Membrane Polimeriche per la Separazione del Vapore e del Gas

Da Dott. Johannes Carolus Jansen

Dott. Johannes Carolus (John) Jansen, Ricercatore Senior, Istituto Di Ricerca Su Tecnologia della Membrana, ITM-CNR, Università di c/o della Calabria. Autore Corrispondente: jc.jansen@itm.cnr.it

Uno dei principali preoccupazione della società moderna è di mantenere un alto tenore di vita e di creare un futuro sostenibile. In questo contesto stiamo affrontando una serie di problemi relativi all'esigenza di uso più di ottimo rendimento e più rispettoso dell'ambiente delle nostre risorse limitate.

La tecnologia della Membrana è veduta come alternativa potenziale per i trattamenti corrente usati, a causa della sua piccola orma, del suo rendimento energetico e della sua progettazione modulare [1,2]. Le separazioni Importanti dove la tecnologia della membrana può essere usata sono

Separazione₂₂ di H/CO per produrre idrogeno per le pile a combustibile
La separazione₂₂ di CO/N si è applicata al gas di combustione o ai gas di scarico del forno della calce per il sequestro₂ di CO
Separazione₂₄ di CO/CH per il trattamento del gas naturale o per il miglioramento del biogas
La separazione₂₂ di O/N per produrre l'ossigeno ha arricchito l'aria o l'azoto puro. Il ripristino del vapore Organico da aria alle stazioni di benzina o le piattaforme petrolifere dalle membrane riduce le emissioni all'atmosfera e migliora il risparmio di temi e l'economia trattati.

Tipi di Membrane di Separazione

La separazione selettiva di gas e/o di vapori richiede le pellicole sottili può separare in base ai beni molecolari. Tali membrane possono essere inorganiche e porose, quali le zeoliti o la silice mesoporous, separando in base alle dimensioni o al condensability molecolari delle specie di pervasione. Possono essere metalliche, principalmente per la separazione dell'idrogeno in base alla possibilità per subire la reazione chimica di ricombinazione e di fenditura. Il gruppo più comune e più abbondante di membrane disponibili nel commercio è costituito dalle membrane polimeriche, separanti in base al cosiddetto meccanismo della soluzione-diffusione.

Permeabilità contro Selettività

Una limitazione delle membrane polimeriche per il trasporto del vapore e del gas è la cosiddetta compensazione di permeabilità-selettività, in primo luogo riferita da Robeson et al. nel 1991 [3] ed allora più ancora aggiornato [4]. Questa compensazione determina basicamente che se una sta cercando i nuovi materiali con un'più alta permeabilità, il prezzo da pagare è una selettività più bassa e vice versa. Mentre originalmente presentato in base alle considerazioni empiriche soltanto, un contesto fisico di questa compensazione egualmente è stato dato [5].

Malgrado questa limitazione intrinseca, uno degli obiettivi principali per la ricerca in membrane polimeriche per la separazione del gas quindi si è trasformato nella ricerca dei materiali che superano questo limite superiore. Le tecniche Molecolari di modellistica e di progettazione al giorno d'oggi sono usate, da un lato, per supportare e capire i risultati sperimentali e, d'altra parte, per predire di comportamento delle membrane [6].

Formazione della Membrana

Il modo più semplice del preparato polimerico della membrana è il metodo solvente di evaporazione, che comincia da una soluzione omogenea del polimero e generalmente dà le membrane relativamente spesse. Questi sono buoni per gli studi fondamentali sui fenomeni di trasporto, ma non sono molto adatte ad uso pratico a causa della loro permeabilità relativamente bassa, inversamente proporzionale allo spessore di pellicola. I polimeri vetrosi o gommosi Comuni danno le pellicole dense omogenee, ma nel caso dei blocco-copolimeri, l'evaporazione solvente nelle circostanze adeguate può piombo alle morfologie tridimensionali con i beni di trasporto unici [7].

Le membrane dense Integralmente pelate con un livello selettivo sottile possono essere preparate da inversione di fase. In questo metodo, in primo luogo introdotto da Loeb e da Sourirajan [8], una soluzione del polimero è portata in contatto con un non solvente appropriato, piombo la precipitazione del polimero. Aggiornato questo metodo è ancora più un'arte che una scienza, ma nelle circostanze appropriate la membrana formata avrà un livello superiore con i beni di trasporto con attenzione controllati e un livello poroso di sostegno che fornisce la sua resistenza meccanica. Nel metodo asciutto-bagnato di inversione di fase, il polimero è coagulato dopo l'esposizione di scarsità all'aria e le membrane ultrasottili possono essere formate con un efficace spessore giù al CA 50 nanometro. [9]. Nel cosiddetto metodo asciutto di inversione di fase il punto di coagulazione non è assente e l'inversione di fase ha luogo perché il non solvente è già presente nella soluzione della colata ed è meno volatile che il solvente. Questo metodo dà piuttosto meno controllo sopra lo spessore dell'interfaccia selettiva confrontata al metodo asciutto-bagnato [10].

Le membrane Composite sono preparate tipicamente da un dopo trattamento di un supporto poroso, per esempio dal immersione-rivestimento con una soluzione diluita del polimero e un'evaporazione solvente successiva [11], tramite polimerizzazione interfacciale di fase [12]. Nel caso delle fibre cave la membrana composita può essere preparata dalla filatura diretta con una filiera tripla dell'orifizio [13].

Fig. 1. interfaccia Ultrasottile di una membrana asimmetrica [9]

Materiali della Membrana

Il numero dei materiali possibili della membrana [14] è quasi infinito e varia dai polyimides e dai polyetherimides vetrosi meno permeabili altamente selettivi, ai polisolfoni e ai polyethersulfones, a polydimethylsiloxane gommoso altamente permeabile. I polimeri Gommosi sono in generale più permeabile dei polimeri vetrosi e sono più selettivi per le specie condensabili.

Ancora relativamente pochi polimeri sono usati su scala industriale. Gli esteri di cellulosa della prima generazione sono ancora notevolmente popolari, malgrado i loro beni molto modesti della separazione, a causa della loro robustezza e prestazione relativamente stabile in circostanze varie. Più recentemente c'è un interesse aumentante in alti polimeri vetrosi del volume libero come PTMSP [15], polynorbornenes e polimeri relativi [16,17] e polimeri con la microporosità intrinseca, [18,19], avendo le permeabilità insolitamente elevate e simile selettività della soluzione come i polimeri gommosi.

Un argomento differente ma strettamente connesso è la pirolisi delle membrane polimeriche del precursore per produzione delle membrane altamente permeabili e selettive del carbonio [20]. Perfluoropolymers Vetrosi come associazione dell'ANNUNCIO del Teflon AF [21] o di Hyflon [6] un alto volume libero con un'alta resistenza alla maggior parte dei vapori organici [22], prospettive d'apertura per più applicazioni esigenti.

Tenta di superare i limiti di prestazione dei polimeri organici puri, definiti dal limite superiore di Robeson, piombo all'esteso studio delle Membrane Miste della Matrice [23,24], in cui i riporti porosi solitamente inorganici sono dispersi nella matrice polimerica. Inoltre i riporti densi possono influenzare positivamente i beni di trasporto [25]. In questi sistemi la sfida principale è di raggiungere la buona compatibilità fra i materiali differenti.

Fenomeni di Trasporto/Meccanismi

Il Trasporto dei gas e dei vapori in membrane polimeriche dense è governato normalmente dal meccanismo della soluzione-diffusione [26]. La selettività ideale, a_i,j, è il rapporto fra la permeabilità delle specie i e J e consiste di un termine della diffusione e di un termine della solubilità:

La Selettività in polimeri gommosi è generalmente la solubilità gestita, mentre in polimeri vetrosi è solitamente la diffusione gestita. Un'eccezione è rappresentata da alcuni alti polimeri del volume libero come PTMSP, Pims Ecc., che possono esibire la selettività inversa tipica per le gomme. Nella maggior parte dei casi la selettività mista del gas è più bassa della selettività ideale, sebbene in questi alti polimeri del volume libero la condensazione selettiva delle specie più condensabili più permeabili possa efficacemente bloccare le specie meno permeabili ed esibire così il più alta selettività che la selettività ideale. Nel confrontare i risultati, la cura deve essere catturata che queste possono leggermente dipendere dalla tecnica di misura specifica usata [27]. Le misure del ritardo sono particolarmente potenti poiché forniscono sia i dati di diffusività che di permeabilità. Una Volta eseguite con attenzione, possono rivelare i fenomeni insoliti, come il raggruppamento degli alcool in membrane del perfluoropolymer [28].

Un caso speciale è il trasporto facilitato, in cui gli additivi speciali o i gruppi funzionali nella membrana attivamente e migliorano selettivamente il trasporto di una delle specie in una miscela. Gli Esempi sono il trasporto facilitato delle olefine dai sali di argento [29], o CO₂ dai gruppi del ammina-cuscinetto [30]. Corrente i liquidi ionici stanno ricevendo l'interesse particolare [31] come gli additivi a migliorare il trasporto del gas. Le tecniche Differenti sono studiate per ottenere le membrane stabili [32,33,34].

Fig. 2. Correlazione del volume critico del liquido penetrante ed i beni di trasporto di una membrana liquida ionica del gel con 80% dell'IL.

Il volume libero svolge un ruolo chiave nel trasporto tramite le membrane dense del polimero e la sua conoscenza è importante per la comprensione di di comportamento delle membrane. Le tecniche di sondaggio Differenti, in base ai metodi sperimentali o di calcolo, possono dare una maschera accurata della distribuzione di FV in materiali della membrana [35]. I polimeri Vetrosi sono non in uno stato di equilibrio e l'invecchiamento fisico piombo ad una riduzione del volume libero [36] ed in conseguenza della permeabilità, accompagnata da un aumento nella selettività [37]. Questo effetto è più veloce in pellicole sottili [38] e le membrane asimmetriche pronte da inversione di fase possono quindi avere una selettività significativamente più alta che le pellicole spesse corrispondenti [9].

L'esigenza di migliori membrane e materiali della membrana è dimostrata chiaramente costituendo un fondo per di vari progetti specifici e reti nel quadro dei programmi quadro degli UE [39].

Riferimenti

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

2. R.W. Panettiere, Ind. L'Ing 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, Macromolecole 32 (1999) 375.

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

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

8. S. Loeb, S. Sourirajan, Adv. Chim., 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 ed E. Drioli, J. Membr. Sci., 255 (2005), 167.

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