Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Верхний слой (.2)
Пора(3)
Пористый подслой (4)
Рис. VI-16. Схема асимметричной мембраны и соответствующего электрического аналога.
Верхний слой пористого подслоя VI)
Закрытая пора (3)
Пористый подслой (4)
Рис. VI-17. Схема композиционной мембраны и соответствующего электрического аналога. 1 — покрытие, 2 — верхний слой асимметричной мембраны, 3 — закрытая пора, 4 — пористый подслой.
стает. Это можно объяснить с помощью модели сопротивлений, которая объясняет эффективность высокопроницаемого и низкоселективного бездефектного покрытия. Поток газа через мембрану на единицу площади в единицу времени выражается формулой
J = — Ар или
_J__ Р Ар ?
(VI-42)
Суммарный коэффициент проницаемости Р может быть представлен как
т = Rtot (VI-43)
где Rtot — общее сопротивление мембраны. Для мембраны без покрытия общее сопротивление i^tot.un (см. рис. VI-16) дается выражением
Дю1,ип = №1 + Дз1)-1 + Я4 (VI-44)
Для общего сопротивления мембраны с покрытием (рис. VI-17) можно записать
tftot,c = Ri + (R21 + Rs1)'1 + ъ (VI-45)
Если принять, что сопротивление подложки (Л4) пренебрежимо мало, для потоков через мембрану без покрытия (JUn) и с покрытием ( Jc) можно соответственно записать:
Лm _ Рч 4- Pi(A2/A3)
А
Ар
Ар ?2
-1
(VI-46)
(VM7)
Здесь ?\ — толщина слоя-покрытия, ?2 — толщина верхнего слоя в асимметричной мембране, А2 — общая площадь поверхности пор, A3 — площадь поверхности твердого полимера (отношение А2/А3 определяет поверхностную пористость).
Рис. VI-18 представляет зависимости потока и селективности от поверхностной пористости мембран без покрытия и с покрытием. Можно видеть, что процедура покрытия мембраны проницаемым и низкоселективным полимером оказывается очень эффективной для получения бездефектного слоя. Для мембран без покрытий любой дефект будет приводить к снижению селективности, в то же время в мембране с покрытием даже заметная поверхностная пористость
Рис. VI-18. Селективность а и проницаемость Р/1 в зависимости от величины поверхностной пористости композиционной и асимметричной мембраны.
(с концентрацией дефектов вплоть до 10“ 2%) допустима без какого-либо снижения селективности. Нанесенное покрытие практически не влияет на проницаемость. Следовательно, данный метод позволяет оптимизировать мембрану без покрытия по отношению к потоку. Несмотря на то что некоторые дефекты могут оставаться открытыми при уменьшении толщины верхнего слоя, их влияние нивелируется слоем-покрытием.
Следовало бы еще раз подчеркнуть, что эксплуатационные характеристики таких композиционных мембран определяются асимметричной мембраной (точнее, характеристическими свойствами полимера, использованного для изготовления мембраны), функция же слоя-покрытия заключается лишь в закрытии пор (дефектов).
Имеется другой тип композиционных мембран, также состоящих из подложки и верхнего слоя, но в них стадией, определяющей скорость процесса, является транспорт через тонкий верхний слой. В рамках модели сопротивлений это означает, что сопротивление тонкого верхнего слоя во много раз превышает сопротивление подложки и что эффективность разделения определяется характеристическими свойствами покрытия. Иногда между подложкой и верхним слоем используют высокопроницаемый третий слой (например, полидиме-тилсилоксан), который служит промежуточным слоем, или «накопителем». Если поверхность суппорта высокопориста, то достаточно трудно нанести непосредственно на нее тонкое селективное покрытие. Кроме того, если верхний слой изготавливается из стеклообразного полимера, то часто бывает трудно получить этот слой без дефектов. В таких случаях трехслойные, или «двойные композиционные», мембраны могут быть подходящим решением [21]*.
Мы уже описывали некоторые методы нанесения тонкого селективного слоя поверх подложки, например, осаждение путем погруже-ни или плазменная полимеризация. Плазменная полимеризация дает очень тонкие верхние слои с трудно контролируемой структурой, в то же время осаждение путем погружения позволяет легко варьировать толщину слоя путем изменения концентрации полимера в растворе. При использовании плазменной полимеризации для получения бездефектных мембран часто необходимо иметь промежуточный непористый слой.
VI. 4-2-5. Применения
Для обычных газовых смесей многоступенчатое газоразделение в целом не очень эффективно (см. гл. VIII). Мембраны должны сочетать большие потоки с относительно высокой селективностью. Одна-
* Существуют и другие способы решения этой задачи. Например, предлагалось заполнять пористую подложку летучей жидкостью, несмешиваемой с растворителем, используемым для нанесения покрытия. После того как покрытие нанесено в виде относительно тонкого слоя, жидкость из пор удаляется. — Прим. ред.
