Способ изготовления квазижидкой мембраны для разделения газовых смесей

 

Использование: газовая, нефтехимическая, металлургическая отрасли промышленности. Сущность: мембрану получают нанесением на твердую поверхность или пропиткой пористой подложки раствором олигомеров со сшивающим агентом с последующим отверждением сформованного слоя электронным, рентгеновским или гамма-излучением до степени отверждения 20-70 об. % 1 табл.

Изобретение относится к технологии разделения газовых смесей с помощью полупроводниковых мембран, технологии изготовления квазижидких мембран и может быть использовано для покомпонентного разделения газовых смесей в газовой, нефтехимической, металлургический, химической, медицинской, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности для очистки газовых выбросов от токсичных газов для концентрирования чистых компонентов из газовых смесей, для получения кислорода из воздуха.

Преимущества квазижидких мембран связаны с тем, что газоразделительные свойства многих жидкостей очень высоки, все жидкости обладают высокой проницаемостью в связи с высокой подвижностью молекул в жидкостях многие из них обладают повышенной селективностью из-за химического воздействия газа с жидкостью. Однако в связи с тем, что жидкость нельзя напрямую использовать в качестве мембранного материала из-за отсутствия механической прочности, то приходится прибегать к различного рода приемам. Например к пропитыванию жидкостью пористой полимерной подложки (жидкость выполняет роль газоразделительной мембраны, подложка придает мембране механическую прочность) (1), или к желатинизированию жидкости внутри пор подложки (2).

Все эти способы представляют собой многостадийные процессы, которые сложно реализовывать в промышленных масштабах.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ формирования квазижидкой мембраны, заключающийся в создании жидкого слоя из олигомера или смеси олигомеров путем создания смеси из олигомера или плохолетучего растворителя с пригодным полимером, сшивающим агентом и инициатором полимеризации с последующим частичным отверждением этого олигомера или смеси олигомеров путем инициирования ультрафиолетовым излучением полимеризации олигомеров со сшивающим агентом (3). При этом жидкий слой может быть создан путем пропитки полученной смесью пористой подложки, нанесения смеси на пористую подложку с последующим получением композиционной мембраны или нанесением полученной смеси на твердую гладкую поверхность для получения гомогенной пленки. Недостатком такого способа являются необходимость применения токсичных растворителей в процессе приготовления жидкого слоя необходимость введения инициирующих и сшивающих добавок, приводящее к сильному усложнению способа, в связи с тем, что УФ-излучение сшивает олигомеры только в приповерхностном слое (около 50 ), полученные мембраны имеют очень слабую устойчивость к набуханию в сильновзаимодействующих газах, что приводит к снижению эффективности разделения.

Целью изобретения является увеличение эффективности разделения, упрощение способа изготовления квазижидкой мембраны.

Поставленная цель достигается тем, что в настоящем способе отверждение мембраны производится с помощью электронного или рентгеновского или гамма-излучения до степени отверждения жидкого слоя 20-70 об.%.

Как уже отмечалось квазижидкие мембраны должны обладать рядом противоречивых свойств: большой долей жидкой фазы, достаточной механической прочностью, жесткостью на микроуровне для предотвращения набухания жидкости, слабой текучестью под действием перепада давлений, технологической простотой изготовления. При отверждении жидкого слоя электронным или рентгеновским или гамма-излучением получаются квазижидкие мембраны, обладающие всеми перечисленными свойствами.

Селективность разделения смеси сильно падает при увеличении степени отверждения мембраны до 70 об.%, что вызвано снижением доли жидкой фазы. Кроме того, мембрана может служить длительное время со стабильными характеристиками только при степенях отверждения больше 20 об.%, что связано с сильной текучестью и выходом из строя мембраны при степ. отв. 20 об.%. Таким образом, мембрана эффективно работает только при степени отверждения в диапазоне 20-70 об.%. В этом диапазоне, так как жидкий слой обладает гомогенностью на микроуровне, после частичного отверждения мембраны получается ситуация, известная под названием "змейка в клетке", т.е. внутри каркаса из радиационно-сшитых олигомеров остаются гибкие и подвижные несшитые олигомеры, что и придает мембране ее уникальные свойства: высокие газоразделительные свойства из-за большой доли жидкой фазы и ее подвижности; высокая механическая прочность: в силу жесткости радиационно сшитого каркаса мембрана не набухает даже в сильновзаимодействующих газах, что существенно увеличивает ее разделительные характеристики: по этой же причине мембрана совершенно не течет под действием перепада давления. Особо следует отметить простоту изготовления мембраны данным способом, при формовании мембраны отпадает необходимость в использовании растворителей (большинство из которых токсично); сшивающих и инициирующих добавок, нет необходимости в повышении или понижении температуры при изготовлении мембраны.

П р и м е р 1. Создают жидкий слой из смеси N-циклогексил-2-пирролидона с бис/метакрилоилокси/олиго/триэтиленг-ликоль/-фталатом путем пропитки данной смесью нетканого материала из лавсана. Затем жидкий слой отверждают излучением с дозой 20 МРад. В зависимости от доли радиационно не сшиваемого N-циклогексил-2-пирролидона получается мембрана с разной степенью отверждения. НА фигуре представлены данные по селективности разделения смеси СО₂-СН₄ такой мембраной в зависимости от степени отверждения мембраны при Рсм = 4 атм. P 2 атм.

П р и м е р 2. Создают жидкий слой из смеси олигомеров (лапрол 2500 50 об. % олигокарбонатдиметакрилат 50 об.%) путем нанесения данной смеси на микропористый полифениленоксид. Затем жидкий слой частично отверждают путем облучения рентгеновским излучением с дозой 4 Мрад. Полученная мембрана имеет степень отверждения 50 об. % P = 31. Q= 3,6·10^-7 П р и м е р ы 3 - 11. Создают жидки слой из смеси п-циклогексил -2-пирролидона (цГП) с бис/метакрилоилокси/олиго/триэтиленгликоль/фталатом (МГФ) путем пропитки данной смесью нетканого материала из лавсана. Концентрации веществ в различных образцах и условные обозначения образцов приведены в таблице. Затем из приготовленных образцов получают мембраны путем отверждения образцов электронным или гамма излучением с поглощенной дозой 20 МРад. В зависимости от концентрации радиационно отверждаемого МГФ получаются мембраны с разной степенью отверждения.

Характеристики получаемых мембран приведены в таблице.

Условия проведения испытаний: Температура измерения газопроницаемости 18±2^оС.

Испытания проводились в смеси СО₂--СН₄ 50%-50%.

Перепад давления на мембране 4 атм.

П р и м е р 12 (сравнительный). Отверждение мембраны осуществляют ультрафиолетовым излучением. Свойства представлены в таблице.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КВАЗИЖИДКОЙ МЕМБРАНЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ, заключающийся в создании жидкого слоя путем пропитки пористой подложки или нанесения жидкого вещества на твердую гладкую поверхность с последующим частичном отверждением жидкого слоя, отличающийся тем, что, с целью увеличения эффективности разделения и упрощения способа, отверждение проводят электронным, рентгеновским или γ -излучением до степени отверждения 20 - 70 об.%.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2