Membranas Poliméricos para a Separação do Gás e do Vapor

Pelo Dr. Johannes Carolus Jansen

Dr. Johannes Carolus (John) Jansen, Investigador Sénior, Instituto de Investigação na Tecnologia da Membrana, ITM-CNR, Universidade de c/o de Calabria. Autor Correspondente: jc.jansen@itm.cnr.it

Um dos maiores preocupação da sociedade moderna é manter um padrão elevado da vida e criar um futuro sustentável. Neste contexto nós estamos enfrentando um número de problemas relativos à necessidade para mais uso eficiente e a favor do meio ambiente da energia de nossos recursos limitados.

A tecnologia da Membrana é considerada como uma alternativa potencial para processos actualmente usados, devido a sua pegada pequena, a seu uso eficaz da energia e a seu projecto modular [1,2]. As separações Importantes onde a tecnologia da membrana pode ser usada estão

Separação₂₂ de H/CO para produzir o hidrogênio para células combustíveis
A separação₂₂ de CO/N aplicou-se ao gás de conduto ou aos gáss de exaustão do forno do cal para o seqüestro₂ do CO
Separação₂₄ de CO/CH para o tratamento do gás natural ou para o melhoramento do biogás
A separação₂₂ de O/N para produzir o oxigênio enriqueceu o ar ou o nitrogênio puro. A recuperação do vapor Orgânico do ar em estações de gasolina ou as plataformas petrolíferas pelas membranas reduzem emissões à atmosfera e aumentam a eficiência e a economia do processo.

Tipos de Membranas da Separação

A separação selectiva de gáss e/ou de vapores exige filmes finos pode separar com base em propriedades moleculars. Tais membranas podem ser inorgánicas e porosas, como zeolites ou o silicone mesoporous, separando com base em dimensões ou no condensability molecular da espécie permeando. Podem ser metálicos, na maior parte para a separação do hidrogênio com base na possibilidade para submeter-se à reacção química da segmentação e da recombinação. O grupo o mais comum e o mais abundante de membranas disponíveis no comércio é formado pelas membranas poliméricos, separando com base no mecanismo assim chamado da solução-difusão.

Permeabilidade contra a Selectividade

Uma limitação das membranas poliméricos para o transporte do gás e do vapor é as trocas assim chamadas da permeabilidade-selectividade, relatadas primeiramente por Robeson e outros em 1991 [3] e então mais actualizado [4]. Estas trocas determinam basicamente que se uma está procurando materiais novos com uma permeabilidade mais alta, o preço a pagar é uma selectividade mais baixa, e vice-versa. Quando introduzido originalmente com base em considerações empíricas somente, um fundo físico destas trocas foi dado igualmente [5].

Apesar desta limitação intrínseca, um dos alvos principais para a pesquisa nas membranas poliméricos para a separação do gás transformou-se conseqüentemente a busca para os materiais que excedem este limite superior. As técnicas Moleculars do projecto e da modelagem são usadas hoje em dia, de um lado, para apoiar e compreender resultados experimentais e, por outro lado, para prever o desempenho de membrana [6].

Formação da Membrana

A maneira a mais simples de preparação polimérico da membrana é o método solvente da evaporação, que parte de uma solução homogênea do polímero e dá geralmente as membranas relativamente grossas. Estes são bons para estudos fundamentais de fenômenos de transporte, mas não são muito apropriados para o uso prático devido a seu relativamente baixo permeance, inversamente proporcional à espessura de filme. Os polímeros vítreos ou elásticos Comuns dão filmes densos homogêneos, mas no caso dos bloco-copolímeros, a evaporação solvente sob as circunstâncias apropriadas pode conduzir às morfologias tridimensionais com propriedades de transporte originais [7].

As membranas densas Integralmente descascadas com uma camada selectiva fina podem ser preparadas pela inversão de fases. Neste método, introduzido primeiramente por Loeb e por Sourirajan [8], uma solução do polímero é trazida em contacto com um nonsolvent apropriado, conduzindo a precipitação do polímero. Atualizado este método é ainda mais uma arte do que uma ciência, mas sob as circunstâncias apropriadas a membrana formada terá uma camada superior com propriedades de transporte com cuidado controladas e uma camada porosa do apoio que fornece sua resistência mecânica. No método seco-molhado da inversão de fases, o polímero é coagulado após a exposição curto ao ar e as membranas ultra-finas podem ser formadas com uma espessura eficaz para baixo a CA 50 nanômetro. [9]. No método seco assim chamado da inversão de fases a etapa da coagulação não está actual e a inversão de fases ocorre porque o nonsolvent está já actual na solução da carcaça e é menos temporário do que o solvente. Este método dá um tanto menos controle sobre a espessura da pele selectiva comparada ao método seco-molhado [10].

As membranas Compostas são preparadas tipicamente por um tratamento do cargo de um apoio poroso, por exemplo pelo mergulho-revestimento com uma solução diluída do polímero e uma evaporação solvente subseqüente [11], pela polimerização interfacial da fase [12]. No caso das fibras ocas a membrana composta pode ser preparada pelo giro directo com uma fieira tripla do orifício [13].

Figo. 1. pele Ultra-Fina de uma membrana assimétrica [9]

Materiais da Membrana

O número dos materiais possíveis da membrana [14] é quase infinito e varia dos polyimides e dos polyetherimides vítreos menos permeáveis altamente selectivos, aos polysulfones e aos polyethersulfones, ao polydimethylsiloxane elástico altamente permeável. Os polímeros Elásticos são no general mais permeável do que polímeros vítreos e são mais selectivos para a espécie condensável.

Relativamente poucos polímeros são usados Ainda industrial. Os ésteres de celulose da primeira geração são ainda notàvel populares, apesar de suas propriedades muito modestas da separação, devido a seus vigor e desempenho relativamente estável sob circunstâncias diferentes. Mais recentemente há um interesse crescente em polímeros vítreos altos do volume livre como PTMSP [15], polynorbornenes e os polímeros relacionados [16,17] e os polímeros com microporosidade intrínseca, [18,19], tendo permeabilidades raramente altas e a selectividade similar da solução como os polímeros elásticos.

Um assunto diferente mas estreitamente relacionado é a pirólise das membranas poliméricos do precursor para a produção das membranas altamente permeáveis e selectivas do carbono [20]. Perfluoropolymers Vítreos como liga do ANÚNCIO do Teflon AF [21] ou do Hyflon [6] um o volume livre alto com uma resistência alta à maioria de vapores orgânicos [22], perspectivas de abertura para mais aplicações de exigência.

Tenta exceder os limites de desempenho de polímeros orgânicos puros, definidos pelo limite superior de Robeson, conduziram ao estudo extensivo das Membranas Misturadas da Matriz [23,24], em que os enchimentos porosos geralmente inorgánicos são dispersados na matriz polimérico. Igualmente os enchimentos densos podem influenciar as propriedades de transporte positivamente [25]. Nestes sistemas o desafio principal é conseguir a boa compatibilidade entre os materiais diferentes.

Fenômenos de Transporte/Mecanismos

O Transporte dos gáss e dos vapores nas membranas poliméricos densas é governado normalmente pelo mecanismo da solução-difusão [26]. A selectividade ideal, a_i,j, é a relação entre a permeabilidade da espécie mim e j, e consiste em um termo da difusão e em um termo da solubilidade:

A Selectividade em polímeros elásticos é geralmente solubilidade controlada, visto que em polímeros vítreos é geralmente difusão controlada. Uma exceção é representada por alguns polímeros altos do volume livre como PTMSP, Pims Etc., que podem exibir a selectividade reversa típica para borrachas. Na maioria dos casos a selectividade misturada do gás é mais baixa do que a selectividade ideal, embora nestes polímeros altos do volume livre a condensação selectiva da espécie mais condensável mais permeável possa eficazmente obstruir a espécie menos permeável e assim exibir uma selectividade mais alta do que a selectividade ideal. Ao comparar resultados, deve ser tomado que estes podem ligeira depender da técnica de medida específica usada [27]. As medidas da retardação de Tempo são particularmente poderosas desde que fornecem dados da permeabilidade e do diffusivity. Quando executada com cuidado, podem revelar fenômenos incomuns, tais como a aglomeração dos álcoois nas membranas do perfluoropolymer [28].

Um caso especial é o transporte facilitado, em que os aditivos especiais ou os grupos funcionais na membrana activamente e aumentam selectivamente o transporte de uma da espécie em uma mistura. Os Exemplos são transporte facilitado dos olefins pelos sais de prata [29], ou CO₂ pelos grupos do amina-rolamento [30]. Actualmente os líquidos iónicos estão recebendo o interesse particular [31] como aditivos aumentar o transporte do gás. As técnicas Diferentes são estudadas para obter as membranas estáveis [32,33,34].

Figo. 2. Correlação do volume crítico do penetrante e as propriedades de transporte de uma membrana líquida iónica do gel com o 80% do IL.

O volume livre joga um papel chave no transporte através das membranas densas do polímero e seu conhecimento é importante para a compreensão do desempenho de membrana. As técnicas de sondagem Diferentes, com base em métodos experimentais ou computacionais, podem dar uma imagem exacta da distribuição de FV nos materiais da membrana [35]. Os polímeros Vítreos estão não em um estado de equilíbrio e o envelhecimento físico conduz a uma redução do volume livre [36], e em consequência da permeabilidade, acompanhada de um aumento na selectividade [37]. Este efeito é mais rápido nos filmes finos [38] e as membranas assimétricas preparadas pela inversão de fases podem conseqüentemente ter uma selectividade significativamente mais alta do que os filmes grossos correspondentes [9].

A necessidade para as melhores membranas e materiais da membrana é demonstrada claramente financiando de vários projectos específicos e redes sob os programa-quadro do EUs' [39].

Referências

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

2. R.W. Padeiro, Ind. Inglês. 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, Macromoléculas 32 (1999) 375.

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

7. K. - V Peinemann, M. Konrad, V. Abetz, Dessanilização, 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. Membrana Sci., 272 (2006) 188.

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

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