Устройство для получения диффузионных полимерных мембран



Устройство для получения диффузионных полимерных мембран

 


Владельцы патента RU 2504429:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) (RU)

Изобретение относится к области мембранных технологий и может быть использовано в пищевой, химической, нефтехимической, фармацевтической и других отраслях промышленности при очистке и разделении разных технологических жидких сред. Устройство содержит первую реакционную камеру с импеллером, соединенную посредством насоса со второй реакционной камерой. Вторая реакционная камера имеет бункер для подачи дополнительного компонента и оснащена излучателем ультразвуковых волн для активации полимерной композиции. Композицию сначала получают в полости первой реакционной камеры при перемешивании поливинилового спирта, воды и фуллеренола С60-(ОН)22-24. Затем ее подают во вторую камеру, в которую введен дополнительный компонент, в качестве которого использована малеиновая кислота, после чего смесь активируют. Из приготовленной во второй реакционной камере композиции на подложке посредством калибровочного щелевого сопла формируют мембрану и подают ее в сушильную камеру для тепловой обработки. Полученные диффузионные полимерные мембраны на основе полимерного композита поливиниловый спирт - фуллеренол С60-(ОН)22-24 обладают улучшенными транспортными свойствами, эффективностью, производительностью и селективностью выделения воды из водосодержащих смесей. При этом стоимость получения диффузионных полимерных мембран значительно снижена. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области химии, в частности мембранных технологий, и может быть использовано в пищевой, химической, нефтехимической, фармацевтической и других отраслях промышленности для выделения воды из водосодержащих смесей, при очистке и разделении других технологических жидких сред.

Анализ источников патентной информации и научной литературы выявил аналоги мембран различных типов для получения наноструктур [1-3].

Известно устройство [1], с помощью которого получают композитные первапорационные мембраны, содержащие асимметричные микропористые подложки, которые формируют на скин-слое подложки диффузионного полимерного слоя. Известный аналог относится к экологически проблемным устройствам, что связано с использованием вредных химических реагентов при получении подложки.

Известно устройство [2], которое предназначено для получения фуллеренсодержащего вещества. Однако известное устройство имеет ограниченные возможности, что связано с возможностью использования ограниченного круга полимеров. Кроме того, оно экологически нечисто, поскольку связано с использованием токсичных веществ, что вызывает дополнительные затраты на процесс соблюдения экологических норм, и, к тому же, приводит к снижению производительности и эффективности.

Анализ патентной и научной литературы выявил фактически один источник информации, описывающая устройство для получения мембраны на основе полимерного композита [3], который является наиболее близким по достигаемому техническому результату и принятое в качестве прототипа. Это устройство содержит подложку для формирования мембраны, ультразвуковой излучатель, сушильную камеру, контейнеры с исходными компонентами, контейнеры с дополнительными компонентами для формирования поверхностного слоя мембраны; имеет также смеситель полимера и фуллерена, реакционную камеру, содержащую контейнеры с реагентами, подаваемыми в реакционную камеру для процесса первапорационного разделения равновесной смеси реакции этерификации композиционной системы.

К недостаткам прототипа относится выокая стоимость их получения, экологическая опасность при их производстве, низкая производительность, а также очень узкая и ограниченная сфера получения полимерных мембран только на основе полимеров, растворимых при комнатной температуре, и недостаточная однородность за счет диспергирования наночастиц в объеме полимерного раствора, что ограничивает использование данного устройства для получения полимерных мембран и, в целом, делает ее с очень ограниченными и узкоспециализированными возможностями, к тому же достаточно высокой стоимости и экологически проблемной.

Техническим результатом заявляемого устройства для получения диффузионных полимерных мембран является снижение стоимости их получения, повышение производительности, а также улучшение экологических и производственных условий и существенное расширение сферы использования получаемых мембран за счет конструкционных возможностей использования широкого класса полимеров. Кроме того, заявленное устройство, позволяет, что очень важно, значительно улучшить транспортные свойства мембран, в частности, повысить производительность и селективность выделения заданного компонента из разделяемой исследуемой жидкой среды. По сути, заявленное устройство можно отнести к новому типу диффузионных мембран на основе полимерного композита поливиниловый спирт - фуллеренол С60-(ОН)22-24.

Указанный технический результат достигается тем, что заявленное устройство для получения диффузионных полимерных мембран, содержащее, соединенную с бункерами с исходными компонентами первую реакционную камеру с импеллером, сообщающуюся посредством насоса со второй реакционной камерой, имеющей бункер для дополнительного компонента и оснащенной излучателем ультразвуковых волн для активации полимерной композиции, формирующую мембрану подложку для нанесения на нее посредством калиброванного щелевого сопла слоя полимерной композиции, поступающей из второй реакционной камеры, и сушильную камеру для тепловой обработки полученной мембраны, причем первая реакционная камера выполнена с внешним нагревательным элементом, а бункеры для исходных компонентов заполнены поливиниловым спиртом, водой и фуллеренолом С60-(ОН)22-24, соответственно, при этом бункер для дополнительного компонента заполнен малеиновой кислотой.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что заявленное устройство содержит, по меньшей мере, две контрольные емкости для тестирования транспортных свойств приготовленной мембраны, одна из которых предназначена для заполнения ее исследуемой разделяемой жидкостью, а вторая для размещения в ее полости полученной диффузионной полимерной мембраны, на которую подают исследуемую разделяемую жидкость.

Заявленное устройство поясняется чертежом, на котором представлена его технологическая схема.

Устройство получения диффузионных полимерных мембран содержит две реакционные камеры 1 и 2; камера 1 помещенная в емкость, оснащенную нагревательным элементом 3; полость камеры 1 оснащена импеллером 4 и гидрозаборным патрубком 5, сообщающимся посредством насоса 6 с полостью камеры 2 магистралью 7. Камера 1 заполняется исходными материалами из бункеров 8, 9, 10, расположенными над реакционной камерой 1 и оснащенными дозаторами 11, 12, 13, посредством магистралей 14, 15, 16. Над камерой 2 расположен бункер 17 с дополнительным компонентом, оснащенный дозатором 18 для подачи дополнительного компонента в камеру 2 посредством магистрали 19. Камера 2 содержит излучатель 20 ультразвуковых волн, питающийся от генератора ультразвуковых колебаний 21. Устройство также оснащено сушильной камерой 22 для тепловой обработки подложки 23 с нанесенным с помощью калиброванного щелевого сопла полимерным слоем 24, образующим диффузионную полимерную мембрану 25. Физико-химические свойства этой мембраны определяют в процессе разделения экспериментальной жидкой среды, поступающей из емкости 26 по магистрали 27 в накопительную емкость 28, предназначенную для размещения в ней полученной диффузионной полимерной мембраны, из которой пробу подают на анализ методом газовой хроматографии, осуществляемой прибором 29. Конденсацию паров пермеата осуществляют с помощью камеры 30, заполненной хладагентом. Полученная на этом устройстве мембрана обладает высокими транспортными свойствами, значительной производительностью и селективностью выделения заданного компонента из разделяемой жидкой среды.

Работа устройства осуществляется следующим образом. В полость реакционной камеры 1 подают исходные компоненты: поливиниловый спирт и воду из бункеров 8, 9 соответственно, включают нагревательный элемент 3 и импеллер 4, перемешивая смесь до однородного состава; при этом в камере 2 контролируют тепловой баланс, например с помощью датчика температуры. Затем в полость реакционной камеры 1 из бункера 10 добавляют исходный компонент фуллеренол С60-(ОН)22-24. Получаемую композицию с помощью насоса 6 переводят в камеру 2, дополнительно в эту смесь вводят компонент из бункера 17, в качестве такого компонента используют малеиновую кислоту, смесь активируют с помощью излучателя ультразвуковых волн 20. Приготовленную композицию наносят щелевым соплом на подложку 23 равномерным слоем 24, подают в сушильную камеру 22. После сушки отделяют диффузионную мембрану 25 от подложки 23 и исследуют физико-химические свойства мембраны. Для этого ее размещают в емкости 28, на мембрану подают экспериментальную жидкую среду, содержащую уксусную кислоту, этанол, воду и этилацетат, из емкости 26, конденсацию обрабатываемой среды ведут с помощью хладагента, подаваемого в камеру 30. Результаты испытаний получают путем исследования на газовом хроматографе 29.

Заявленное изобретение апробировано в режиме реального времени на лабораторной базе Санкт-Петербургского государственного университета.

Результаты проведенных исследований приведены на конкретных примерах реализации.

При этом, исследование транспортных свойств мембраны (селективности и проницаемости) проводилось на основе поливинилового спирта, модифицированной 2 мас.% фуллеренола и содержащего 35 мас.% малеиновой кислоты осуществляли в процессе первапорационного разделения равновесной смеси реакции этерификации этилацетата и азеотропной смеси этанол-вода. Проницаемость мембран рассчитывали по формуле , где m - масса пермеата, образовавшегося за время τ с поверхности мембраны площадью F. Эффективная площадь мембраны была 14.8 см2. Состав исходной смеси и пермеата определяли методом газовой хроматографии на хроматографе «Цвет» с детектором по теплопроводности (катарометром). В качестве газа-носителя использовался гелий. Хроматографическое разделение проводилось на насадочной тефлоновой колонке длиной около 3-х метров и внутренним диаметром около 3 мм, заполненной сорбентом «Полисорбом-1» зернением 0,25-0,315 мм. Рабочая температура термостатирования колонок составляла 403 К, испарителя - 448 К. Поток газа-носителя составлял 40 мл/мин. Ток моста детектора 120 мА. Площади хроматографических пиков устанавливались методом триангуляции. Пробы анализируемых жидкостей вводились микрошприцем МШ-10М. Объем пробы в зависимости от состава жидкости составлял 0,8-3 мкл. Обработка хроматограмм производилась на основе метода внутренней нормализации.

Пример 1.

При разделении равновесной смеси реакции этерификации: 56.92 мас.% этанола, 39.06 мас.% воды, 1.52 мас.% этилацетата, 2.50 мас.% уксусной кислоты проницаемость мембраны при температуре 20°С составляла 0,10 кг/м2.час, содержание воды в пермеате (продукт, прошедший через мембрану) составляло 98.73 мас.% и 1.27 мас.% этанола.

Пример 2.

В процессе первапорационного разделения азеотропной смеси этанол-вода: 4.4. мас.% воды, 95.6 мас.% этанола проницаемость мембраны при температуре 20°С составляла 0,096 кг/м2.час, содержание воды в пермеате (т.е. это продукт, прошедший через мембрану) составляло 98.93 мас.%.

Как показывают результаты исследований, проведенных в режиме реального времени, и конкретные примеры реализации заявляемого изобретения, полученные данные по транспортным свойствам диффузионной полимерной мембраны, подтверждают качественно новые возможности заявленной конструкции, оригинальность ее технологической схемы, а также, что очень важно, высокую эффективность, производительность и селективность выделения воды из водосодержащих смесей, особенно востребованных при очистке и разделении разных технологических жидких сред в таких сферах производства, как пищевой, химической, нефтехимической, фармацевтической и других отраслях промышленности.

Список использованной литературы

1. RU Патент 2129910, 1999.

2. RU Патент 2206500, 2003.

3. RU Патент 88009, 2009 - прототип.

1. Устройство для получения диффузионных полимерных мембран, содержащее соединенную с бункерами с исходными компонентами первую реакционную камеру с импеллером, сообщающуюся посредством насоса со второй реакционной камерой, имеющей бункер для дополнительного компонента и оснащенной излучателем ультразвуковых волн для активации полимерной композиции, формирующую мембрану подложку для нанесения на нее посредством калиброванного щелевого сопла слоя полимерной композиции, поступающей из второй реакционной камеры, и сушильную камеру для тепловой обработки полученной мембраны, причем первая реакционная камера выполнена с внешним нагревательным элементом, а бункеры для исходных компонентов заполнены поливиниловым спиртом, водой и фуллеренолом С60-(ОН)22-24 соответственно, при этом бункер для дополнительного компонента заполнен малеиновой кислотой.

2. Устройство по п.1, содержащее, по меньшей мере, две контрольные емкости для тестирования транспортных свойств приготовленной мембраны, одна из которых предназначена для заполнения ее исследуемой разделяемой жидкостью, а вторая - для размещения в ее полости полученной диффузионной полимерной мембраны, на которую подают исследуемую разделяемую жидкость.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к эластомерным материалам уплотнительного назначения. Резиновая смесь на основе пропиленоксидного каучука СКПО содержит серу, стеариновую кислоту, оксид цинка, тиурамдисульфид, технический углерод П-803, дибензотиазолдисульфид, фенил-β-нафтиламин, дибутоксиэтиладипинат, ультрадисперсный политетрафторэтилен.
Изобретение относится к резиновой промышленности, в частности к производству резиновых смесей, используемых для изготовления изделий различного целевого назначения, в том числе пакерующих элементов (резиновых уплотнителей в нефтяных или газовых скважинах), используемых в производстве пакерно-якорного оборудования.
Изобретение относится к производству эластомерной композиции на основе бутадиен-нитрильных каучуков, используемых в нефтяной и резинотехнической промышленности.

Изобретение относится к производству термореактивных композиционных материалов, в частности к материалу из эпоксидного полимера, содержащего частицы магнетита и частицы материала, проводящего углерод, действующие как приемники микроволн.

Изобретение относится к получению резиновых смесей и может быть использовано для получения уплотнительных материалов, работоспособных в условиях агрессивных сред при высоких температурах.

Настоящее изобретение относится к способу получения изоцианатных форполимеров с содержанием 10-21 мас.% концевых NCO-групп, предназначенных для использования в качестве полимерной основы полиуретановых, полимочевинных и полимочевинуретановых напыляемых антикоррозионных покрытий и заливочных мастик.
Изобретение относится к области электротехники, а именно к кабельной технике и, в частности, к полимерным композициям на основе пластифицированного поливинилхлорида (ПВХ) с пониженными горючестью, выделением дыма и хлористого водорода при горении, предназначенным для изоляции внутренних и наружных оболочек проводов.
Изобретение относится к производству резиновых смесей, используемых для изготовления эластичных резиновых элементов, используемых в производстве пакерно-якорного оборудования нефтегазодобывающей отрасли.
Изобретение относится к резиновой промышленности, в частности к разработке эластомерных материалов уплотнительного назначения с высоким уровнем морозостойкости и низким значением остаточной деформации сжатия.

Изобретение относится к негорючим слабодымящим полимерным нанокомпозитам на основе полибутилентерефталата. .

Изобретение относится к мелкодисперсному порошку смолы функционального тетрафторэтилена (TFE), дисперсии функционального сополимера TFE, способу изготовления мелкодисперсного порошка экспандируемого функционального сополимера TFE, экспандированному полимерному материалу, способу его изготовления, а также композиционному материалу, включающему экспандированный функциональный TFE сополимер.

Изобретение относится к мембранной технике и технологии, в частности к способам получения композитных материалов на основе катионообменных мембран с полианилином, и может быть использовано в электродиализных аппаратах для процессов концентрирования солевых растворов и разделения многокомпонентных смесей.
Изобретение относится к способам получения композиционных материалов на основе химических волокон и ионообменных смол. .

Изобретение относится к технологии получения перфторсульфокатионитовых мембран и могут быть использованы при изготовлении мембранно-электродных блоков, применяемых в топливных элементах различного типа, в том числе в портативных электронных устройствах и т.д.

Изобретение относится к технологии получения газопроницаемых мембран, которые могут быть использованы в топливных элементах (ТЭ) при повышенных температурах эксплуатации (100°С и выше), метанольных ТЭ, электролизерах воды низкого и высокого давления и др.

Настоящее изобретение относится к области химических источников тока, а именно к материалу носителя для электрокатализаторов на основе диоксида титана, легированного рутением, для применения в качестве материала анода в спиртовых низкотемпературных топливных элементах с полимерной протонобменной мембраной.
Наверх