Составная мембрана для разделения газовых смесей и способ ее изготовления

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

<111858547 (61) Дополнительный к патенту— (22) Заявлено 143.177 (21) 2542752/23-26 (23) Приоритет— (32) 15.11,76 (31) 742159 (33) США

Опубликовано 23.08.81.Бюллетень М 31

Дата опубликования описания 23.0881 (51)м )(„з

В 01 0 53/

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

В 01 D 13/00 (5З) А 532. 711. .66.067(088.8! (72) Авторы Иностранцы изобретения Джей Майлс Стюарт Хенис и Мари Ка (США) Иностранная фирма

"Монсанто Компани" (США) (71) Заявитель (54) СОСТАВНАЯ МЕМБРАНА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ

ГАЗОВЫХ СМЕСЕИ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к технологии разделения газовых смесей с помощью полупроницаемых мембран и может быть использовано для разделения воздуха, очистки .газовых выбросов, получения чистых компонентов иэ смеси газов в медицинской, микробиологической, пищевой, химической, металлургической и других отраслях промыш-to ленности.

В современных процессах мембранного газоразделения прохождение газа через полупроницаемые мембраны происходит путем диффузии в материале мемб-5 раны. За счет различного коэффициента диффузии осуществляется разделение газовых смесей по компонентам.

Известны полупроницаемые мембраны, в которых за счет анизотропности по толщине с одной стороны образован плотный слой, выполняющий основные разделительные функции. Благодаря небольшой толщине плотного слоя проницаемость через такую мембрану значи- 25 тельно больше, чем через плотную изотропную мембрану из того же материала f1) и (2 j.

Однако технология получения асимметричных мембран крайне сложная, использование различных материалов приводит либо к получению пористых мембран, у которых отсутствует селективность, либо к образованию слишком толстого плотного слоя, что значительно снижает проницаемость.

Известна составная мембрана для разделения газовых смесей, состоящая иэ пористой подложки с пустотами и покрывающего слоя. В таких мембранах на анизотропный по толщине пористый субстрат наложен ультратонкий слой материала с высокой разделительной способностью. Основной функцией пористой подложки является опора и защита наложенного слоя для предотвращения его повреждений. Подложки оказывают малое сопротивление прохождению выделенного иэ смеси компонента, а наложенный слой, эффективно разделяя смесь, благодаря своей малой толщине обладает высокой проницаемостью (3 1.

Однако составные мембраны такого рода для разделения газовых смесей сложны в изготовлении, так как даже мельчайшие посторонние частицы размером ниже 3000 А, попадая под или между предварительно изготовленными

8 э854 i у. .тратонкиM»» слоями, пробивают в

I l(! яедн их точечны»э отв ерс тия . Эти

»»рорывы с»»ижают действенность мембраны, которая теряет свок разделитель— ную способность, т.е. селективность.

Боле»з того, наложенный слой, даже будучи максимально тонким, в значительной степени снижает проницаемость составной мембраны по сравнению с проницаемостью ее пористой подложки.

Цель изобретения — повышение эффективности процесса разделения.

Эта цель достигается за счет того, что пористая подложка выполнена из материала, обладающего способностью селективного разделения, а покрывающий слой выполнен из материала, адгезионного с материалом пористой подложки и обладающего более низкой способностью селективного разделения.

Пористая подложка может быть выполнена анизотропной по толщине, а покр».»вающий слой в этом случае расположен со стороны более плотного участка.

Пористая подложка может быть выполнена также в виде полого волокна, а покрывающий слой в этом случае расположен на его внешней поверхности.

Покрывающий слой всегда выполнен из материала, наносимого на пористую подложку в жидком виде и отверждающегося на ней.

Пористая подложка, в основном,химически однородна, материал ее обладает способностью селективного разделения газовой смеси, однако наличие в подложке пор, проходящих через нс»о ее толщину, позволяет проникать сквозь нее всем компонентам газовой смеси, которая при этом почти не разделяется. Кроме того, пористая подложка обладает значительным объемом пустот, доходящим до 90Ъ ее объема.

Плотность пористой подложки может быть одинаковой по всей толщине, а может быть и разной, т.е. пористая подложка является анкзотропной. При этом плотный участок подложки выполнен пористым, а это намного облегчает изготовпение таких подложек по сравнению с анизотропной селективной мембраной, и толщина плотного слоя может быть значительно меньшей.

Количество газа, проходящего через пористую подложку, а поэтому и влияние пористой подложки на свойства составной мембраны, зависит от соотношения общей поверхности подложки и общей поверхности поперечного сечения пор и их среднего диаметра.

Соотношение поверхностей может изменяться для различных материалов от 10: 1 до 10 :1. Наиболее предпочтительным

6 . является интервал 10 :1 — 10 :1. Средний диаметр пор также может изменяться в широком диапазоне (5 — 20 000 К ).

Н лучших мег»бра»»ах о»»:-аходится в пределах 5-700

Сyz» изобретения -аключается в том, что если на описанную пористую подложку определенным образом нанести покрывающий слой,. выполненный йз материала, облада»ощего более низкой способностью селективного разделения, то образовавшаяся составная мембрана будет обладать способностью селективаого разделения большей, чем отдельно пористая подложка и покрывающий слой, Этот факт,, являясь неожиданныМ для известных методик изготовления составных мембран, требующлх чтобы материал покрывающего слоя имел высокую способность селективного разделения, дает возможность изготавлива -ь составные мембраны из широкого спектра газоразделительных материалов.

Покрывающ»лй слой может представ— собой соприкасающуюся с пористой подложкой, но может быть и прерывистым, перекрыва 7 ющим только поры подложки, Толщина покрывающего слоя не превышает 50 мкм, но может доходить и до 0,0001 мкм.

Он может состоять из одного или нес— кольких отдельных слоев, выполненных из одного или разных материалов.

От способа нанесения покрывающего слоя могут зависеть функции составной мембраны.

На пористую подложку наносят вещества, содержащее материал покрывающего слоя,. таклм образом, чтобы пос« ледний оказывал минимальное сопротивление потоку газа. Покрь»вающий слой можно наносить,,например,напыленлем, окраской кистью, погружением в жидкое вещество и т.п,Иатериал покрывающего сло=; во всех случаях находится в жидкой фазе, в том смысле, что он не способен принять какую-либо форму без внешней оболочки. Этот материал представляет собой либо жидкость, либо раствор, л»ибо суспензию. Обычно при нанесенли покрывающего слоя на одну поверхность пористой подложки на другой ее поверхности создают вакуум.

Материал покрывающего слоя должен входить в адгезионное соприкосновение с пористой подожкой. Так„ например, при нанесении он должен в достаточной мере смачивать пористую подложку и хорошо сцепляться с ней.

Некоторые ограничения на выбор материала для покрывающего слоя накладывают соотношение размеров пор подложки и молекул или «асткц материала, Если размеры молекул илк частиц слишком велики по сравнению с порами подложки„ то материал не пригоден для достижения всестороннего контакта, и наоборот, при слишком малых размерах молекул или частиц материал может пройти через поры подложки при его нанесении или в процессе эксплуатации составной мембраны.

858547

Формула изобретения

Составитель А.Свитцов

Техред 3. Фанта Корректор C.låêìàð

Редактор Н.Егорова

7? 0/91 Рираж 706 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Заказ

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4 метилфосфат и т.п., а также любые с-.ополимеры, содержащие перечислен— ные повторяющие звенья, графт-полимеры и смеси, содержащие любое из приведенных соединений. Полимеры могут быть или не быть полимеризованы после нанесения на пористую подложку.

Перечисленные материалы для пористых подложек и покрывающих слоев являются лишь примерами материалов и их комбинаций для изготовления составных мембран согласно предлагаемому изобретению, они ни в коей мере не ограничивают объема предлагаемого изобретения, а приведены в качестве иллюстрации преимуществ этих материалов и широких возможностей их использования.

Для газоразделительных мембран важным параметром является их действительная разделительная толщина оз1 начающая толщину плотной (не порис- 2Q той ) мембраны из материала пористой подложки с той же скоростью проницания данного газа, что и у составной мембраны, т.е. эффективная разделительная толщина является частным 25 от деления постоянной проницаемости материала, из которой выполнена пористая подложка, на проницаемость составной мембраны. При снижении эффективной разделительной толщины составной мембраны скорость проницания отдельного газа повышается. Часто эффективная разделительная толщина составных мембран значительно ниже общей мембраны, в частности, если составная мембрана анизотропна. Обычно эффективная толщина разделения составных мембран относительно какогоо либо газа, находится ниже 100.000 А о и может составлять около 100-25000 А для например, СО, СО, азота, арго- 40 на, шестифтористой серы, метана и этана.

Составные мембраны могут быть от.носительно нечувствительными к действию загрязнений или примесей, т.е. мелких частиц, попадающих в них при изготовлении и затрудняющих изготовление составных мембран, получаемых из ультратонкой разделительной мембраны, наложенной на подложку. При- менение адгезионных средств при изготовлении составных мембран не является обязательным, следовательно составные мембраны согласно предлагаемому изобретению не сложны по структуре и технологии производства.

Они могут быть выполнены с высокой механической прочностью, ударной вязкостью и устойчивостью на истирание и химическое разрушение, обладая при этом высокими пропускной способностью и селективностью разделения,,а также низкими восприимчивостью к статическому электричеству и адгезией к смежным мембранам аппарате и т.п.

1. Составная мембрана для разделения газовых смесей, состоящая из пористой подложки с пустотами и покрывающего слоя, о т л и ч а ю щ а я с я тем,, что,,с целью повышения эффективности процесса разделения, пористая подложка выполнена из материала, обладающего способностью селективного разделения, а покрывающий слой выполнен из материала, адгезионного с материалом пористой подложки и обладающего более низкой способностью селективного разделения.

3. Составная мембрана по п.1, отличающаяся тем, что пористая подложка выполнена анизотропной по толщине, а покрываю ий слой расположен со стороны более плотного участка.

3. Составная мембрана по п.1, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что пористая подложка выполнена в виде полого волокна, а покрывающий слой расположен на его внешней поверхности.

4. Способ изготовления составной мембраны по пп.1-3,о т л и ч а юшийся тем, что покрывающий слой наносят на пористую подложку в жидком виде с последующим отверждением.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США 9 3307330,кл.55-16, опублик,1967.

2. Патент CfiJA Р 3133132,кл,264-49, опублик.1964.

3. Патент США Р 3980456,кл.55-158, опублик.1976.