Создание асимметричных мембран в виде полых волокон из полиэфирсульфона методом двойной коагуляционной ванны

Проблема заключается в том, что прямое использование этих данных для формования полых волокон затруднено из-за существенных различий в условиях протекания процесса формования в первом и последнем случае.

В РХТУ им. Д.И. Менделеева разработано формование полых волокон из полиэфирсульфона (ПЭС). Выбор полимера основан на исключительной пригодности ПЭС для изготовления мембран. Полимер обладает ценным комплексом свойств: Тс=2300С, аморфное стеклообразное состояние, термостабильность и стойкость к окислению, высокие прочность и эластичность, стабильность при крайних значениях рН и низкая текучесть даже при повышенных температурах. Растворяется в кислотных и полярных растворителях.

Собственная селективность полимера в системе О2/N2 – 7 [9]. Для сравнения, типичный полимер для изготовления мембран для разделения данной газовой системы - поли(2,6 – диметил – 1,4 – фениленоксид) обладает собственной селективностью 4,4.

Реальная мембрана, которая изготовлена из ПЭС обладает селективностью 4, при производительности по азоту 1,97 л/(м2*ч*атм) [10].

Мембраны, пригодные для коммерческого использования в процессах газового разделения, должны обладать следующими характеристиками:

- высокой механической прочностью и стабильными свойствами при длительном воздействии высокого перепада давления над и под мембраной

(перепад давления порядка 5-7 атм.);

- оптимальным соотношением внешний/внутренний диаметр волокна.

От внешнего диаметра полого волокна зависит плотность упаковки мембран. Величина внутреннего диаметра волокна также имеет немаловажное значение. При создании пониженного давления внутри волокна, наблюдается падение уровня вакуума по длине волокна [11]. В случае газового разделения, падение вакуума не сильно влияет на изменение движущей силы процесса, но при малой величине внутреннего диаметра волокна падение движущей силы может оказаться заметным.

- мембрана должна обладать разделительными характеристиками, обеспечивающими возможность коммерческого использования данных волокон.

Процесс разделения на мембранах характеризуется двумя параметрами: селективностью и проницаемостью.

Производительность представляет собой количество вещества проходящее через единицу рабочей поверхности за единицу времени на единицу движущей силы (для газа- на единицу перепада давления).

Проницаемость газа через мембрану определяется тремя факторами – физической и химической структурой мембраны; свойствами газа; взаимодействием между материалом мембраны (полимером) и проникающим газом.

Первые два фактора определяют диффузионные характеристики данного газа, проникающего через данную мембрану и, таким образом могут быть описаны коэффициентом диффузии.

Третий фактор отождествляется с коэффициентом растворимости.

Следовательно можно записать, что:

P = D*S

где P – коэффициент проницаемости;

D – коэффициент диффузии;

S – коэффициент растворимости.

Селективность (для двухкомпонентной смеси) представляет собой отношение потоков компонентов:

a = Pi / Pj = (Si / Sj) (Di / Dj)

Таким образом селективность мембраны определяется двумя факторами – разностью в растворимостях компонентов разделяемой смеси (термодинамический фактор) и разностью в скоростях диффузии растворенных в мембране компонентов (кинетический фактор)

Применительно к промышленным условиям использования, производительность мембраны определяет размер аппарата, позволяющий производить заданное количество вещества (газа) в единицу времени. Чем выше производительность, тем меньше удельный объем оборудования.

Селективность определяет количество ступеней (аппаратов), которое позволяет получить требуемую концентрацию продукта. Чем выше селективность, тем на меньшем числе ступеней можно достичь требуемого обогащения продукта.

Поток компонента определяется по первому закону Фика:

J= - D* dc/dx

Где J – поток, dc/dx – изменение концентрации компонента по толщине мембраны, D – коэффициент диффузии.

Таким образом, поток вещества через мембрану тем больше, чем меньше толщина стенки.

Наиболее часто употребляемый метод приготовления асимметричных мембран – метод фазовой инверсии полимерного раствора.

Технология приготовления полимерных мембран методом фазовой инверсии заключается в приведении полимерного раствора в перенасыщенное состояние (путем прибавления нерастворителя или изменением температуры полимерного раствора). При этом полимер перераспределяется и фиксируется как гель либо в точке стеклования.

Невозмущенный равновесный полимерный раствор состоит из одной жидкой фазы.

При охлаждении раствора некристаллизующегося полимера можно достичь температуры, при которой раствор разделится на две фазы: обогащенную полимером и разбавленную. При дальнейшем охлаждении полимер - обогащенная фаза становится более концентрированной, а разбавленная фаза — еще более разбавленной. Иначе говоря, система имеет область нерастворимости, которая сужается с увеличением температуры вплоть до верхней критической температуры смешения.