Целлюлозно-углеродные молекулярные сита для разделения водорода

Производство водорода (H2) из природного газа считается одной из наиболее потенциальных технологий для низкоуглеродной энергетики в будущем и сокращения выбросов парниковых газов. По сравнению с обычными технологиями очистки H, технологии мембранной сепарации получили широкое внимание из-за их более высокой энергоэффективности и экологичности. Однако в настоящее время широко используемые разделительные мембраны H2 и CO2 обычно страдают от низкой производительности разделения, высокой стоимости и низкой стабильности при высокой температуре и высоком давлении. Поэтому по-прежнему сложно подготовить коммерчески жизнеспособные мембраны очистки H2. Мембраны углеродного молекулярного сита (CMS) изготавливаются путем контролируемой карбонизации полимерных прекурсоров при высоких температурах и имеют жесткие поровые структуры. Когда мембрана CMS превращается в полое волокно, подходящее для мембранного модуля, ожидается, что она будет обладать свойствами высокой температуры и сопротивления высокому давлению.
Целлюлоза имеет сильные межцепные и внутрицепные водородные связи, что делает ее плохо растворимой в большинстве растворителей, причем только несколько растворителей, таких как N-метилморфолин-N-оксид (НММО), ионные жидкости и неорганические соли, могут эффективно нарушать их сеть водородных связей. Тем не менее, получение точной диаграммы тройной фазы целлюлозы / растворителя / не растворителя все еще является сложной задачей из-за огромной вязкости этой системы.
Основываясь на этом, Xuezhong He et al. из Норвежского технологического университета подготовили мембраны из полого углеродного волокна (CHFM), регулируя температуру затвердевания и температуру конечной карбонизации системы целлюлозы / ионной жидкости / воды и использовали их для разделения H2.
Исследователи готовили асимметричные предшественники полого волокна целлюлозы с помощью сухого и влажного процесса прядения, а затем обменивались с водой для удаления исходного растворителя EmimAc и DMSO и, наконец, получали соответствующую микропористую структуру путем высокотемпературной карбонизации. Из изображений SEM можно обнаружить, что асимметричные структуры внешнего селективного слоя и пористого внутреннего опорного слоя около 3 мкм все еще сохраняются при использовании различных температур карбонизации. CHFM-550 при самой низкой температуре карбонизации имеет самую низкую твердость и модуль Юнга. С повышением температуры карбонизации твердость и модуль Юнга увеличиваются постепенно. Увеличение твердости и модуля можно объяснить внутренними структурными изменениями, вызванными повышением температуры карбонизации. В то же время, с повышением температуры карбонизации, поры достигают пика >5 Å ослабевают, в то время как поры достигают пика. Мембраны, приготовленные при более высоких температурах карбонизации, имеют более высокую селективность H2/CO2, но более низкую проницаемость H2, что указывает на то, что газопроницаемость в основном определяется диаметром движения молекул газа, т.е. механизмом переноса молекулярного сита. Когда соотношение sp3/sp2 уменьшилось с 0,73 до 0,36, проницаемость H2 снизилась с 466,8 GPU до 148,2 GPU, в то время как селективность H2/CO2 увеличилась с 11,1 до 83,9, что также позволило настроить производительность разделения газов путем корректировки структуры углерода. Из-за одновременного присутствия молекулярного сита и поверхностного диффузионного переноса молекул CO2 кажущаяся энергия активации CO2 относительно ниже по сравнению с H2, что указывает на то, что температура оказывает большее влияние на проницаемость H2, поэтому более низкая адсорбция CO2 при более высоких температурах приводит к увеличению селективности H2 / CO2. Когда мембрану подвергали воздействию лабораторной атмосферы в течение 50 дней, ее проницаемость H2 и селективность H2/CO2 снижались примерно на 40% и 10% соответственно, а газопроницаемость и газопроницаемость эффективно восстанавливались после термической обработки и продувки гелия. Необязательный.
CHFM демонстрирует отличную селективность H2/CO2 и высокую проницаемость H2 по сравнению с другими мембранами, из которых CHFM-850 демонстрирует самые высокие общие характеристики разделения газов с идеальной селективностью H2/CO2 83,9 при 130 °C, превосходя неполимерные пленки. При этом селективность CHFM-850 к H2/N2 составляет >800, а селективность H2/CH4 составляет >5700, что обеспечивает возможность очистки H2 в некоторых процессах.
Таким образом, эта работа произвела асимметричный целлюлозный полый волокнистый материал путем прядения микрокристаллической целлюлозы и EmimAc. Полученные полые волокна целлюлозы карбонизируют при высокой температуре для получения асимметричных мембран из полого волокна, микропористая структура которых помогает им отделять Н2 от других газов.