ガスおよび蒸気分離のための重合体の膜

ヨハネス Carolus (ジョン) ジャンセン、上級研究員、膜の技術、 ITM-CNR のカラブリアの c/o 大学の研究所先生。対応する著者: jc.jansen@itm.cnr.it

現代社会の主な関心事の 1 つは高い生活水準を維持し、持続可能な未来を作成することです。この文脈で私達は私達の限られたリソースのよりエネルギー効率が良く、より環境に優しい使用のための必要性と関連しているいくつかの問題に直面しています。

膜の技術は小さい足跡、エネルギー効率およびモジューラ設計 [1,2] のために現在使用されたプロセスについては潜在的な代わりとして、見られます。膜の技術が使用されるかもしれない重要な分離はあります

₂₂ 燃料電池のための水素を作り出す H/CO の分離
CO/N の₂₂ 分離は CO の隔離のための石灰オーブンの排気ガスに₂ 適用しました
天燃₂₄ ガスの処置または biogas のアップグレードのための CO/CH の分離
酸素を₂₂ 作り出す O/N の分離は空気か純粋な窒素を富ませました。ガソリン・ステーションの空気からの有機性蒸気回復か膜による石油プラットホームは大気に放出を減らし、プロセス効率および経済を高めます。

タイプの分離の膜

ガスや蒸気の選択的な分離は薄膜を分子特性に基づいて分かれられます必要とします。そのような膜は、ゼオライトか mesoporous 無水ケイ酸のようなであるかもしれ無機そして多孔性浸透種の分子次元か condensability に基づいて分かれます。それらは化学開裂および組み変えの反作用を経る可能性に基づいて水素の分離のために金属、大抵でもいいです。商用化された膜の共通および最も豊富なグループはいわゆる解決拡散のメカニズムに基づいて分かれる重合体の膜によって形作られます。

透磁率対選択率

ガスおよび蒸気輸送のための重合体の膜の限定は 1991 年に Robeson によって [3] 等報告され、次に更にアップデートされるいわゆる透磁率選択率のトレードオフ、最初にです [4]。このトレードオフは基本的に 1 つがより高い透磁率の新しい材料を捜せば、支払うべき価格はより低い選択率であることを、またその逆にも定めます。経験的な考察だけに基づいて最初に導入されて間、このトレードオフの物理的な背景はまた与えられました [5]。

従ってこの本質的な限定にもかかわらず、ガスの分離のための重合体の膜の研究のための主要なターゲットの 1 つはこの上限を超過する材料の検索になりました。分子デザインおよび模倣の技術がこの頃は、一方で、膜パフォーマンス [6] 予測するために実験調査結果をサポートし、理解するのにおよび、一方では、使用されています。

膜の形成

重合体の膜の準備の単純な方法は同質なポリマー解決から開始し、一般に比較的厚い膜を与える支払能力がある蒸発方法です。これらは輸送現象の基本的な調査のためによいですが、比較的低いパーミアンスのために実用的な使用のために非常に適していません、フィルム厚さに反比例した。共通のガラス状かゴムのようなポリマーは同質で密なフィルムを与えます、ブロック共重合体の場合には、適切な条件の下の支払能力がある蒸発は一義的な輸送特性 [7] との三次元形態の原因となるかもしれません。

薄く選択的な層の完全に皮を剥がれた密な膜は段階の逆転によって準備することができます。最初に Loeb および Sourirajan [8] によってもたらされるこの方法では、ポリマー解決はポリマーの沈殿物を導く適切な nonsolvent と接触して持って来られます。最新この方法はまだ科学よりより多くの芸術です、しかし適切な条件の下で形作られた膜に注意深く制御された輸送特性との最上層および機械抵抗を提供する多孔性サポート層があります。乾燥ぬれた段階の逆転方法では、ポリマーは空気への短い露出の後で凝固し、極めて薄い膜は Ca. 50 nm に有効な厚さと形作られるかもしれません。 [9]。いわゆる乾燥した段階の逆転方法で凝固のステップはないし、 nonsolvent が既に鋳造の解決にあり、溶媒よりより少なく揮発であるので段階の逆転は起こります。この方法は乾燥ぬれた方法 [10] と比較される選択的な皮の厚さのより少ない制御を幾分与えます。

例えば合成の膜は段階の界面重合 [12] による希薄なポリマー解決そしてそれに続く支払能力がある蒸発 [11] のすくいコーティングによる多孔性サポートの治療後によって普通、準備されます。空のファイバーの場合には合成の膜は三重の開口部の紡糸口金 [13] によって直接回転によって準備することができます。

図 1. 非対称的な膜 [9] の極めて薄い皮

膜材料

可能な膜材料 [14] の番号はほぼ無限で、非常に選択的なより少なく透過性のガラス状の polyimides および polyetherimides から、 polysulfones および polyethersulfones に、非常に透過性のゴムのような polydimethylsiloxane に変わります。ゴムのようなポリマーはガラス状ポリマーより透過性一般に、 condensable 種のためにより選択的です。

まだ比較的少数のポリマーは産業的に使用されます。第一世代のセルロースエステルはまだ異なった条件の下で強さおよび比較的安定したパフォーマンスのために、非常に適度な分離の特性にもかかわらず、非常に普及しています。もっと最近 PTMSP [15] のような高い自由なボリュームガラス状ポリマーに増加する興味が、 polynorbornenes および関連ポリマー [16,17] および本質的な microporosity のポリマー、 [18,19] ありま、異常に高な透磁率および同じような解決の選択率をゴムのようなポリマーとして持っています。

別のしかし密接に関連トピックは非常に透過性および選択的なカーボン膜 [20] の生産のための重合体の前駆物質の膜の熱分解です。ほとんどの有機性蒸気 [22] への抗力が高いのの高く自由なボリューム、より多くのデマンドが高いアプリケーションのための開始見通しテフロン AF [21] または Hyflon の広告ののようなガラス状の perfluoropolymers [6] コンバイン。

導きました通常無機多孔性の注入口が重合体のマトリックスで分散する混合されたマトリックスの膜 [23,24] の広範な調査に Robeson の上限によって定義される純粋な有機性ポリマーの性能限界を超過するように試みます。また密な注入口は輸送特性に肯定的に影響を及ぼすかもしれません [25]。これらのシステムで主要な挑戦は異なる材料の間のよいコンパティビリティを達成することです。

輸送現象/メカニズム

密な重合体の膜のガスそして蒸気の輸送は解決拡散のメカニズム [26] によって普通支配されます。理想的な選択率、 a は_i,j、種 I および j の透磁率間の比率で、拡散タームおよび容解性タームから成っています:

ゴムのようなポリマーの選択率はガラス状ポリマーのそれが通常制御される拡散である一方一般に制御される容解性です。例外はゴムのために典型的な逆の選択率を表わすかもしれない PIMs 等のようなある高い自由なボリュームポリマーによって表されます、 PTMSP。ケースの大半では混合されたガスの選択率はこれらの高い自由なボリュームポリマーで透過性の condensable 種の選択的な凝縮が効果的により少なく透過性種を妨げ、こうして理想的な選択率より高い選択率を表わすかもしれないが、理想的な選択率より低いです。結果を比較した場合、心配はこれらが使用される特定の測定技術によってわずかに決まるかもしれないこと取られなければなりません [27]。時間のずれの測定は透磁率および拡散係数両方データを提供するので特に強力です。心配と行われたとき、それらは perfluoropolymer の膜 [28] のアルコールの群がることのような珍しい現象を、明らかにするかもしれません。

特例は実行中の膜の特別な添加物か基がおよび選択式に混合物の種の 1 つの輸送を高める促進された輸送です。例は銀製の塩 [29] によってオレフィンの促進された輸送、またはアミンベアリンググループ₂ [30] によって CO 行います。現在ガスの輸送を高めるイオンの液体は特別な関心 [31] ように添加物受け取っています。異なった技術は安定した膜 [32,33,34] 得るために調査されます。

図 2. 浸透剤の重大なボリュームの相関関係および IL の 80% のイオンの液体のゲルの膜の輸送特性。

自由なボリュームは密なポリマー膜を通して輸送の重要な役割を担い、知識は膜パフォーマンスの理解のために重要です。異なった徹底的な技術は、実験か計算方法に基づいて、膜材料 [35] の FV の分布の正確な情報を与えることができます。ガラス状ポリマーは平衡状態に非あり、物理的な老化は自由なボリューム [36] の、そして選択率 [37] の増加と一緒に伴われる透磁率の結果として減少の原因となります。この効果は薄膜 [38] でより速く、従って段階の逆転によって準備される非対称的な膜は対応する厚いフィルム [9] よりかなり高い選択率があることができます。

よりよい膜および膜材料のための必要性は」 EUs のの下のさまざまな特定のプロジェクトそしてネットワークの資金供給によってはっきりフレームワークプログラム [39] 示されます。

参照

1. P. バーナード、 G. Golemme、 E. Drioli、 Ind。イギリス Chem。 Res. 48 (2009 年) 4638。

2. R.W. パン屋、 Ind。 イギリス Chem。 Res. 41 (2002 年) 1393。

3. L.M. Robeson、 J. Membr。 Sci。 62 (1991 年) 165。

4. L.M. Robeson、 J. Membr。 Sci。 320 (2008 年) 390。

5. B.D. フリーマンの高分子 32 (1999 年) 375。

6. M. Macchione、 J.C. ジャンセン、 G. De ルカ、 E. Tocci、 M. Longeri、 E. Drioli のポリマー 48 (2007 年) 2619。

7. K. - V Peinemann、 M. コンラート、 V. Abetz の脱塩、 199 (2006 年) 124。

8. S. Loeb、 S. Sourirajan の ADV。 Chem。、 28 (1963 年) 117。

9. J.C. ジャンセン、 M.G. Buonomenna、 A. Figoli、 E. Drioli、 J. Membrane Sci。、 272 (2006 年) 188。

10. J.C. ジャンセン、 M. Macchione および E. Drioli、 J. Membr。 Sci。、 255 (2005 年)、 167。