2. Anyagok és módszerek
2.3. Módszerek
2.3.2. Vizsgálatok szakaszos rendszerben
A kísérletekhez használt mérőrendszer, aminek elvi sémája a 2.1. ábrán látható, több berendezésből áll úgy, mint; a gázpalack (1), a membránt tartalmazó membránmodul (2), és a hozzá kapcsolódó nyomásmérő eszközök (3), az interface (4), a számítógép (5), valamint a feszültség átalakító (6).
2.1. ábra: A szakaszos kísérleti rendszer elvi felépítése
2.2. ábra: A membránmodul felépítése
A kísérletekhez használt gázokat gázpalackból engedtem a 2.2. ábrán bemutatott membránt tartalmazó, két részre bontható, saválló acélból készült henger alakú membránmodulba. A két részt több ponton csavarral rögzítettem egymáshoz, közöttük helyezkedik el a membrán, amit mindkét oldalról fémháló merevít. A szigetelést két O gyűrűvel oldottam meg, a membrán átmérője akkora, hogy a belső (D = 4,3 cm) és a külső (D = 6 cm) gyűrű között helyezkedik el, megakadályozva ezzel a membrán melletti gázátjutást.
A modulhoz tartozik továbbá kettő bemeneti és kettő kimeneti gömbcsap, valamint két tűszelep is. A gömbcsapok segítségével könnyen megoldható a megfelelő mennyiségű gáz modulba juttatása, illetve a gáz kijutásának megakadályozása. A tűszelepek pedig finom szabályozást tesznek lehetővé.
membrán fémháló
belső O gyűrű külső O gyűrű
gáz ki- és bevezető
fémháló
6 1
2
3 3
4 5
A modulhoz ezen kívül kettő, V0 és V1 jelölésű Swagelock típusú nyomásmérő eszköz csatlakozik, amik a nyomás értékeket feszültség jelként jelenítik meg (2.3. ábra).
2.3. ábra: A membránmodul és a hozzá kapcsolódó nyomásmérő eszközök
Az adatok egy interface-en keresztül a VI Logger elnevezésű program segítségével számítógépen követhetők és rögzíthetők (2.4. ábra). A program lehetővé teszi a mért feszültség értékek nyomás értékként történő megjelenítését a megfelelő összefüggések megadása után, mivel a nyomásváltozás és a feszültség változása között egyenes arányosság van.
2.4. ábra: A VI Logger program
Ehhez kalibrációs egyeneseket vettem fel úgy, hogy mindkét nyomásmérő esetében megmértem a modulban uralkodó nyomást, különböző feszültség értékeknél. A kapott nyomás értékeket a feszültség függvényében ábrázolva megkaptam a 2.5. ábrán feltüntetett egyeneseket, amelyek egyenleteit beírtam a programba. A feszültség átalakítóra, ami a nyomásmérőkhöz csatlakozik, azok megfelelő működéséhez van szükség.
Kalibráció (V0) y = 0,5101x - 1,0207
2.3.2.2. Kísérleti módszerek tiszta gázok vizsgálatára
A számítások elvégzéséhez fontos ismerni a modul teljes (Vö) és a két felének egyenkénti (V0 és V1) térfogatát, így először erre vonatkozó méréseket végeztem. A modulba egy pórusmentes poliimid membránt tettem, amin a gáz nagyon rövid idő alatt nem képes áthatolni. Egy ismert térfogatú gázpisztolyba N2 gázt vezettem és egy nyomásmérő segítségével megmértem a gáz nyomását. Ezt követően először a modul egyik, majd a másik felébe gázt juttattam a gázpisztolyból, miközben nyomon követtem a pisztolyban és a membránmodulban bekövetkező nyomásváltozást. Állandó hőmérséklet mellett a p1V1 = p2V2 (2.1.) egyenlet alapján kiszámítottam a modul két oldalának térfogatát, összegükből pedig megkaptam a membránmodul térfogatát.
V0 = 5,525 cm3 V1 = 3,718 cm3 Vö = 9,243 cm3
A további kísérletek során N2, H2, CH4 és CO2 permeációját vizsgáltam tizennégy féle IF-kal készített támasztóréteges folyadékmembrán esetében. A gázokat gázpalackból engedtem a membránmodulba. Kezdetben mindegyik gömbcsap és tűszelep nyitott állásban volt, így a gáznak lehetősége volt „átmosni” a modult, kiszorítva a benne található egyéb gázokat. Ezután elzártam a kimeneti csapokat és a gázáram szabályozásával beállítottam a modulban uralkodó kiindulási gáznyomást, majd elzártam a bemeneti csapokat. Ezt követően az egyik kimeneti csap kinyitásával kiengedtem a modul egyik felében lévő gázt (V0), így megfelelő nyomáskülönbség alakult ki a membrán két oldala között és megindult a modul másik felében lévő gáz (V1) permeációja a membránon át. A gáz mennyiségének változásával megváltozott a
modul két oldalát jellemző nyomás is, ezeket a nyomás értékeket 2 másodpercenként a számítógépes program regisztrálta.
2.6. ábra: A termosztátba helyezett membránmodul
A membránmodult egy termosztátba helyeztem az állandó hőmérséklet biztosítása érdekében (2.6. ábra). Erre azért van szükség, mert kis mértékű hőmérsékletváltozás nagy mértékű nyomásváltozást okozhat, ami szignifikáns hibához vezet, hiszen a folyamat nyomon követése a nyomásváltozás segítségével történik.
Ezután kísérleteket végeztem a gázpermeációs vizsgálatok reprodukálhatóságára vonatkozóan. Ehhez mindegyik IF-kal azonos módon három membránt készítettem és megmértem a H2, N2, CH4 és CO2 gázokra vonatkozó permeabilitásukat, majd kiszámítottam a permeabilitás értékek szórás négyzetét (S2).
Mivel a CO2 permeációja károsíthatja a támasztórétegként alkalmazott pórusos membrán anyagát, ezért erre irányuló méréseket is végeztem az alábbi módon. A membránokon először H2 gázt vezettem át egymás után háromszor, majd CO2-ot és végül ismét H2-t nyolc-nyolc órán keresztül és meghatároztam az egyes permeabilitásokat. Míg a H2 permeáció hatására a H2 gáz permeabilitásában bekövetkező változás azt mutatja hogyan változik a membrán permeabilitása az idővel, addig a CO2 permeáció előtti és utáni H2 permeabilitás és a CO2/H2 látszólagos szelektivitás változása a membrán gázszeparációs tulajdonságainak a CO2 permeáció hatására bekövetkező változásairól ad információt. Ezek ismeretében pedig könnyen megállapítható, hogy a bekövetkező változásokért valóban a CO2 felelős vagy sem. A kísérleteket minden esetben állandó 30°C hőmérsékleten 2 bar kiindulási nyomáskülönbség mellett végeztem el.
A támasztóréteges folyadékmembránok esetében a kapott permeabilitás és látszólagos szelektivitás értékek alapján kiválasztottam a négy legnagyobb permeabilitással és szelektivitással rendelkező membránt, illetve a gázszeparációra legalkalmasabb négy IF-ot.
A kiválasztott IF-okkal készített membránok segítségével megvizsgáltam a hőmérséklet és nyomáskülönbség permeációra gyakorolt hatását. A kísérletek során megmértem a membránok H2 és N2 gázra vonatkozó permeabilitását, valamint H2/N2
szelektivitását 1 bar, 2 bar, 3 bar, 4 bar, 5 bar, 6 bar, 7 bar, 8 bar, 9 bar és 10 bar kiindulási nyomáskülönbség mellett, mindegyik esetben 20°C, 30°C, 40°C, 50°C és 60°C hőmérsékleten. Az elvégzett kísérletek mindegyik esetben nyolc óra hosszúak voltak.
Ezután további vizsgálatokat végeztem a négy kijelölt IF-kal készített támasztóréteges folyadékmembrán élettartamára vonatkozóan úgy, hogy felváltva nyolc órán keresztül H2-t majd N2-t vezettem át a membránon 12-12 cikluson keresztül. Ezek során meghatároztam a membrán permeabilitását és H2/N2 szelektivitását, illetve azok változását.
A H2 és a N2 is inert gáznak tekinthető a membrán szempontjából, hatásukra nem következik be változás sem az IF-ban, sem a támasztórétegként használt PVDF membránban. Így a mérések során valóban csak a hőmérséklet, az idő, a nyomás és egyéb a permeálódott gáztól független, élettartamot befolyásoló tényezők hatásának vizsgálata történt meg.