Длинный

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5531 (2023) Цитировать эту статью

382 доступа

1 Цитаты

Подробности о метриках

Гибридные мембраны из поливинилиденфторида, кремнезема, гексадецилтриметоксисилана (PVDF-SiO2-HDTMS) были изготовлены с помощью метода фазовой инверсии, индуцированного нерастворителем, для создания стабильных половолоконных мембран для использования при мембранной контактной абсорбции диоксида углерода (CO2). Были сравнены и проанализированы поверхностные свойства, эксплуатационные характеристики и долговременная стабильность эксплуатационных характеристик полученных мембран. Внешние поверхности приготовленных мембран были супергидрофобными из-за образования на них шероховатых наноразмерных микроструктур и их низкой поверхностной свободной энергии. Добавление неорганических наночастиц улучшило механическую прочность PVDF-SiO2-HDTMS. Эксперименты по длительной стабильной работе проводились со смешанным входным газом (CO2/N2 = 19/81, об/об) при скорости потока 20 мл/мин. Абсорбирующей жидкостью в этих экспериментах был диэтаноламин (ДЭА) с концентрацией 1 моль/л при скорости потока 50 мл/мин. Массопереносный поток CO2 через мембрану PVDF-SiO2-HDTMS снизился с исходного значения 2,39 · 10–3 моль/м2с до 2,31 · 10–3 моль/м2с, снижение на 3% через 20 дней. Добавление высокостабильных и гидрофобных неорганических наночастиц предотвратило смачивание пор и структурное повреждение мембраны. Было обнаружено, что мембрана PVDF-SiO2-HDTMS имеет превосходные долгосрочные стабильные характеристики поглощения CO2.

Биогаз является перспективным возобновляемым источником энергии1, который в основном состоит из CH4 (55–65%), CO2 (30–45%)2 и других газовых примесей. Для того чтобы использовать его в качестве топлива, содержание в нем CH4 должно быть не менее 95%, поэтому поглощение углекислого газа (CO2) имеет большое значение для практического применения биогаза. Улавливание углекислого газа (CO2) из ​​биогаза с помощью контакторных систем с мембранными полыми волокнами исследовалось несколькими исследователями. В мембранной контакторной системе для абсорбции CO2 смешанный газ и жидкий абсорбент текут по противоположным сторонам половолоконной мембраны, а CO2 в газе поглощается жидким абсорбентом после прохождения через половолоконную мембрану. Мембрана из полых волокон действует как неселективный барьер между жидкой фазой и газовой фазой, отделяя газовую фазу от жидкой фазы и обеспечивая большую площадь контакта газ-жидкость. Исследования показали, что в процессе мембранно-контактного поглощения поглощающая жидкость проникает и смачивает поры мембраны3,4,5. Скорость диффузии CO2 в газе больше, чем в жидкой фазе. Это значительно увеличивает диффузионное сопротивление мембраны CO2, что приводит к быстрому уменьшению потока массообмена CO2. Поэтому половолоконную мембрану необходимо сделать гидрофобной.

Во время процесса мембранно-контактной абсорбции мембрана неизбежно будет смачиваться, поскольку давление жидкой фазы должно быть выше, чем давление газовой фазы, чтобы избежать образования пузырьков. Таким образом, разница трансмембранного давления продвигает абсорбент в поры, что смачивает их. Напротив, при использовании химического абсорбента свойства поверхности (размер пор, пористость, шероховатость и химический состав) мембраны изменяются из-за подверженности полимерного мембранного материала эрозии щелочными жидкостями6,7,8. Это увеличивает размер пор мембраны и уменьшает угол смачивания поверхности, тем самым уменьшая гидрофобность мембраны. Кроме того, при длительной эксплуатации испаряемый жидкий абсорбент попадает в поры мембраны и смачивает их по мере конденсации пара. Поэтому недавние исследования были сосредоточены на разработке супергидрофобных половолоконных мембран для долговременной стабильной работы процессов контактной абсорбции с мембраной9,10.

В наших предыдущих исследованиях супергидрофобные гибридные мембраны поливинилиденфторид-гексадецилтриметоксисилан (PVDF-HDTMS) были изготовлены с помощью метода фазовой инверсии, индуцированного нерастворителем, со смесью аммиака и воды в качестве добавки-нерастворителя, реагента для дегидрофторирования и HDTMS в качестве добавки. гидрофобный модификатор. Был проведен долгосрочный эксперимент по контактному поглощению мембраны CO2 для исследования долгосрочной стабильности мембраны в умеренно щелочных условиях. Было обнаружено, что массообменный поток CO2 мембранного контактора PVDF-HDTMS снизился всего на 17% и затем оставался стабильным в течение 17 дней контактной абсорбции мембраны с 1 моль/л диэтаноламина (ДЭА) в качестве абсорбента. Хотя было обнаружено, что мембраны PVDF-HDTMS обладают превосходной долгосрочной стабильностью, текущие исследования показывают, что возможны дальнейшие улучшения.