Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Gi/j, ideal = (VI-37)
Ч
Для многих газовых смесей реальный фактор разделения отличается от идеального из-за возможной пластификации, которая наблюдается, если проникающий газ обладает химическим сродством к полимеру. Вследствие пластификации проницаемость возрастает, но селективность, как правило, уменьшается.
Реальный фактор разделения зависит также от отношения давлений по обе стороны мембраны. Максимальная эффективность разделения достигается при больших значениях отношения давлений (или когда pi/po —> 0), и селективность уменьшается при уменьшении этой
Сырье Компрессор
Ретентат
Пермеат Вакуумный насос
Рис. VI-15. Схема процесса газоразделения.
величины (см. также гл. VIII). Движущую силу процесса можно создавать, прикладывая высокое давление на входе в мембрану или поддерживая низкое давление со стороны пермеата. Схема процесса газоразделения представлена на рис. VI-15.
VI.4‘2.3. Аспекты газоразделения
Коэффициент проницаемости Р является сугубо характеристическим параметром и легко оценивается экспериментально путем определения проницаемости на основе уравнения VI-34 при использовании мембран с известными толщинами. Общепринятой единицей измерения коэффициента проницаемости является баррер (1баррер = Ю~10см3(н.у.) • см • см-2 • с-1 • (смрт.ст.)-1 = 0,76 • 10~17м3 (н.у.) • м • м~2 • с-1 • Па-1).*
Размерность коэффициентов проницаемости указывает, на зависимость потока от толщины и площади мембраны, а также давления. В случаях неприменимости закона Генри коэффициент проницаемости перестает быть константой и зависит от движущей силы, т. е. при изменении давления коэффициент проницаемости Р принимает различные значения. Тем не менее, коэффициент проницаемости остается по-прежнему удобным параметром для сравнения эффективности различных мембран для разделения определенных смесей, а также для сравнения поведения различных газов в определенном материале. Для описания законов газоразделения необходимо учитывать и другие факторы, связанные с природой полимера (его химической структурой). В связи с этим особое значение приобретают два параметра: 1) температура стеклования и 2) кристалличность.
Температура стеклования определяет, в каком состоянии — сте-
* Стоящий в числителе размерности коэффициента проницаемости сомножитель см3(н. у.) (в англоязычной литературе обозначается cm3(STP)) или м3(н. у.) означает количество проникшего через мембрану газа, выраженного в единицах объема, занимаемого им при нормальных условиях, т. е. при 273 К и 1 атм. В единицах СИ коэффициент проницаемости следовало бы выражать моль/см • с • Па, однако эта единица не употребляется. — Прим. ред.
Таблица VI-7. Проницаемость различных полимеров по отношению к СОг и факторы разделения aXJ [53-55]
Полимер Р(С02), Р(С02)/Р(СН4)
баррер
Политриметилсилиллропин 33100 2,0
Силиконовый каучук 3200 3,4
Натуральный каучук 130 4,6
Полистирол И 8,5
Полиамид (найлон-6) 0,16 11,2
Поливинилхлорид 0,16 15,1
Поликарбонат (лексан) 10,0 26,7
Полису льфон 4,4 28,0
Полиэфирсульфон (виктрекс) 7,4 32,0
Полиэтилентерефталат (майлар) 0,14 31,6
Ацетат целлюлозы 6,0 31,0
Поли(эфиримид) (ультем) 1,5 45,0
Полиимид (каптон) 0,2 64,0
клообразном или высокоэластическом — находится полимер. Для аморфного полимера в стеклообразном состоянии сегментальная подвижность ограничена, в то время как в высокоэластическом состоянии термическая энергия может привести к вращению основной цепи. Температура стеклования определяется главным образом гибкостью цепи и взаимодействием между цепями молекул. Эти параметры детально обсуждались в гл. II.
Обычно проницаемость через высокоэластический материал (каучук) гораздо выше, чем через стеклообразный, вследствие гораздо большей сегментальной подвижности, а селективность, наоборот, выше у стеклообразных материалов. В табл. VI-7 приведены коэффициенты проницаемости для диоксида углерода (в баррерах), а также отношение коэффициентов проницаемости, т. е. идеальные факторы разделения диоксида углерода и метана в различных полимерах.
Приведенные результаты показывают, что эластомеры обладают высокими проницаемостями и низкими селективностями, в то время как для стеклообразных полимеров характерны гораздо более низкие проницаемости и, как правило, более высокие селективности. Однако не найдено единого и однозначного соответствия между температурой стеклования и коэффициентами проницаемости; другими словами, a priori нельзя ожидать, что некоторый высокоэластический материал будет более проницаем, чем определенный стеклообразный по-
