RSS
Kategorie článku:
Vysoce propustné polymery s vysokým volným objemem (např. poly [1-(trimethylsilyl)-1-propyne PTMSP s 37 % částečného volného objemu [2]) obecně mají nízkou schopnost oddělit jednotlivé složky plynné směsi, a naopak polymery s nízkým volným objemem jako polyimid (PI) nebo polysulfon (PSV) jsou vysoce selektivní, ale jejich permeabilita je o několik řádů nižší. V zásadě lze říci, že sklovité polymery vykazují mnohem vyšší selektivitu, ale nižší propustnost v porovnání s kaučukovitými polymery [1-4]. Tyto faktory je třeba vzít v úvahu při navrhování vhodného procesu membránové separace, aby byla zajištěna dostatečná propustnost i selektivita.
Pro některé aplikace se specifickými provozními podmínkami, jako je separace CO2 ze spalin při středně vysoké teplotě, odstraňování korozivních plynů a vodní páry, většina z komerčních polymerů nicméně není vhodná. Proto jsou pro další rozvoj v této oblasti nutné nové typy polymerních membrán s účinnějšími separačními vlastnostmi.
Další pokrok v této oblasti vyžaduje nové nápady a přístupy pro překonání známého kompromisu v omezení propustnosti a selektivity, který reprezentuje horní mez (hranice maximální dosažené efektivity) Robesonova diagramu [5]. V poslední době vědci proto stále hledají sofistikovanější membránové materiály zaručující lepší prostupnost a selektivitu permeujících složek. Pozornost membránové komunity tak byla upřena na takzvané smíšené matrice membránových systémů (MMMs) [6] nebo kompozitní membrány (CM) s vysokým volným objem polymeru obsahující rovněž nanočástice [7]. Vložení pevných nanočástic v různých množstvích způsobuje zvláštní "rozbití struktury polymerních matric" a ovlivňuje vlastnosti polymerů (morfologii, mechanickou stabilitu, prostupnost apod.). V minulých letech bylo experimentálně prokázáno, že smíšené matrice membrán, které obsahují vysoký poměr zeolitů [8] a dobře rozptýlené "vločky" molekulárních sítí [9] vykazují lepší separační vlastnosti.
Vysoce volno-objemové amorfní skelné perfluoropolymery jako Teflon AF [11] a Hyflon AD [12] mohou tyto požadavky splňovat. Ačkoli mají výše zmiňované polymery vysokou permeabilitu pro plyny a dokonce i pro páry [13], jedním z jejich omezení nicméně je jejich relativně nízká selektivita. Tato selektivita může být zvýšena začleněním anorganických nebo organických plniv [14, 15]. Kombinací vysoce selektivních nízko volno-objemových polymerů s jistou dávkou vhodného nanoplniva a "vhodnou" strukturou by se mohla zvýšit propustnost bez ztráty selektivity. Polymer-nanokompozitní systémy přesto často trpí nedostatečnou kompatibilitou nanočástic a polymerní matrice mívá špatnou disperzi [16]. Úspěšnost nanokompozitních materiálů velmi závisí na náležité rovnováze mezi propustností polymerní matrice a nanočástic, rovněž porézní struktura, morfologie, orientace nanočástic a množství plniva mají zásadní vliv. Pro přípravu MMMs a CM membrán mohou být více či méně úspěšné různé přístupy, v závislosti na použitém materiálu a na procesu formování membrány. Většina z nich představuje radikální inovace v návrhu a vývoji nanostrukturovaných materialů [17].
Literatura:
1. A. B. Koltuniewicz, E. Drioli; Eds., Membranes in Clean Technologies, Theory and Practice; Wiley, Weinheim, 2008.
2. Y. P. Yampolskii, B. Freeman; Eds., Membrane Gas Separation, Wiley-VCH: Chichester 2010.
3. R.W. Baker, K. Lokhandwala, Natural Gas Processing with Membranes: An Overview,
Ind. Eng. Chem. Res., 47 (2008) 2109-2121.
4. W. J. Koros, W. C. Madde, Encyclopedia of Polymer Science and Technology; 3th ed., Edit. H.F. Mark, Wiley-Interscience: New York, 2004.
5. L.B. Robeson, The upper bound revisited, J. Membr. Sci., 320 (2008) 390-400.
6. E. Marand, T. Pechar, M. Tsapatsis, Mixed Matrix Membranes, US Patent 7,109,140 (2006).
7. T. C. Merkel, B. D. Freeman, R. J. Spontak, Z. He, I. Pinnau, P. Meakin, A. J. Hill, Ultrapermeable, Reverse-Selective Nanocomposite Membranes, Science, 296, (2002) 519-522.
8. X. Zhang and M. Tsapatsis, Mesoporous silica nanoparticles from a clear sol and their transformation to lamellar silicalite-1 particles and films, Micropor. Mesopor. Mater, 138 (2011) 239–242.
9. H.-K. Jeong, W. Krych, H. Ramanan, S. Nair, E. Marand, M. Tsapatsis, Fabrication of Polymeric/Selective Flake Nanocomposite Membranes and their Us in Gas Separation, Chem. Mater., 16 (2004) 3838-3845.
10. E. L. Cussler, S. E. Hughes, I. William, J. Ward, R. Aris; Barrier Membranes; J. Membrane Sci, 38 (1988) 161-174.
11. (a) A. Yu Alentiev., Yu. P. Yampolskii, V. P. Shantarovich, S. M. Nemser, N. A. Plate, J. Membr. Sci., 6 (1997) 123-132., (b) A. Tokarev, K. Friess, J. Machkova, M. Šípek, Yu. Yampolskii, Sorption and diffusion of organic vapors in amorphous Teflon AF2400, J. Polym. Sci. (B) 44 (2006) 832-844.
12. M. Macchione, J. C. Jansen, G. De Luca, E. Tocci, M. Longeri, E. Drioli, Experimental analysis and simulation of the gas transport in dense Hyflon. AD60X membranes. Influence of residual solvent, Polymer, 48 (2007) 2619-2635.
13. J. C. Jansen, K. Friess, E. Drioli, Organic vapour transport in glassy perfluoropolymer membranes: A simple semi-quantitative approach to analyze clustering phenomena by time lag measurements, J. Membr. Sci., 367 (2011) 141-151.
14. I. Pinnau, Z. He, Filled superglassy membranes, US Patent 6,316,684 (2001).
15. C. Liu, S. T. Wilson, Mixed matrix membrane incorporating microporous polymers as fillers, US Patent 7,410,525 (2008).
16. D. W. Schaefer, R. S. Justice, How Nano Are Nanocomposites? Macromolecules 40 (2007) 8501-8517.
17. G. A. Ozin, A. C. Arsenault, L.Cademartini; Eds., Nanochemistry-A Chemical Approach to Nanomaterials, The Royal Society of Chemistry, Cambridge 2009.
Přidat komentář