Половолоконные мембраны: как их создают и применяют для разделения газов

• Степан Баженов, научный сотрудник Института нефтехимического синтеза РАН, рассказывает о мембранах.  

• Ведущая Мария Калинина, доктор химических наук, представляет Степана.  

• Мембраны - это барьеры, позволяющие селективно транспортировать компоненты.  

• Примеры: кожа человека, оболочки клеток, альвеолы легких.  

• Мембраны используются для фильтрации воды и газов.  

• Разделение газов - важная задача в промышленности.  

• Чистые газы более реакционноспособны и легче перерабатываются.  

• Воздушные смеси также являются газами, и их очистка важна.  

• Мембраны работают за счет движущей силы, такой как разность химических потенциалов или градиент концентрации.  

• Пример с поездом метро иллюстрирует принцип транспорта через мембраны.  

• Важные характеристики мембран: проницаемость и селективность.  

• Мембраны бывают плоскими, цилиндрическими и асимметричными.  

• Плоские мембраны похожи на лист бумаги, цилиндрические - на полые волокна.  

• Асимметричные мембраны используют тонкие слои полимеров на подложках для снижения стоимости.  

• В пористых мембранах транспорт происходит через кнутсоновскую диффузию и сорбцию на стенках пор.  

• Важно не только соответствие пор по размеру, но и энергия взаимодействия вещества со стенками пор.  

• Размер пор влияет на механизм транспорта.  

• Маленькие поры могут пропускать только маленькие молекулы.  

• Не пористые мембраны работают по механизму растворения-диффузии.  

• Молекулы растворяются в мембране и диффундируют через тонкий слой.  

• Большие молекулы диффундируют медленнее из-за размерного эффекта.  

• Полимерные мембраны могут разделять молекулы по размеру и реакционноспособности.  

• Молекулы большего размера лучше растворяются в полимерных материалах.  

• Они выигрывают на старте, несмотря на меньшую скорость диффузии.  

• Это приводит к разделению молекул по размеру и реакционноспособности.  

• Группы внутри полимерной матрицы облегчают транспорт нужного компонента.  

• Это сравнимо с передачей кирпичей строителями.  

• Облегчающие группы ускоряют транспорт компонента.  

• Мембраны пакуются в рабочие модули для промышленного использования.  

• Трубчатые мембраны сложны в производстве и устойчивы к агрессивным средам.  

• Плоскорамные модули уменьшают концентрационную поляризацию и турбулизируют потоки.  

• Улучшение плоскорамных модулей с более высокой площадью мембраны.  

• Компактно упаковываются и используются для газов.  

• Полуволоконные мембраны дешевле в производстве и имеют высокую производительность.  

• Полуволоконные мембраны состоят из множества тонких волокон.  

• В одном модуле может быть до 1000 километров волокон.  

• Процесс производства включает герметизацию торцов и использование полиуретановых герметиков.  

• Фильера используется для получения полых волокон.  

• Процесс включает формирование стенки и внутренней полости.  

• Экструзия позволяет подавать воздух внутрь материала.  

• Используются конструкционные полимерные материалы.  

• Полисульфоны химически стойки и легко формуются.  

• Важна стойкость мембран для разделения газов.  

• Полисульфон растворяется в органическом растворителе.  

• Раствор подается в фильеру, а внутрь подается вода.  

• Происходит фазовый обмен, и образуется цилиндрическая структура.  

• Метод используется в промышленных масштабах.  

• Включает фильеру, емкость с полимерным раствором и внутренний осадитель.  

• Промывка волокна удаляет остаточный растворитель.  

• Установка разработана при поддержке Российского научного фонда.  

• Важен контроль влажности, давления и температуры.  

• Необходимы химики, физико-химики и инженеры для создания и масштабирования установки.  

• Метод фазовой инверсии используется для 60-70% полых волокон.  

• Термическое осаждение позволяет получать гомогенные мембраны.  

• Расплавный метод используется для сложных полимеров, таких как полипропилен и тефлон.  

• Структура мембраны зависит от задачи и используемой фильеры.  

• Варьирование размера фильеры позволяет получать разные типы мембран.  

• Трехканальные фильеры позволяют создавать композиционные мембраны.  

• Многоканальные мембраны позволяют создавать мембраны различных геометрий.  

• Увеличивают площадь контакта фаз и механическую прочность мембраны.  

• Профилированные мембраны увеличивают площадь на 20-30% при тех же размерах.  

• Основные методы производства включают полимерное литье.  

• Современные альтернативы включают 3D-печать фильер.  

• Фильеры изготавливаются из химически устойчивых материалов.  

• Спиральные мембраны создаются при помощи вращения фильеры.  

• Спиральная структура уменьшает концентрационную поляризацию.  

• Вихри внутри каналов уменьшают тонкие пограничные слои.  

• Полуволоконные мембраны широко применяются в газоразделении и мембранных биореакторах.  

• Мембранные биореакторы очищают сточные воды с помощью бактерий.  

• Мембраны работают как фильтры, задерживая бактерии и пропуская чистую воду.  

• Полуволоконные мембраны могут применяться для водородной энергетики.  

• Основная проблема водородной энергетики — отделение водорода от других газов.  

• Мембраны могут использоваться для выделения водорода из газов синтеза аммиака.  

• Полуволоконные мембраны ассоциируются с диализом и работой почек.  

• Мембраны для медицинских применений сравнимы по площади с промышленными мембранами.  

• Рынок медицинских мембран значительно выше в долларовом эквиваленте.  

• Мембранные контакторы используются для разделения фаз газ-жидкость.  

• Эти материалы востребованы в медицине, особенно в пандемию.  

• Искусственная вентиляция легких не подходит для людей с тяжелой формой COVID-19 из-за риска фиброза.  

• ЭКМО насыщает кровь кислородом вне человеческого тела.  

• Кровь забирается из вены, проходит через мембранный модуль и насыщается кислородом.  

• Мембраны используются для разделения газов и жидкостей.  

• Водород - маленькая молекула, что создает проблемы с его удержанием в полимерах.  

• Паровая конверсия метана - основной способ получения водорода.  

• Водород используется как топливо для топливных элементов или напрямую сжигается.  

• Исследователи разрабатывают устройства для получения кислорода из воды.  

• Эти устройства могут использоваться для дайвинга на больших глубинах.  

• Разделение углеводородов важно для химической промышленности.  

• Попутный нефтяной газ используется для получения ценных химических веществ.  

• Разрабатываются полимеры для селективного извлечения углеводородов.  

• Мембраны не биоразлагаемы, что вызывает вопросы об их утилизации.  

• Срок службы мембран составляет от двух до пяти лет.  

• Некоторые мембраны можно регенерировать, но это зависит от их применения.  

• В России нет производителей ЭКМО, все модули импортные и дорогие.  

• Диализные модули дешевле и проще в регенерации.  

• Кольцевые мембраны используются для разделения газов.  

• Мембранные контакты используются для разделения предельных и непредельных углеводородов.  

• Этилен является важным базовым продуктом для химического синтеза.  

• Ежегодное производство этилена составляет около 30 кг на человека.  

• Этилен получают пиролизом природного газа и нефтяных дистиллятов.  

• Смесь этилена и этана требует разделения для получения высокочистого этилена.  

• Мембраны заменяют металлоемкие аппараты для ректификации.  

• Мембраны используются с абсорбционной жидкостью для селективного поглощения этилена.  

• Нитрат серебра является эффективным реагентом.  

• Разрабатываются полуволоконные мембраны различных типов.  

• Пористые мембраны имеют меньше сопротивления переносу массы.  

• Композиционные мембраны обеспечивают более высокую проницаемость этилена.  

• Серебро осаждается в пористых мембранах, что снижает их эффективность.  

• Мембраны могут использоваться для фильтрации воды и создания замкнутого цикла на космических станциях.  

• На Марсе мембраны могут применяться для получения топлива из диоксида углерода и воды.  

• На Венере потребуются высокостойкие мембраны для фильтрации сернокислотного тумана.  

• Мембранная химия смотрит в будущее, требуя новых материалов для реализации новых технологий.  

• Без новых материалов невозможно создание современных технологий.  

• Мембранные технологии играют ключевую роль в освоении космоса и Марса.