Gázelegyek vizsgálata

A több komponensű gázelegyekre vonatkozó tanulmányok száma valamivel kisebb, Myers et. al. [Myers, 2008], Hanioka et. al. [Hanioka, 2008] és Scovazzo et. al.

[Scovazzo, 2009 (a)] folyamatos rendszerben, Neves et. al. [Neves, 2010] pedig szakaszos működtetésű rendszerben végzett ilyen kísérleteket.

Míg Scovazzo és kutatócsoportja infravörös fényelnyelésen alapuló gázelemzővel követték nyomon a permeátum gázösszetételének változását, amiből viszonylag egyszerű számításokkal permeabilitás, ideális- és valódi szelektivitás értékeket kaptak, addig a többi tanulmányban gázkromatográfot alkalmaztak ugyanerre a célra.

Myers és munkatársai H2 és CO2 gázelegy szeparációját vizsgálták [H2NC3H6mim][NTf2] IF-kal készített membránnal, 37°C és 175°C hőmérsékleti határok között 10 kPa nyomáskülönbség alkalmazásával és arra a következtetésre jutottak, hogy az IF és a CO2 gáz között nemcsak fizikai, hanem kémiai kölcsönhatás is kialakult, ami a megnövekedett CO2 permeabilitásnak köszönhetően nagyobb CO2/H2

szelektivitást, azaz jobb gázszeparációs tulajdonságot eredményezett. Míg a gázok permeabilitása nőtt a hőmérséklet emelésével, a CO2 esetében 37°C és 95°C között 100-ról 1000 Barrer-re, addig a valódi szelektivitás maximuma 85°C-on jelentkezett [Myers, 2008].

Hanioka és kollégái 100% relatív páratartalmú CO2 és CH4 elegy szeparációjára vonatkozó kísérleteket hajtottak végre [bmim][NTf2] és a CO2 gázzal kémiai kölcsönhatásba lépő [C3NH2mim][NTf2] és [C3NH2mim][CF3SO3] IF-okat tartalmazó támasztóréteges membránokkal 25°C és 75°C között, 2-50 kPa CO2 parciális nyomás és nagyjából 101 kPa nyomáskülönbség mellett. Míg a [C3NH2mim][NTf2] és a [C3NH2mim][CF3SO3] IF-oknál a CO2 parciális nyomásának növelése a CH4

permeabilitás csökkenését, illetve a CO2 permeabilitás és a CO2/CH4 valódi szelektivitás növekedését eredményezte, addig a [bmim][NTf2] esetében semmilyen változást nem tapasztaltak. A hőmérséklet emelésekor a CO2 permeabilitása 500-ról 1500 Barrer értékre, a CH4-é 100-ról 850 Barrer-re nőtt, a szelektivitás pedig 50-ről nagyjából 15-re csökkent. A folyadékmembránok élettartamának tanulmányozására irányuló, 260 napig tartó kísérletek alapján bebizonyosodott, hogy ezek a membránok meglehetősen stabilak, hiszen sem a CO2, sem a CH4 permeabilitás, sem pedig a szelektivitás nem mutatott szignifikáns csökkenést, vagy növekedést [Hanioka, 2008].

Scovazzo és munkatársai [bmim][BETI], [emim][dca], [emim][CF3SO3], [emim][BF4], [emim][NTf2] és [hmim][NTf2] felhasználásával készült membránok permeabilitását és szelektivitását tanulmányozták CO2/CH4 és CO2/N2 kétkomponensű gázelegyek és tiszta N2, CO2 valamint CH4 gázok esetében. Az állandó 30°C hőmérsékleten és 207 kPa nyomáskülönbség mellett végrehajtott kísérletek eredményei azt mutatták, hogy a gázelegy összetételének változtatása hatására sem a permeabilitás sem pedig a szelektivitás értékek esetében nem tapasztaltak szignifikáns változást.

Továbbá megállapították, hogy az ideális és valódi szelektivitások nagyjából megegyeznek egymással, aminek oka az, hogy a szelektivitást elsősorban a gázok oldhatósága (és azok aránya) határozza meg, ami adott körülmények között, egyéb más gázok megjelenésével is többé-kevésbé változatlan marad. A támasztóréteges folyadékmembránok mindegyike a CO2-ra nézve rendelkezett a legnagyobb, [emim][CF3SO3] esetében például mintegy 1170 Barrer nagyságú permeabilitással, ezt követte a CH4, majd a N2. A hosszútávú kísérletek ezúttal is arra engedtek következtetni, hogy ezek a membránok akár 30-100 napig is képesek stabilan, szignifikáns teljesítmény csökkenés nélkül működni. A Robeson féle ábrázolásmód segítségével pedig fény derült arra, hogy a [hmim][NTf2] kivételével mindegyik IF-ot tartalmazó membrán az akkori felsőhatár fölött helyezkedett el [Scovazzo, 2009 (a)].

Ugyanebben az évben Scovazzo publikálta gázoldhatósági és diffuzivitás modelljét, valamint feltüntette többek között az [emim][BF4], [emim][OTf], [bmim][PF6], [N(4)111+][NTf2], [N(6)111+][NTf2], [N(10)111+][NTf2], [N(6)222+][NTf2], [N(1)444+][NTf2], [thtdp][dca], [thtdp][NTf2], [S(1)22][NTf2] és [S(2)22][NTf2] IF-okkal készült membránok N2, O2, CO2 és CH4 gázokra vonatkozó permeabilitás és szelektivitás értékeket. A [bmim][PF6] IF esetében, N2, CO2 és CH4-ra például rendre 544, 21 és 40 Barrer permeabilitásokat kapott [Scovazzo, 2009 (b)].

Neves és kutatótársai [bmim][PF6], [omim][PF6], [bmim][BF4], [dmim][BF4] és [bmim][NTf2] IF tartalmú membránok N2, H2, O2, CH4 valamint CO2 tiszta gázok, CO2/N2 és CO2/CH4 gázelegyek gázpermeabilitására, továbbá a biner elegyek ideális- és valódi szelektivitására vonatkozó vizsgálatokat végeztek 0,7 bar nyomáskülönbség mellett állandó 30°C-on. Kísérleteket hajtottak végre továbbá a támasztóréteges folyadékmembránok stabilitásának és a gázáram víztartalmának permeációra gyakorolt hatásának tanulmányozására.

A tiszta gázos kísérletek alapján, ami során megmérték az egyes gázok diffuzivitását és oldhatóságát is, arra derült fény, hogy a membránok a legnagyobb oldhatóságú CO2 -ra nézve rendelkeztek a legmagasabb permeabilitás értékkel, ezt követte a legnagyobb diffuzivitású H2, majd a CH4, az O2 és végül a legkisebb diffuzivitással és oldhatósággal rendelkező N2. A permeabilitás és ideális szelektivitások ismeretében készített Robeson féle ábra szerint a vizsgált membránok a CO2/CH4 gázelegyre nézve mind az aktuális felsőhatár felett helyezkedtek el.

A kevert gázos kísérletek alapján kiderült, hogy Scovazzo tanulmányához hasonlóan, ebben az esetben sem volt szignifikáns különbség az ideális és a valódi szelektivitás értékek között. Mindkét gázelegy esetében figyelemreméltó eredményeket értek el, a CO2/N2 szelektivitás a [bmim][PF6] és a [bmim][BF4] esetében rendre 23 és 35 volt, míg a CO2/CH4 szelektivitások ennél sokkal magasabb, 228 és 113 értékeket értek el.

A stabilitásra irányuló vizsgálatok során a membránok tömegét mérték egyre növekvő nyomáskülönbségek mellett és megállapították, hogy a membránok tömege 2 bar értéken hirtelen lecsökkent, vagyis az IF elhagyta a pórusokat, a membránok pedig gázszeparációra alkalmatlanná váltak.

Továbbá arra a következtetésre jutottak, hogy a vizsgált N2, CH4 és CO2 gázok esetében a víztartalom növelésével nőtt az egyes membránok permeabilitása, míg CO2/N2 és CO2/CH4 szelektivitásuk csökkent, amit az IF-ban kialakult kisebb viszkozitással és szelektivitással rendelkező víz mikrokörnyezettel magyaráztak [Neves, 2010].

Az elmúlt tizenöt évben született publikációk bebizonyították, hogy az IF-kal készített támasztóréteges folyadékmembránok gázszeparációra történő alkalmazása nemcsak tudományos szempontból jelentős, hanem a megfelelő kutatási eredmények birtokában gazdaságos ipari felhasználásuk is kivitelezhető lehet.

Az ipari alkalmazásig azonban sok olyan információra van szükség ezekkel a membránokkal kapcsolatban, amit a szakembereknek még nem volt lehetőségük megszerezni a témában végzett kutatómunka fiatal kora miatt.