Регистрация / Вход
Прислать материал

ГИБРИДНЫЕ МЕМБРАНЫ НА ОСНОВЕ ЗВЕЗДООБРАЗНЫХ ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩИХ МОДИФИКАТОРОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННО ЗНАЧИМЫХ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

Сведения об участнике
ФИО
Ростовцева Валерия Алексеевна
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Химия и химические технологии
Раздел области наук
Физическая химия. Электрохимия. Физические методы исследования химических соединений
Тема
ГИБРИДНЫЕ МЕМБРАНЫ НА ОСНОВЕ ЗВЕЗДООБРАЗНЫХ ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩИХ МОДИФИКАТОРОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННО ЗНАЧИМЫХ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
Резюме
В нашей работе мембрана была получена путем внедрения в полимерную матрицу гибридной макромолеклы. Для материала матрицы взяли поли(2, 6 – диметил – 1, 4 – фенилен оксид) (ПФО). Гибридная звездообразная молекула состоит из маленького центра, которым
является молекула фуллерена С60 , и ветвей, в роли которых выступают молекулы полистирола. Одна из сфер применения таких материалов это мембранные процессы разделения, в том числе первапорация и газоразделение. Термически свойства и особенности состава были изучены методом термогравиметрического анализа. Транспортные свойства мембран изучались на основе данных по сорбционным и первапорационным экспериментам со смесью двух спиртов.
Ключевые слова
звездообразные полимеры, фуллерен, мембраны, первапорация, газоразделение
Цели и задачи
Целью работы является:
• Создание эффективных функциональных материалов для процессов мембранного разделения смеси промышленно значимых органических растворителей и газовых сред
• Анализ закономерностей разделения бинарных смесей жидкостей и газов с учетом индивидуальных свойств мембран
Для достижения поставленной цели будут выполнены следующие задачи:
• подбор оптимального мембранного материала (необходимые характеристики - высокая термостабильность, химическая стойкость, механическая прочность, а также высокая эффективность при разделении)
• разработка новых эффективных мембран и исследование их физико-химических свойств
• анализ массопереноса при первапорации и газоразделении:
 изучение диффузионной способности молекул пенетрантов (скорости проникновения через мембрану)
 оценка возможности разделения выбранных жидких и газовых смесей мембранными методами
 проведение очистки органических смесей методом первапорации в широком диапазоне концентраций
 выделению промышленно значимых газов и растворителей высокой степени чистоты, в том числе из смесей азеотропного состава
Введение

В последние десятилетия в приоритетных направлениях промышленности выделяется задача внедрения более экологически чистых и экономически выгодных технологий. Диффузионные мембранные методы (такие как первапорация и газоразделение) - одни из наиболее эффективных способов очистки и концентрирования жидкостей и газов.

Основным фактором, препятствующим внедрению мембранных технологий, является ограниченный набор используемых функциональных материалов с заданными свойствами. 

 

Путем варьирования состава полимерной смеси можно изменять транспортные и эксплуатационные характеристики мембран в широких пределах. При этом часто улучшаются механические свойства мембран, и повышается их стабильность в контакте с разделяемыми веществами.

Методы и материалы

Для материала матрицы взяли поли(фенилен оксид). Гибридная звездообразная молекула состоит из центра фуллерена С60 и ветвей полистирола.

Методы исследования:

- термическая устойчивость, а также особенности состава полимерных пленок будут определены путем проведения термогравиметрического анализа

- морфология, оказывающая влияние на эксплуатационные характеристики мембран, будет изучена методом сканирующей электронной микроскопии

- анализ структуры полимеров проведен на основании данных по плотности, полученных флотационным методом

- особенность транспорта разделяемых жидкостей через исследуемые мембраны изучена путем проведения сорбционно-десорбционных и первапорационных экспериментов:

- сорбция проведена иммерсионным методом путем погружения образцов в жидкости. Изменение массы полимерных пленок будет контролироваться гравиметрическим методом. Десорбцию растворителей планируется провести на воздухе, в качестве адсорбентов для выделившихся паров растворителей будут использованы цеолиты.

- первапорация будет осуществляться в вакуумном режиме на лабораторной установке с применением ячейки непроточного типа из нержавеющей стали диаметром 14,8 см 2 при температуре 20-60 °С, состав пермеата будет контролироваться рефрактометрическим методом и методом газовой хроматографии.

- В процессе газоразделения были определены проницаемости газов через пленку с помощью лабораторной установки с высоким вакуумом и ячейкой с эффективной площадью 5.25 см2 при 50 оС.

Описание и обсуждение результатов

Физические свойства мембран

Температура стеклования композита уменьшается с увеличением добавки звездообразных макромолекул от 1 до 5 масс.%. Плотность мембран, измеренная флотационным методом в растворе сахарозы, возрастает при повышении содержания звездообразного полимера С60(ПС)6 в составе мембраны. Этот факт свидетельствует о том, что включение звездообразных макромолекул в ПФО матрицу приводит к компактизации структуры. При этом доля свободного объема в мембранах уменьшается.

Сорбция

При повышении содержания ФПС в мембране коэффициенты диффузии D обоих компонентов уменьшаются, что связано с увеличением плотности мембран. Но при этом обращает на себя внимание тот факт, что коэффициент диффузии ЭГ уменьшается практически на два порядка. Этот факт отражается на транспортных свойствах мембран при разделении смеси метанол-этиленгликоль в процессе первапорации. 

Первапорация

Все мембраны показали высокое сродство по отношению к метанолу, и пермеат оказался обогащенным метанолом. При увеличении содержания метанола в исходной смеси его количество в пермеате тоже увеличивалось, а этиленгликоля - уменьшалось. Следует отметить, что увеличение количества добавки C60(ПС)6 в мембране способствовало возрастанию количества метанола в пермеате. Наиболее обогащённый метанолом пермеат получен при использовании мембраны ПФО+5%C60(ПС)6 при первапорации смеси, содержащей 30 масс.% метанола.

Мембраны, содержащие С60(ПС)6, оказываются более эффективными при разделении смеси метанол-этиленгликоль, чем немодифицированные ПФО мембраны, а величина фактора разделения растет с увеличением количества добавленного звездообразного С60(ПС)6.

Было исследовано влияние температуры на процесс первапорации. При нагревании подвижность полимерных цепей и кинетическая энергия молекул разделяемых веществ одновременно увеличиваются. В то же время увеличивается движущая сила массообмена, так как давление насыщенных паров растет с наружной стороны мембраны, но не изменяется внутри неё. Оба этих факта способствуют увеличению потока. 

Газоразделение

Исследованные мембраны отличаются умеренной проницаемостью при хорошей по сравнению с аналогами селективностью разделения большинства практически значимых пар газов: O2/N2, H2/N2, CO2/CH4, CO2/N2, N2/CH4

Селективность для наиболее значимых пар газов O2/N2, H2/N2 и H2/CH4  для модифицированных мембран превосходят аналогичные параметры ПФО. Модификация звездообразными макромолекулами изменяет химическую структуру и морфологию ПФО, значительно влияя на физико-химические свойства мембран, что отражается и на результатах исследования газоразделения. 

Компактизация структуры при введении звездообразных модификаторов способствует значительному падению проницаемости молекул азота, что и определяет возрастание селективности для пар газов H2/N2 и O2/N2.

Используемые источники
1. Feng, X. Huang, Liquid separation by membrane pervaporation: A review /Xianshe Feng, Robert Y. M. // Industrial & Engineering Chemistry Research. – 1997. – V. 36. - P.1048-1066.
2. Baker, R.W. Membrane Separation. In book: Encyclopedia of Separation Science. Elsevier, 2000, - 189p.
3. Мулдер, М. Введение в мембранную технологию; М.:Мир,1999.– 513c.
4. Pal, R. Permeation models for mixed matrix membranes /Rajinder Pal // Journal of Colloid and Interface Science. – 2008. – V. 317. - P. 191–198.
5. Kulprathipanja, S. Separation of fluids by means of mixed matrix membranes / S. Kulprathipanja, R. W. Neuzil and N. N. Li // US Pat. No. 4,740,219. – 1988.
6. Wu, C.T. A non-syn-gas catalytic route to methanol production / Wu, C.T. Yu, K.M. Liao, F. Young, N. Nellist, P. Dent, A. Kroner, A. Tsang, S. // Nature Communications. -.2012. – V.3. – P. 1050-1058.

Information about the project
Surname Name
Rostovtseva Valeriia
Project title
Mixed matrix membranes with hybrid star-shaped macromolecule with C60 core for separation of liquid and gas mixtures
Summary of the project
Mixed matrix membranes are able to combine advantages of both organic and inorganic materials. One of the greatest application of this materials is found in membrane separation process such as pervaporation: a process which is widely used for the purification, concentration and fractionation of liquids including azeotropic,
close boiling-point and thermally unstable mixtures, and gas separation. The main aim of this work is to create and study thoroughly mixed matrix membranes. Star shaped macromolecules with fullerene C 60 branching center were used as a modifier of poly(2,6-dimethyl- 1,4-phenylene oxide) matrix to obtain mixed matrix membranes. The type of star modifier was synthesized i) six-arms star with six polystyrene arms grafted onto C 60 centre. Methanol – ethylene glycol mixture was chosen to test separation properties of obtained membranes.
Keywords
star polymers, fullerenes, poly(phenylene oxide), membranes, pervaporation, gas separation