Половолоконные газоразделительные мембраны

Газоразделительные свойства половолоконных мембран в первую очередь определяются проницаемостью компонентов газовой смеси через нее. Проницание газов через мембрану, в свою очередь, осуществляется по диффузионному и сорбционному механизмам: молекулы газа сорбируются на поверхности мембраны, диффундируют через матрицу мембраны и десорбируются с обратной стороны половолоконной мембраны. Исходя из структуры различают два типа мембран:

• композиционная
• асимметричная.

Композиционная половолоконная мембрана представляет собой композицию из пористой подложки с диаметром по от 50 мкм и выше и нанесенного на нее тонкого селективного слоя сплошного полимера (диаметр пор соответствует межмолекулярным расстояниям в матрице полимера – 0,3-1 нм) толщиной 10-100 нм. От композиционной асимметричная мембрана отличается тем, что выполнена целиком из однородного материала, однако так же имеет ярко выраженный тонкий селективный слой и пористое основание (подложку). В разделении газов определяющую роль играет селективный слой половолоконной мембраны, в то время как пористая подложка выполняет функцию каркаса для селективного слоя.

Микрофотографии среза половолоконнойполиимидной мембраны: 1 – селективный слой; 2 – пористый слой (подложка).

Половолоконные мембраны получили наиболее широкое распространение. Причина этого в высокой плотности упаковки, которую позволяют развить мембранные модули на основе такого рода мембран.

Половолоконные мембраны

Селективный слой половолоконных мембран, в зависимости от условий предполагаемой эксплуатации, может находиться либо на внешней либо на внутренней стенке волокна. В зависимости от этого различается и конструкция мембранного модуля – подача разделяемого газа осуществляется в трубное или межтрубное пространство модуля соответственно.  Движущей силой процесса является разница парциальных давлений компонентов газа по обеим сторонам мембраны.

Основными параметрами мембраны, определяющими процесс разделения, являются проницаемость и селективность:

• Проницаемость – количество вещества проходящего через единицу площади мембраны в единицу времени при единичном среднем градиенте парциального давления газов.
• Селективность – отношение проницаемостей компонентов.

Селективность характеризует разделительную способность мембраны и мембранного модуля в целом. Пути интенсификации процесса мембранного разделения заключаются в повышении производительности мембраны при сохранении высоких показателей селективности разделения.

Если селективность разделения (при неизменности внешних факторов) определяется исключительно внутренней структурой материала мембраны, то проницаемость имеет прямую зависимость с толщиной разделительного слоя мембраны. Таким образом, уменьшение толщины разделительного слоя мембраны будет повышать общую производительность половолоконных мембран и мембранных модулей и мембранных установок на их основе.

Нижняя граница, до которой целесообразно уменьшать толщину селективного слоя мембран, оценивается нанометровым диапазоном (10-100 нм), дальнейшее уменьшение слоя может привести к нежелательным последствиям-его деформации при эксплуатации с образованием микродефектов (трещин), которые повлекут за собой общее снижение селективности мембраны, мембранного модуля и мембранной установки в целом и, кроме того, сложно технически. Увеличение толщины слоя мембраны приводит к снижению производительности мембран и, как следствие, к увеличению габаритов мембранных модулей и газоразделительных установок.