propiedades muy modestas de la separación, debido a su robustez y funcionamiento relativamente estable bajo diversas condiciones. Más recientemente hay un interés cada vez mayor en altos polímeros vidriosos del volumen libre como PTMSP [15], los polynorbornenes y los polímeros relacionados [16,17] y los polímeros con microporosidad intrínseca, [18,19], teniendo permeabilidades inusualmente altas y selectividad similar de la solución como los polímeros con la consistencia del caucho.

Un tema diverso pero estrechamente vinculado es la pirolisis de las membranas poliméricas del precursor para la producción de las membranas altamente permeables y selectivas del carbón [20]. Perfluoropolymers Vidriosos como cosechadora del ANUNCIO del Teflon AF [21] o de Hyflon [6] al alto volumen libre con una alta resistencia a la mayoría de los vapores orgánicos [22], perspectivas de apertura para más aplicaciones exigentes.

Tentativa exceder los límites de funcionamiento de polímeros orgánicos puros, definidos por el salto superior de Robeson, han llevado al estudio extenso de las Membranas Mezcladas de la Matriz [23,24], en las cuales los rellenadores porosos generalmente inorgánicos se dispersan en la matriz polimérica. También los rellenadores densos pueden influenciar las propiedades de transporte positivo [25]. En estos sistemas el reto mayor es lograr buena compatibilidad entre los diversos materiales.

Fenómenos de Transporte/Mecanismos

El Transporte de gases y de vapores en membranas poliméricas densas es regulado normalmente por el mecanismo de la solución-difusión [26]. La selectividad ideal, ai,j, es la relación de transformación entre la permeabilidad de la especie i y j, y consiste en un término de la difusión y un término de la solubilidad:

La Selectividad en polímeros con la consistencia del caucho es generalmente solubilidad controlada, mientras que en polímeros vidriosos es generalmente difusión controlada. Una anomalía es representada por algunos altos polímeros del volumen libre como PTMSP, PIMs Etc., que pueden exhibir la selectividad reversa típica para los cauchos. En la mayoría de los casos la selectividad mezclada del gas es más inferior que la selectividad ideal, aunque en estos altos polímeros del volumen libre la condensación selectiva de la especie más condensable más permeable pueda cegar efectivo la especie menos permeable y exhibir así una selectividad más alta que la selectividad ideal. Al comparar resultados, el cuidado debe ser tomado que éstos pueden depender ligeramente de la técnica de medición específica usada [27]. Las mediciones del retraso de Tiempo son determinado potentes puesto que proporcionan a datos de la permeabilidad y de la difusibilidad. Cuando están realizados con cuidado, pueden revelar fenómenos inusuales, tales como el agrupamiento de alcoholes en las membranas del perfluoropolymer [28].

Un caso especial es el transporte facilitado, en el cual los añadidos especiales o los grupos funcionales en la membrana activamente y aumentan selectivamente el transporte de uno de la especie en una mezcla. Los Ejemplos son transporte facilitado de olefinas al lado de las sales de plata [29], o CO2 al lado de los grupos del amina-rodamiento [30]. Los líquidos iónicos están recibiendo Actualmente el interés determinado [31] como los añadidos de aumentar transporte del gas. Diversas técnicas se estudian para obtener las membranas estables [32,33,34].

Fig. 2. Correlación del volumen crítico del penetrante y las propiedades de transporte de una membrana líquida iónica del gel con el 80% de IL.

El volumen libre desempeña un papel dominante en el transporte a través de las membranas densas del polímero y su conocimiento es importante para la comprensión del funcionamiento de membrana. Diversas técnicas de sondeo, sobre la base de métodos experimentales o de cómputo, pueden dar un retrato exacto de la distribución de FV en los materiales de la membrana [35]. Los polímeros Vidriosos están en no un estado de equilibrio y el envejecimiento físico lleva a una reducción del volumen libre [36], y como consecuencia de la permeabilidad, acompañada por un aumento en la selectividad [37]. Este efecto es más rápido en las películas finas [38] y las membranas asimétricas preparadas por la inversión de fase pueden por lo tanto tener una selectividad importante más alta que las películas gruesas correspondientes [9].

La necesidad de mejores membranas y materiales de la membrana es demostrada sin obstrucción financiando de diversos proyectos específicos y redes bajo programas de base del EUs los' [39].


Referencias

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Date Added: Apr 4, 2012 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 16. June 2013 05:51

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