ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ФОРМИРОВАНИЯ ГАЗОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ МЕМБРАН

Одним из наиболее интенсивно развивающихся методов получения очищенных фракций воздуха является сепарация полимерными мембранами. Она хорошо подходит для промышленных предприятий из-за низкой себестоимости и надежности в эксплуатации [4, с. 157]. Для её реализации необходимы специальные модули по транспортировке газа, внутри которых при взаимодействии с мембранами будет происходить его разделение [3, с. 309].

Целью данной работы является поиск лучших методов по созданию полимерных мембран с наибольшей селективностью.

Методика эксперимента заключалась в получении полимерных растворов на основе полисульфона, из которых происходило формирование плоских мембран. Такая конфигурация позволяет упростить контроль за процессами формирования и рассмотреть основные факторы, влияющие на селективность, такие как толщина мембраны и процентное содержание растворов. На полученные мембраны под давлением подавалась газовая смесь из азота и кислорода, предварительно очищенная от примесей. Затем, посредством хроматографии, получали значения концентраций смеси уже после процесса разделения. Первоначальная концентрация кислорода в смеси составляла 23%. Параллельно с этим определяли структуру мембран, как основного компонента системы производства мембранных изделий [4, с. 45]. Структуру мембран определяли визуально, а также используя оптический и электронный микроскопы.

На приводимых ниже гистограммах показана разность процентного содержания кислорода в смеси по сравнению с начальным значением, после одного прохождения через соответствующие мембраны. Указано процентное содержание полисульфона в растворе и используемый растворитель или два растворителя в одинаковом соотношении.

На рисунке 1 представлены результаты по измерению проницаемости, в зависимости от толщины мембраны. Температура осаждения в данном эксперименте 25°С, так же, как и температура раствора. Толщина мембраны определялась из количества раствора, оставшегося после стекания на подложку заданной площади. В опытах 1 и 6 толщина составила 5 мкм; во 2, 7, 11 – 50 мкм; в 3, 8, 12 – 100 мкм; в 4, 9, 13 – 200 мкм; в 5, 10, 14 – 500 мкм. В качестве осадителя в вариантах 1-5 использовалась вода, для образцов 6-14 осадитель не использовался.

Рисунок 1. Влияние толщины пленки и добавочного растворителя на проницаемость пленочных мембран

Здесь и далее: Д – диоксан, ДМС – диметилсульфоксид, ДМ – дихлорметан, Х – хлороформ.

В ходе нашего эксперимента были подтверждены теоретические представления о том, что с увеличением толщины мембраны, уменьшается её проницаемость, с другой стороны, на селективность толщина мембраны не оказала значительного влияния [1, с. 71]. В свою очередь, получение тонких мембран сопряжено с уменьшением прочности, что в условиях большого давления газов приводит к их разрушению.

На всех последующих гистограммах представлены результаты по измерению проницаемости для различных концентраций растворов. Температура осаждения для всех образцов составила 25°С, а температура раствора 40°С.

На рисунке 2, приводятся результаты экспериментов, где в качестве растворителя используется диоксан. В качестве осадителя в опытах 1-6 использовалась вода; в опытах 7-12 использовался 5 % водный раствор диметилсульфоксида; в опытах 13-17 осадитель не использовался. Структура образцов в экспериментах 1-4,7-10 была определена как пористая; образцов 5,6,11,12 как среднепористая; образцов 13-17 как микропористая.

Рисунок 2. Влияние содержания полимера в отливочном растворе с диоксаном на проницаемость и структуру мембран

Результаты экспериментов с использованием в качестве растворителя хлороформа приводятся на рисунке 3. Все образцы были получены без использования осадителя. Структура всех образцов была определена как непористая.

Рисунок 3. Влияние содержания полимера в отливочном растворе с хлороформом на проницаемость и структуру мембран

На рисунке 4 приводятся результаты использования в качестве растворителя дихлорметана. Все образцы были получены без использования осадителя. Структура всех образцов была определена как непористая.

Рисунок 4. Влияние содержания полимера в отливочном растворе с дихлорметаном на проницаемость и структуру мембран

Таким образом, использование растворителей, таких как диоксан, обладающих значительными гидрофильными свойствами, а также коагуляция растворов мембран в водной осадительной ванне приводит к формированию пористой структуры без задействования порообразующих компонентов. Также, нами была установлена возможность формирования заданной морфологической структуры мембран с помощью добавления в водный осадитель небольшого количества растворителя, порядка 5%. Это приводит к увеличению проницаемости мембраны, а значит и её производительности.

Очевидна большая эффективность мембран с меньшей толщиной, однако, их низкая прочность определяет необходимость дополнительного контроля за целостностью таких изделий.

Растворы, содержащие 25-35 % полимера имеют лучшие результаты по селективности. Формирование мембран в виде пленок из растворов на основе летучих растворителей, (хлороформ, дихлорметан) и содержащие смеси данных растворителей в процентном содержании в растворе растворителя 40 % и более, представляется затруднительным. Наиболее оптимальным является использование данных растворов для формирования половолоконных изделий.

Список литературы:

1. Дытнерский Ю. И. Брыков В. П. Каграманов Г. Г.  Мембранное разделение газов. М.: Химия, 1991. – 344с.
2. Мулдер М. Введение в мембранную технологию. М.: Мир, 1999. – 513с.
3. Свитцов А.А. Введение в мембранные технологии. М.: ДеЛи принт, 2007. – 280 с.
4. Тверской В.А. Мембранные процессы разделения. Полимерные мембраны. М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2008. – 59 с.