[go: up one dir, main page]

RU2179064C2 - Способ модификации пористой структуры неорганических мембран пироуглеродом - Google Patents

Способ модификации пористой структуры неорганических мембран пироуглеродом Download PDF

Info

Publication number
RU2179064C2
RU2179064C2 RU99122654A RU99122654A RU2179064C2 RU 2179064 C2 RU2179064 C2 RU 2179064C2 RU 99122654 A RU99122654 A RU 99122654A RU 99122654 A RU99122654 A RU 99122654A RU 2179064 C2 RU2179064 C2 RU 2179064C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
membrane
porous structure
membranes
pyrocarbon
modification
Prior art date
Application number
RU99122654A
Other languages
English (en)
Other versions
RU99122654A (ru
Inventor
А.П. Солдатов
Е.И. Школьников
М.И. Рогайлин
И.А. Родионова
О.П. Паренаго
В.В. Волков
Original Assignee
Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева filed Critical Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева
Priority to RU99122654A priority Critical patent/RU2179064C2/ru
Publication of RU99122654A publication Critical patent/RU99122654A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2179064C2 publication Critical patent/RU2179064C2/ru

Links

Images

Landscapes

  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

Изобретение относится к созданию неорганических мембран с заданным размером пор. Углеводородное сырье подают в реакционную зону и пиролизуют при 700-1100oС, образовавшийся углерод фиксируется на мембране, что приводит к изменению ее пористой структуры. Используют углеводороды С1-8, а также бензол и его гомологи. Модификацию пористой структуры у анизотропных мембран на металлической подложке проводят при заневоливании и замедленном нагреве при скорости подъема температуры не более 6,2oС/мин. Изобретение позволяет создать разделительные мембраны с требуемыми селективностью и проницаемостью. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

Description

Изобретение относится к технологии изготовления неорганических мембран с заданным размером пор и требуемой пористостью, что позволяет получать разделительные элементы с необходимой для того или иного процесса селективностью и производительностью, а именно для ультрафильтрационного разделения жидких и газообразных смесей при их очистке или выделении целевого компонента, и может быть использовано в нефтеперерабатывающей промышленности, в процессах очистки и разделения газов, в пищевой промышленности.
Описан способ [1] получения анизотропных мембран, в котором за счет осаждения пироуглерода на пористой керамической или углеродной подложке формируют селективный слой. В качестве пористой основы применяют изделия с размером пор 2000- 50000
Figure 00000001
при этом авторы полагают, что, используя при пиролизе углеводороды, начиная с C3, они предотвращают нежелательное снижение пористости, которое имеет место при использовании метана. Данное положение весьма спорно, поскольку при указанных размерах пор подложки разница в размерах молекул C1 и C3-8, составляющая не более 10
Figure 00000002
незначительна и не является определяющим фактором.
Помимо этого авторы утверждают, что, пропуская пиролизуемый углеводород над подложкой, они формируют селективный слой на ее поверхности, что с учетом изложенных выше соотношений в размерах пор и пиролизуемых химических соединений является достаточно дискуссионным и требует корректных обоснований (измерение толщины образующегося слоя пироуглерода, контроль изменения объема пор и т.д.).
Кроме того, используя в качестве пиролизуемого вещества пропан-бутановую смесь при 1000oC, авторы фактически работают с продуктами ее деструкции, т. е. с углеводородами C1-2, тем более, что, несмотря на отсутствие в патенте описания установки, можно полагать, что рабочая газовая смесь нагревается постепенно.
Известен способ [2] повышения селективности половолоконных углеродных мембран, используемых в газоразделительных процессах, путем осаждения на их поверхность углерода, получаемого при пиролизе углеродсодержащих химических соединений (трихлорэтан, тетраметилметан) в паровой фазе. Причем предварительно для повышения проницаемости мембраны активируют путем обработки кислородсодержащим газом при 200-320oC.
Одним из недостатков этой работы является то, что авторы не контролируют изменений пористости и размеров пор, происходящих при осаждении углерода на поверхности мембран, а лишь фиксируют различия в их проницаемости до и после обработки.
Помимо этого неудачной является периодическая процедура нанесения углерода: реактор с мембраной, заполненный пиролизуемым веществом, нагревают до реакционной температуры, продувают инертным газом, охлаждают и т. д. Таким образом, на поверхности мембраны осаждают лишь углерод, полученный в результате разложения тех молекул пиролизуемого соединения, которые либо адсорбированы на ее поверхности, либо контактируют с ней.
В связи с этим данный метод улучшения селективности углеродных мембран целесообразно применять лишь к весьма узкому их классу, характеризующемуся размером пор до 8-10
Figure 00000003
поскольку, если использовать его для мембран на основе пористого углерода, размер пор которых составляет 0,1-0,01 мкм, то для заметного изменения их пористой структуры эту процедуру необходимо повторять десятки раз, что связано с многократным нагревом-охлаждением, развитием процессов спекания и т.п.
Данный способ является наиболее близким аналогом.
Задачей данного изобретения является создание разделительных элементов с требуемой селективностью и проницаемостью, которую достигают путем модификации пористой структуры неорганических анизотропных мембран пироуглеродом.
Поставленную задачу решают способом модификации пористой структуры неорганической анизотропной мембраны, осаждением углерода, полученного при пиролизе углеводородов, на ее селективный слой, нанесенный на металлическую подложку. Модификацию проводят при заневоливании мембраны механической нагрузкой 400-900 г в ячейке из углерода, конструкция которой позволяет проводить осаждение пироуглерода только на селективный слой мембраны, не затрагивая ее подложки, при контролируемой скорости подъема температуры не более 6,2oC/мин.
В качестве разделительного слоя используют оксиды Al, Ti, Zr, Hf, Th, La, Ca и др.
Модификацию проводят при температуре 700-1100oC, давлении 5-760 мм рт. ст., с использованием в качестве пиролизуемого компонента газообразных и жидких углеводородов C1-6 нормального изостроения, а также бензола и его гомологов, подаваемых в реакционную зону с объемной скоростью 2,5-10 л/мин.
Необходимо отметить, что признак "заневоливание" используется в достаточно узкой области научно-технических разработок, в частности, при расчете и изготовлении пружин и обозначает применение к объекту механической нагрузки. В книге С.Д.Пономарева, В.Л.Бидермана, К.К.Лихарева, В.М.Макушина и др. "Расчеты на прочность в машиностроении". М.: Машгиз, 1956, т.2, с. 593-594 читаем: "Заневоливание пружин рассматривается как метод испытания пружин длительной нагрузкой и срок заневоливания определяется их ролью в той или иной конструкции." Там же: "Для цилиндрических пружин сжатия операция заневоливания заключается в их сжатии под действием механической нагрузки до соприкосновения витков и выдержки в деформированном состоянии 6 - 48 ч". Приведенные определения признака "заневоливание" показывают, что он применим и в нашем случае, поскольку при модификации мембран мы также оказываем на них механическую нагрузку и выдерживаем в течение времени процесса.
В работе используют анизотропные мембраны TiO2/ZrO2 (ZrO2 < 10%) на пористой стали, средний диаметр пор которых составляет 0,07 мкм, при среднем диаметре пор подложки - 1,9-2,0 мкм и пористости ~ 30-33%.
Анализ пористой структуры мембран проводят квазиравновесным методом динамической десорбционной порометрии [3], позволяющим определять пористость и размер пор (от 10 до 103
Figure 00000004
) для органических и неорганических ультрафильтрационных разделительных элементов.
Подачу пиролизуемого компонента в реакционную зону осуществляют как с использованием газа-носителя (азот, гелий), так и в чистом виде.
Способ иллюстрируют следующие примеры.
Пример 1. Модификацию пористой структуры TiO2/ZrO2 мембран проводят с использованием метана следующего составах, об.%: CH4 - 98,93; C2H6 - 0,28; C2H8 - 0,07; N2 - 0,72. Осаждение пироуглерода проводят 1050oC, давлении 25 мм рт. ст., объемной скорости подачи метана 4,0 л/мин и времени выдержки 15 мин. Нагрузка заневоливания составляет 850 г, а скорость подъема температуры 5,2oC/мин. В результате проведенной обработки средний радиус транспортных пор мембраны уменьшается c ~ 325 до ~ 70
Figure 00000005
Состав газа на выходе из реактора, об.%: CH4 - 87,10; C2H6 - 0,70; C2H4 - 1,01; C2H2 - 0,62; H2 - 10,57.
Пример 2. В большинстве случаев фильтрация ньютоновских жидкостей через слой пористого материала подчиняется закону Дарси:
Figure 00000006

где q - объемный поток жидкости или газа в единицу времени через единицу поверхности пористого слоя толщиной L;
Figure 00000007
градиент давления потока в направлении его оси; η - динамическая вязкость жидкости или газа; K - коэффициент проницаемости пористой среды, характеризующий ее свойства (размер пор, проницаемость и т.п.). Естественно, что при модификации пористой структуры мембран коэффициент их проницаемости должен изменяться. Это было прослежено на примере фильтрации через мембраны тетралина и декана. В табл. 1 приведены результаты, полученные при обработке мембраны при 900oC, давлении 28 мм рт. ст., объемной скорости подачи метана 4,2 л/мин. Скорость подъема температуры и нагрузка заневоливания, как в примере 1.
Усредненный состав газа на выходе из реактора, об.%: CH4 - 97,32; C2H4 - 0,25; C2H6 - 0,32; H2 - 2,11.
На основании экспериментальных данных получены зависимости, описывающие изменение размера пор и коэффициента проницаемости от времени обработки при 900oC:
In R = 5,36-0,06τ; (2)
In K 10-16= 3,10-0,20τ, (3)
где R - радиус транспортных пор,
Figure 00000008

K - коэффициент проницаемости, м2;
τ - время обработки, ч.
Пример 3. Для оценки процесса спекания, протекающего при нагреве микропористых тел за счет энергетической напряженности их поверхности, проводят обработку мембраны в инертной среде (гелий). В результате 1-часовой выдержки в условиях примера 2, Rk возрос с 206 до 265
Figure 00000009
Kэ с 1,44 до 4,14, а Kр с 1,49 до 4,31.
Пример 4. В табл. 2 приведены результаты модификации пористой структуры мембраны пироуглеродом, которую проводят при температуре 900oC, давлении 32 мм рт. ст. , при скорости подачи метана 4,4 л/мин. Нагрузка заневоливания составляет 700 г при скорости повышения температуры 5,0oC/мин. В первом столбце приведены данные для мембраны, не подвергавшейся модификации пироуглеродом, во 2-м после ее 4-часовой обработки, а в 3-м рассчитанные по уравнениям 2,3. Вполне удовлетворительная сходимость экспериментальных и расчетных результатов показывает, что, используя полученные зависимости, можно контролировать изменение размеров пор и пористости мембран при их модификации пироуглеродом. Аналогичную процедуру можно провести и для других температурных режимов.
Источники информации
1. Пат. РФ N 2096073.
2. Европейский пат. N 0617997.
3. Пат. РФ 2141642.

Claims (3)

1. Способ модификации пористой структуры неорганической анизотропной мембраны, включающий осаждение углерода, полученного при пиролизе углеводородов, на ее селективный слой, отличающийся тем, что модифицируют анизотропную мембрану, селективный слой которой нанесен на металлическую подложку, модификацию проводят при заневоливании мембраны механической нагрузкой 400-900 г в ячейке из углерода, конструкция которой позволяет проводить осаждение пироуглерода только на селективный слой мембраны, не затрагивая ее подложки, при контролируемой скорости подъема температуры не более 6,2oС/мин.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что модификацию проводят при температуре 700-1000oС, давлении 5-760 мм рт. ст.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве разделительного слоя используют оксиды алюминия, титана, циркония, гафния, тория, лантана, кальция.
RU99122654A 1999-10-28 1999-10-28 Способ модификации пористой структуры неорганических мембран пироуглеродом RU2179064C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99122654A RU2179064C2 (ru) 1999-10-28 1999-10-28 Способ модификации пористой структуры неорганических мембран пироуглеродом

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99122654A RU2179064C2 (ru) 1999-10-28 1999-10-28 Способ модификации пористой структуры неорганических мембран пироуглеродом

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU99122654A RU99122654A (ru) 2001-08-10
RU2179064C2 true RU2179064C2 (ru) 2002-02-10

Family

ID=20226314

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU99122654A RU2179064C2 (ru) 1999-10-28 1999-10-28 Способ модификации пористой структуры неорганических мембран пироуглеродом

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2179064C2 (ru)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1442784A1 (fr) * 2003-01-31 2004-08-04 Institut Francais Du Petrole Membrane inorganique poreuse contenant du carbone, son procédé de préparation et son utilisation
EA011728B1 (ru) * 2004-08-03 2009-04-28 Зэ Риджентс Оф Зэ Юниверсити Оф Колорадо Мембрана с высоким уровнем сепарационной избирательности
RU2411069C1 (ru) * 2009-06-23 2011-02-10 Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ГОУ ВПО "ТГТУ" Способ модификации пористой структуры неорганической мембраны углеродным наноматериалом
US8302782B2 (en) 2007-03-09 2012-11-06 The Regents of the University of Colorado, a body corporated Synthesis of zeolites and zeolite membranes using multiple structure directing agents
US8409326B2 (en) 2006-05-15 2013-04-02 The Regents Of The University Of Colorado High flux and selectivity SAPO-34 membranes for CO2/CH4separations
US8679227B2 (en) 2010-04-29 2014-03-25 The Regents Of The University Of Colorado High flux SAPO-34 membranes for CO2/CH4 separation and template removal method

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0617997A1 (en) * 1993-03-23 1994-10-05 Rotem Industries Ltd. Method of improving the selectivity of carbon membranes by chemical carbon vapor deposition
RU2096073C1 (ru) * 1996-03-19 1997-11-20 Валерий Всеволодович Скудин Способ получения анизотропных мембран

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0617997A1 (en) * 1993-03-23 1994-10-05 Rotem Industries Ltd. Method of improving the selectivity of carbon membranes by chemical carbon vapor deposition
RU2096073C1 (ru) * 1996-03-19 1997-11-20 Валерий Всеволодович Скудин Способ получения анизотропных мембран

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1442784A1 (fr) * 2003-01-31 2004-08-04 Institut Francais Du Petrole Membrane inorganique poreuse contenant du carbone, son procédé de préparation et son utilisation
FR2850588A1 (fr) * 2003-01-31 2004-08-06 Inst Francais Du Petrole Membrane inorganique poreuse contenant du carbone, son procede de preparation et son utilisation
US7255725B2 (en) 2003-01-31 2007-08-14 Institute Francais Du Petrole Porous inorganic membrane containing carbon; a process for its preparation; and use thereof
EA011728B1 (ru) * 2004-08-03 2009-04-28 Зэ Риджентс Оф Зэ Юниверсити Оф Колорадо Мембрана с высоким уровнем сепарационной избирательности
US7828875B2 (en) 2004-08-03 2010-11-09 The Regents Of The University Of Colorado Membranes for highly selective separations
US8067327B2 (en) 2004-08-03 2011-11-29 The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate Membranes for highly selective separations
US8409326B2 (en) 2006-05-15 2013-04-02 The Regents Of The University Of Colorado High flux and selectivity SAPO-34 membranes for CO2/CH4separations
US8302782B2 (en) 2007-03-09 2012-11-06 The Regents of the University of Colorado, a body corporated Synthesis of zeolites and zeolite membranes using multiple structure directing agents
RU2411069C1 (ru) * 2009-06-23 2011-02-10 Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ГОУ ВПО "ТГТУ" Способ модификации пористой структуры неорганической мембраны углеродным наноматериалом
US8679227B2 (en) 2010-04-29 2014-03-25 The Regents Of The University Of Colorado High flux SAPO-34 membranes for CO2/CH4 separation and template removal method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ismail et al. A review on the latest development of carbon membranes for gas separation
Lai et al. Surface seeding in ZSM-5 membrane preparation
US7048778B2 (en) Apparatus and method for separating gases
Nandi et al. Preparation and characterization of low cost ceramic membranes for micro-filtration applications
Gu et al. Separation of p-xylene from multicomponent vapor mixtures using tubular MFI zeolite mmbranes
Hedlund et al. High-flux MFI membranes
US6649255B1 (en) Article and method for producing extremely small pore inorganic membranes
US7255725B2 (en) Porous inorganic membrane containing carbon; a process for its preparation; and use thereof
US5415891A (en) Method for forming metal-oxide-modified porous ceramic membranes
RU2418622C2 (ru) Газоразделительная мембрана, содержащая микропористый кремнеземный слой на основе кремнезема, легированного трехвалентным элементом
US5262198A (en) Method of producing a carbon coated ceramic membrane and associated product
RU2179064C2 (ru) Способ модификации пористой структуры неорганических мембран пироуглеродом
Wu et al. Effects of sol properties and calcination on the performance of titania tubular membranes
Ahmad et al. H2 separation from binary gas mixture using coated alumina–titania membrane by sol–gel technique at high-temperature region
CN1660481A (zh) 化学反应和分离方法
JP6270685B2 (ja) ノルマルパラフィンの分離方法
Lee et al. Preparation of hydrophilic ceramic membranes for a dehydration membrane reactor
Damle et al. Carbon membranes for gas separation: developmental studies
Ha et al. The preparation and characterization of alumina-coated pyrophyllite-diatomite composite support layers
Cho et al. Improvement in thermal stability of NaA zeolite composite membrane by control of intermediate layer structure
So et al. Preparation of silica–alumina composite membranes for hydrogen separation by multi-step pore modifications
Fu et al. Fibrous ceramic membrane constructed by mullite whiskers for the treatment of oil‐in‐water emulsions
O’Brien-Abraham et al. Effect of isomorphous metal substitution in zeolite framework on pervaporation xylene-separation performance of MFI-type zeolite membranes
JP2016175063A (ja) 膜の再生方法
JP2022169625A (ja) 硫化水素分離用ゼオライト膜の再生方法

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20151029