가스와 수증기 별거를 위한 중합 막

Johannes Carolus (죤) 젠센, 고위 연구원, 막 기술, ITM-CNR 의 칼라브리아 주의 c/o 대학에 연구소 박사. 대응 저자: jc.jansen@itm.cnr.it

현대 사회의 주요한 관심사의 한개는 높은 생활 수준을 유지하고 지속 가능한 미래를 만들기 위한 것입니다. 이 문맥에서 우리는 우리의 한정된 자원의 에너지 효과 및 환경에 더 친절한 사용을 위한 필요와 관련있는 다수 문제를 직면하고 있습니다.

막 기술은 그것의 작은 발자국, 그것의 에너지 효율 및 그것의 모듈 디자인 [1,2] 때문에 지금 사용한 프로세스를 위해 잠재적인 대안으로, 보입니다. 막 기술이 사용될 수 있는 중요한 별거는 있습니다

₂₂ 연료 전지를 위한 수소를 생성하는 H/CO 별거
CO/N₂₂ 별거는 지휘관 격리를 위한 굴뚝 석회 오븐 배기 개스에₂ 적용했습니다
₂₄ 천연 가스 처리 또는 biogas 격상시키기를 위한 CO/CH 별거
산소를₂₂ 생성하는 O/N 별거는 공기 또는 순수한 질소를 풍성하게 했습니다. 주유소에 공기에서 유기 증기 복구 또는 막에 의하여 석유 플래트홈은 대기권으로 방출을 감소시키고 가공 효율성 및 경제를 강화합니다.

별거 막의 모형

가스 및 또는 수증기의 선택적인 별거는 박막을 분자 속성을 기준으로 하여 분리할 수 있습니다 요구합니다. 그 같은 막은 비석 또는 mesoporous 실리카와 같은 일지도 몰라습니다 무기 그리고 다공성 침투 종의 분자 차원 또는 condensability를 기준으로 하여 분리하. 그(것)들은 화학 분열과 재결합 반응을 겪는 가능성을 기준으로 하여 수소 별거를 위해 금속, 주로 이어서 좋습니다. 상업적으로 이용 가능한 막의 일반 적이고 및 가장 풍부한 단은 소위 해결책 유포 기계장치를 기준으로 하여 분리하는 중합 막에 의해 형성됩니다.

침투성 대 선택성

가스와 수증기 수송을 위한 중합 막의 제한은 1991년에 Robeson에 의해 [3] 더 그 외 여러분 보고되고 그 후에 경신된 소위 침투성 선택성 트레이드오프, 첫째로입니다 [4]. 이 트레이드오프는 기본적으로 사람이 더 높은 침투성을 가진 새로운 물자를 찾는 경우에, 지불할 가격은 더 낮은 선택성이다는 것을, 그리고 그 반대도 마찬가지로 결정합니다. 단지 실험적인 고려사항을 기준으로 하여 원래 소개해, 이 트레이드오프의 물리적인 배경은 또한 주어졌습니다 [5].

이 본질적인 제한에도 불구하고, 가스 별거를 위한 중합 막에 있는 연구를 위한 주요 표적의 한개는 그러므로 이 상계를 초과하는 물자를 위한 수색이 되었습니다. 분자 디자인과 만드 기술은 현재에는, 한편으로는, 및, 다른 한편으로는, 실험적인 막 성과 [6] 예상하기 위하여 사실 인정을 지원하고 이해하도록 이용됩니다.

막 대형

중합 막 준비의 간단한 쪽은 균질 중합체 해결책에서 시작하고 일반적으로 상대적으로 두꺼운 막을 주는 용해력이 있는 증발 방법입니다. 이들은 이동 현상의 기본적인 연구 결과를 위해 좋습니다, 그러나 그들의 상대적으로 낮은 침투 때문에 실제적인 사용을 위해 아주 적당하지 않습니다, 필름 간격에 반비례하는. 일반적인 투명하거나 고무 같은 중합체는 균질 조밀한 필름을 줍니다, 그러나 구획 공중 합체의 경우에, 적당한 조건 하에서 용해력이 있는 증발은 유일한 이동 성질 [7]를 가진 3차원 형태학으로 이끌어 낼 수 있습니다.

얇은 선택적인 층을 가진 완전하게 벗겨진 조밀한 막은 단계 역환까지 준비될 수 있습니다. 첫째로 Loeb와 Sourirajan [8]에 의해 소개된 이 방법에서는, 중합체 해결책은 중합체의 강수를 지도하는 적합한 nonsolvent와 접촉하여 주어집니다. 최신 이 방법은 아직도 과학 보다는 추가 예술 입니다, 그러나 적합한 조건 하에서 형성된 막에는 주의깊게 통제되는 이동 성질을 가진 꼭대기 층 및 그것의 기계적인 저항을 제공하는 다공성 지원 층이 있을 것입니다. 건조하 젖은 단계 역환 방법에서는, 중합체는 공기에 짧은 노출 후에 응고되고 매우 얇은 막은 Ca. 50 nm에 아래로 효과적인 간격으로 형성될 수 있습니다. [9]. 소위 건조한 단계 역환 방법에서 응고 단계는 나타나고 nonsolvent가 이미 주물 해결책에서 나타나고 용매 보다는 보다 적게 휘발성 이기 때문에 단계 역환은 일어납니다. 이 방법은 건조하 젖은 방법 [10]와 비교된 선택적인 피부의 간격에 더 적은 통제를 약간 줍니다.

합성 막은 단계 계면 중합 [12]까지 묽게 한 중합체 해결책 그리고 연속적인 용해력이 있는 증발 [11]를 가진 복각 코팅에 의하여 다공성 지원의 지점 처리에 의해 전형적으로, 예를 들면, 준비됩니다. 빈 섬유의 경우에 합성 막은 3배 개구부 출사 돌기 [13]로 직접 회전시키기에 의하여 준비될 수 있습니다.

FIG. 1. 불균형 막 [9]의 매우 얇은 피부

막 물자

가능한 막 물자 [14]의 수는 거의 무한하 높게 선택적인 보다 적게 침투성 투명한 polyimides 및 polyetherimides에서, polysulfones와 polyethersulfones에, 높게 침투성 고무 같은 polydimethylsiloxane에 변화합니다. 고무 같은 중합체는 투명한 중합체 보다는 침투성 일반적으로 이고 압축 가능한 종을 위해 선택적입니다.

아직도 상대적으로 몇몇 중합체는 산업으로 이용됩니다. 이민 1세 셀루로스 에스테르는 아직도 다른 조건 하에서 그들의 강건함 및 상대적으로 안정되어 있는 성과 때문에, 그들의 아주 겸손한 별거 속성에도 불구하고, 현저하게 대중적입니다. 최근에 PTMSP [15] 같이 높은 여유 부피 투명한 중합체에 있는 증가 관심사가, polynorbornenes 및 관련 중합체 [16,17] 및 본질적인 세공도를 가진 중합체, [18,19] 있어, 일반적으로 고도로 발달된 침투성 및 유사한 해결책 선택성이 고무 같은 중합체로 있.

다른 그러나 밀접한 관계가 있 토픽은 높게 침투성 및 선택적인 탄소 막 [20]의 생산을 위한 중합 선구자 막의 열분해입니다. 대부분의 유기 증기 [22]에 고저항을 가진 높은 여유 부피, 추가 지나치게 요구하는 응용을 위한 여는 관점 테플론 AF [21] 또는 Hyflon 광고 같이 투명한 perfluoropolymers [6] 결합.

지도했습니다 일반적으로 무기 다공성 충전물이 중합 매트릭스에서 이산되는 혼합 매트릭스 막 [23,24]의 광대한 연구 결과에 Robeson 상계에 의해 정의된 순수한 유기 중합체의 성능 한계를 초과하는 것을, 시도합니다. 또한 조밀한 충전물은 이동 성질을 긍정적으로 좌우할 수 있습니다 [25]. 이 시스템에서 중요한 도전은 다른 물자 사이의 좋은 겸용성을 달성하기 위한 것입니다.

이동 현상/기계장치

조밀한 중합 막에 있는 가스 그리고 수증기의 수송은 해결책 유포 기계장치 [26]에 의해 일반적으로 제어됩니다. 이상적인 선택성, a는_i,j, 종 I와 j의 침투성 사이 비율이고, 유포 기간 및 가용성 기간을 이루어져 있습니다:

고무 같은 중합체에 있는 선택성은 투명한 중합체에서 일반적으로 통제된 유포이더라도 반면, 일반적으로 통제된 가용성입니다. 예외는 고무를 위해 전형 반전 선택성을 전시할 수 있는 PIMs 등등 같이 어떤 높은 여유 부피 중합체에 의해 나타납니다, PTMSP. 케이스의 대다수에서는 혼합 가스 선택성은 이 높은 여유 부피 중합체에서 침투성 더 압축 가능한 종의 선택적인 응축이 효과적으로 보다 적게 침투성 종을 막고 이렇게 이상적인 선택성 보다는 더 높은 선택성을 전시할 수 있더라도, 이상적인 선택성 보다는 더 낮습니다. 결과를 비교할 경우, 배려는 이들이 사용된 특정 측정 기술에 경미하게 달려 있을 수 있다는 것을 취해야 합니다 [27]. 시간의 지체 측정은 침투성과 퍼짐도 둘 다 데이터를 제공하기 때문에 특히 강력합니다. 관심을 가지고 능력을 발휘될 때, 그(것)들은 perfluoropolymer 막 [28]에 있는 알콜의 클러스터와 같은 예외적 현상을 제시할 수 있습니다.

특별한 케이스는 액티브하의 막에 있는 특별한 난수 또는 작용기가 및 선택적으로 혼합물에 있는 종의 하나의 수송을 강화하는 촉진한 수송입니다. 보기는 은 소금 [29] 옆에 올레핀의 촉진한 수송, 또는 아민 방위 단₂ [30] 옆에 지휘관입니다. 지금 가스 수송을 강화하는 이오니아 액체는 특정 관심 [31] 대로 난수 수신한. 다른 기술은 안정되어 있는 막 [32,33,34] 장악하기 위하여 공부됩니다.

FIG. 2. 침투제의 임계 부피의 상호 관계 및 IL의 80%를 가진 이오니아 액체 젤 막의 이동 성질.

여유 부피는 조밀한 중합체 막을 통해서 수송에 있는 핵심 역활을 하고 그것의 지식은 막 성과의 이해를 위해 중요합니다. 다른 철저한 기술은, 실험 컴퓨터 방법에 근거하여, 막 물자 [35]에 있는 FV 배급의 정확한 정보를 줄 수 있습니다. 투명한 중합체는 평형 상태에 비 있고 물리적인 노후화는 여유 부피 [36]의, 그리고 선택성 [37]에 있는 증가와 함께 침투성 때문에 감소로 이끌어 냅니다. 이 효력은 박막 [38]에서 더 단단 입니다 단계 역환까지 준비된 불균형 막에는 그러므로 대응 두꺼운 필름 [9] 보다는 현저하게 더 높은 선택성이 있고.

더 나은 막 및 막 물자를 위한 필요는' EUs의 밑에 각종 특정 계획사업 그리고 통신망의 투자해서 명확하게 기구 프로그램 [39] 설명됩니다.

참고

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

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

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

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

5. B.D. Freeman 의 고분자 32 (1999년) 375.

6. M. Macchione, J.C. 젠센, G. De Luca, E. Tocci, M. Longeri, E. Drioli 의 중합체 48 (2007년) 2619.

7. K. - V Peinemann, M. 콘라트, V. Abetz 의 염분제거, 199 (2006년) 124.

8. S. Loeb, S. Sourirajan 의 전진. Chem., 28 (1963년) 117.

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

10. J.C. 젠센, M. Macchione 및 E. Drioli, J. Membr. Sci., 255 (2005년), 167.