Membránové jednotky: kryogenní jednotky kryogenní. Čistota kyslíku, % Čistota dusíku, % jednotky. adsorpční membránové jednotky.

Transkript

1 Čstota dusíku, % Čstota kyslíku, % adsorpční jednotky kryogenní jednotky kryogenní jednotky membránové jednotky 8 adsorpční jednotky membránové jednotky Tlaková láhev Tok dusíku, m 3 (STP)/h Tlaková láhev nebo kapalný dusík Kapalný dusík Tlaková láhev Tok kyslíku, m 3 (STP)/h Tlaková láhev nebo kapalný kyslík Kapalný kyslík Membránové jednotky: Výhody: - nízké nvestční a provozní náklady - nedochází k fázové přeměně složek - vysoká spolehlvost - kompaktní rozměry, moblta evýhody: - membránové jednotky nejsou vhodné pro přípravu vysoce čstých plynů 1

2 Transport mechansm: soluton/dffuson Drvng force: partal pressure dfference Selectve materals: cellulose acetate, polysulfone, polymdes, polyaramdes, polyphenyleneoxde, polydmethylsloxane Applcatons: - hydrogen removal from ammona purge streams - ntrogen producton from ar - removal of C 2 from natural gas - dehydraton of gas streams - separaton of organc vapors from ar - hgh selectvty - hgh flux - stablty to all feed components - mechancal stablty - low manufacturng costs - long lfetme

3 Dle původu: Přírodní Syntetcké Dle morfologe : Isotropní membrány Rozdělení membrán organcké anorgancké hybrdní (kompoztní materály) organcké (polymerní) Dle materálu: Polymerní Uhlíkové Keramcké Kovové Mkroporézní eporézní, homogenní S elektrckým nábojem S cylndrckým póry Ansotropní membrány kapalna Polymerní matrce Integrální membrána dle Loeba-Sourrajana Kompoztní membrána Ukotvené kapalné membrány 3

4 Mechansmus: rozpouštění-dfuze p 0, Homogenní membrána c 0, (předpoklad: deální plyn) c, p, Tok: dc J D dx c S. p I. Fckův zákon Henryho zákon J D c 0, c, [ustálený stav], [D ] Koefcent propustnost: Fyzkální jednotka: 3 cm STP P D.S 2 J cm s cm D S cmhg p p P p p 0,, P 0,, P Δp α/jdeal Ideální selektvta Pj cm STP cm 1 Barrer 10 2 cm s 1 18 m STP m -16 mol m Barrer 7,5.10 3, cmhg m s Pa m 2 s Pa 4

5 Transport plynu v porézních membránách vskózní tok Knudsenův tok molekul. sítování, povrchová dfuze sorpce-dfuze Knudsenův tok nepřímo úměrný druhé odmocnně molární hmotnost plynu J knud 8r( p1 p2 ) 3L 2MRT Dvojce plynů Ideál. Selektvta H 2 / 2 3,73 H 2 /C 3,73 H 2 /H 2 S 4,11 H 2 /C 2 4,67 H 2 /S 2 5,64 2 / 2 1,07 2 /C 2 1,17

6 Statcká cela s konstantním objemem: nástřk - měří se nárůst tlaku v konstantním objemu tlakoměr membrána konstantní objem Dynamcká cela: - měří se objemový průtok a složení plynů ve směs

7 Polymer Permeablty 30 C (Barrer)* Selectvty H2 2 2 C2 H2/2 2/2 C2/2 Acetát celulosy Polydmethylsloxan Polymd (Matrmd) Polymethylpenten Polyfenyleneoxd Polysulfon * 1 Barrer = cm 3 cm/cm 2 s cmhg

8 Faktory ovlvňující transport plynů v polymerních membránách Vlv vlastností penetrantu (plynu) na rozpustnost a dfuz v polymerech Vlv polarty (jak penetrantu tak polymeru) Vlv teploty (obecně s teplotou permeablta roste) Vlv tlaku (permeablty většny nertních plynů s rostoucím tlakem klesá) Vlv velkost volného objemu polymeru (s rostoucím volným objemem se propustnost plynů zvyšuje) Vlv pohyblvost polymerních řetězců (s rostoucí pohyblvostí polymerních řetězců se propustnost plynu zvyšuje) Vlv krystalnty (krystalcká fáze se separace plynů neúčastní, je nežádoucí) Vlv síťování (se zvyšující se síťovou hustotou propustnost plynů klesá) Vlvy způsobu zpracování, tepelné hstore a stárnutí polymeru Vlv molární hmotnost (se snžujícím se průměrem molárních hmotností propustnost pro plyny roste) :57:20 8

9 Polymery s velm vysokým volným objemem P 2 Polymer PV (%) (Barrer) α( 2 / 2 ) PTMSP ,8 PMP ,0 Teflon AF ,0 PIM ,0 PIM ,5 PTMSP poly(trmethylslyl-1-propyn) (PMP) poly(4-methyl-2-pentyn) AF 2400 rozpustný perfluorovaný polymer na báz Teflonu ) PIM Polymery s vntřní mkroporoztou

10 PTMSP CH 3 C C n H 3 C S CH 3 CH 3 PMP PIM-1 Perfluorované polymery: dobrá flmotvornost, chemcká a termcká odolnost, nízká botnavost x x 100-x 100-x Teflon AF Hyflon AD x>>y x Cytop y

11 PEBAX Polyether block amde poly(ethylenoxd) (PE) (1) moblzované kapalné membrány (2) ontově výměnné membrány (3) dsperze polymer/kov (4) modfkované polymerní membrány. Klíčovým faktorem pro využtí usnadněného transportu je nalezení vhodného nosče s dostatečnou afntou k dané penetrující složce, který je možné technologcky zabudovat do funkční membrány

12 ejčastěj se přpravují polyreakcí aromatckých danhydrdů a aromatckých damnů Polymdy vykazují velm dobrou chemckou, termckou a mechanckou odolnost Polymdy nacházejí uplatnění zejména v elektrotechnce, mkroelektronce, leteckém průmyslu a kosmonautce Polymdy vykazují velm zajímavé transportní vlastnost pro plyny, proto se používají jako materály pro přípravu separačních membrán Příklad přípravy lneárních polymdů: + H 2 H 2 RT, 2 / 24h HC H C C H CH n - H 2 Typy monomerů: n Flexblní Rgdní Akceptor-donor komplex (DPA) (6FDA) 12

13 H 2 H 2 DA lneární jednotka H 2 H 2 H 2 Lneární (L) Větvící (V) Koncové (K) Průběh termcké mdzace: 100 C/3 h, 125 C/3 h, 150 C/2 h, 200 C/2 h a 250 C/1 h. 13

14 0 ps 4 ps 8 ps 12 ps 16 ps 20 ps

15 10, 0 1,0

16 Mxed matrx membranes (membrány se smíšenou matrcí) He 2.6Å Å CH 4 3.8Å 3.8 x 6.0 Å malá molekula velká molekula klkatá dráha Struktura ALP boční pohled (dvě vrstvy propojené skrze ethyl amonové onty) Structura ALP pohled shora Prostor jenž by mohl být přístupný pro malé molekuly plynů

17 Permeablta (Barrer) Selektvta 10,00 1,00 0,10 0, obsah ALP (hm.%) Permeablty pro vodík a kyslík se s rostoucím obsahem ALP téměř nemění, permeablta dusíku vykazuje nepatrný pokles H H2/2 2/ obsah ALP (hm.%) Selektvty pro H 2 / 2 a 2 / 2 s rostoucím obsahem ALP vykazují malé zvýšení hodnot µm 10 µm 2 µm 17

18 - elegant method for descrpton of transport propertes of composte membranes Composte membrane Selectvní vrstva (Matrmd) - layer thckness - surface porosty Gutter vrstva PTMSP R 1 R 2 R 3 R 4 R 1 1 /AP1 R 2 2 / P2A R /P A(1 ε) PA porous surface α, j P P 1 1j 1 1 P P 2 2j 2 2 R 4 0 R t P R 1 1 R t R 2R3 R R overall permeablty

19 Vysoký tok plynu skrze membránu může být dosažen snížením tlouštky membrány Se snžující se tloušťkou membrány se objevuje několk nevýhod: ízká mechancká stablta Problémy s jejch manpulací Vznk mkroskopckých defektů (pnholes) negatvně ovlvňujících selektvtu Může být překonáno použtím porézní podložky Porézní PA PPS netkaná textíle PDMS selektvní vrstva 100 μm povrch porézního PA Průměr póru (nm) 19

20 SEM mcrograph of surface, average pore dameter nm

21 Výhled do budoucnost Využtí unkátních vlastnotí graphenu Zabudování zorentovaných nanotrubek