Mot ZIF-8-membraner med suverene C3H6/C3H8-separasjonsytelser under varierende forhold: Nødvendighet av presis temperaturkontroll (2023)

Journal of Membrane Science, bind 524, 2017, s. 428-435

Utvinning av lette hydrokarboner som propylen og etylen fra ventilasjonsstrømmer i polymeranlegg er ønskelig siden det åpner for mer effektiv omdannelse av monomerene med høy økonomisk verdi. Følgelig har polymermembran damp-gass-separasjonssystemer blitt brukt til dette formålet i flere tiår [1,2]. Et alternativ er imidlertid zeolittmembraner. I dette arbeidet ble ultratynne MFI-zeolittmembraner (0,5 µm) brukt for å skille propylen eller etylen fra binære 20/80 olefin/nitrogenblandinger ved forskjellige temperaturer. Membranene var olefinselektive med høy permeans ved alle undersøkte temperaturer. Ved romtemperatur var permeansen til propylen 22x10⁻⁷molm⁻²s⁻¹Pa⁻¹og separasjonsfaktoren var 43, som tilsvarer en separasjonsselektivitet på rundt 80. For en blanding av 20mol% etylen i nitrogen var maksimal separasjonsfaktor 6 (tilsvarer en separasjonsselektivitet på 8,4) ved 277K med en etylenpermeans på 57 ×10⁻⁷molm⁻²s⁻¹Pa⁻¹. Membranselektiviteten ble styrt av mer omfattende adsorpsjon av olefin, spesielt propylen, sammenlignet med nitrogen. Sammenlignet med etylen har propylen høyere adsorpsjonsvarme, noe som sannsynligvis forårsaket høyere propylen/nitrogen-selektivitet sammenlignet med etylen/nitrogen-selektivitet. Permeansen og selektiviteten for propylen var mye høyere enn for kommersielle polymermembraner. For etylen var permeansen mye høyere, og selektiviteten var sammenlignbar med kommersielle polymermembraner. Modellering viste at trykkfallet over bæreren begrenset fluksen gjennom membranene spesielt ved høyere temperaturer og spesielt for etylen/nitrogensystemet med høy fluks. Videre indikerte modellering at resultatet oppnådd ved høye temperaturer, hvor fluksen var høy, også ble påvirket av konsentrasjonspolarisering. For propylen/nitrogensystemet ved den optimale separasjonstemperaturen var imidlertid trykkfallet over bæreren og konsentrasjonspolariseringen små. Resultatene viser at ultratynne MFI-zeolittmembraner er lovende kandidater for separasjon av lette olefiner/nitrogen i polymeranlegg.

Journal of Membrane Science, bind 680, 2023, artikkel 121743

De toppmoderne litiumionbatteriene (LIB) bruker karbonatbaserte flytende elektrolytter og polymerseparatorer som utgjør sikkerhetsproblemer, inkludert brannfare. Bruken av brannhemmende saltkonsentrerte elektrolytter kan løse sikkerhetsproblemene til LIB-er, men disse elektrolyttene har høy viskositet og lav fuktbarhet med polymerseparatorer som gjør det vanskelig å fremstille høyytelses-LIB-er med elektrolyttene. Her rapporterer vi utvikling av zeolittmembranseparatorer med skreddersydd porestruktur og overflatekjemi for fremstilling av brannsikre LIBer ved bruk av saltkonsentrerte elektrolytter. Zeolittmembranseparatorene er laget av zeolittpartikler med en spesifikk zeolittstruktur, Si/Al-forhold og forskjellige partikkelformer, belagt på katoden med en skalerbar bladbeleggingsmetode. Mellompore, ren silika MFI-type zeolitt (silikalitt) ble valgt som det brannsikre materialet for membranseparatorer som også tilbyr høy fuktbarhet for den brannhemmende saltkonsentrerte elektrolytten av litiumbis(fluorsulfonyl)imid (LiFSI) i tri- metylfosfatløsningsmiddel (TMP) løsningsmiddel. To silikalittmembranseparatorer med lignende porestørrelse, men forskjellig porøsitet og tortuositet ble belagt på katoden (LiNi_0,5Mn_0,3Co_0,2O₂eller NMC) ved bruk av plateformede silikalittpartikler med lavt sideforhold (LAR) og høyt sideforhold (HAR). Begge zeolittseparatorene viser betydelig bedre fuktbarhet for LiFSI/TMP elektrolytten enn den kommersielle polypropylen (PP) separatoren, noe som tillater fremstilling av høyytelses NMC/LiFSI-TMP/grafittceller med den ikke-brennbare silikalittseparatoren. De nye brannsikre zeolittmembranbaserte LIB-ene med den brannhemmende elektrolytten viser utmerkede ladnings- og utladningsegenskaper og syklusytelse (ligner på toppmoderne, men brannusikre LIB-er med LiPF₆-karbonatelektrolytt og polymerseparator). Membranseparatorene laget av HAR plateformet zeolitt som viser lav interpartikkelporøsitet og høy tortuositet presterer bedre enn membranen laget av LAR zeolittpartikler, på grunn av en mer jevn litiumion-fluks fra både interpartikkelporer og intrapartikkelzeolittporer ved separatoren/anoden grensesnitt.

Journal of Membrane Science, bind 677, 2023, artikkel 121626

N₂/CH₄separasjonsmembraner basert på N₂foretrukket permeasjon kan effektivt redusere rekompresjonskostnadene for CH₄gass ​​og viser lovende søknadsmuligheter innen naturgassrensing. Imidlertid ytelsen til N₂/CH₄separasjonsmembraner må fortsatt forbedres. Her rapporterer vi en slags blandede matrisemembraner (MMMs) for N₂/CH₄separasjon ved bruk av HOF-21 som nanofyller og 6FDA-DAM polyimid som polymermatrise. I dette arbeidet ble effekten av HOF-21-belastning, trykk på matesiden og temperatur basert på membranytelse utforsket, og til slutt ble ytelsesvariasjonen til MMM-ene med driftstid testet. De inkorporerte HOF-21 nanopartikler med den mest sannsynlige porestørrelsen på omtrent 3,6Å kan øke diffusjonshastigheten til mindre N betydelig₂molekyler og forbedre N₂/CH₄diffusivitetsselektivitet av membranen. I tillegg, sammenlignet med polyimid, viser HOF-21 nesten samme dynamiske adsorpsjon av N₂og CH₄, som kan svekke løseligheten til CH₄og forbedre N₂/CH₄løselighetsselektivitet av membranen. Når mategasstrykket var 0,2 MPa, ble den optimale membranytelsen oppnådd ved HOF-21-belastningen på 7 vekt%, med N₂permeanse på 5,13 GPU og N₂/CH₄(50/50, vol%) selektivitet på 20,52 ved 298,15K. Sammenlignet med N₂permeasjon og N₂/CH₄selektiviteten til 6FDA-DAM/PAN-membranen, økte MMM-ene med henholdsvis 67 % og 54 %, og hadde potensielle bruksområder innen N₂fjerning i CH₄rensing.

Journal of Membrane Science, bind 678, 2023, artikkel 121674

Carbon Molecular Sieve (CMS) membraner er ideelle kandidater for separasjon av naturgass på grunn av deres stive porestrukturer og stabilitet. Den kjemiske kompositten og den romlige konfigurasjonen til de brukte forløperne for å utlede CMS-membraner kan i stor grad påvirke den endelige mikroporøse strukturen og separasjonsytelsen til membranene. De fleste CMS-membraner er transformert fra amorfe forløpere som polymerer i dag. Her rapporterer vi for første gang en ny type CMS-membran avledet fra en krystallinsk porøs hydrogenbundet organisk rammemembran (kaltHCMS). Konverteringsprosessen har blitt studert med karakterisering av TGA, FTIR, XRD, SEM og porestørrelsesfordeling. Effekten av pyrolysetemperatur på membranstrukturen er undersøkt for å oppnå optimalisert CO₂/CH₄separasjonsytelse. På den ene siden, når pyrolysetemperaturen øker fra 550 til 650°C, vil porestørrelsesfordelingen avHCMSmembranen er innsnevret, noe som bidrar til å forbedre den molekylære sikteffekten til membranen. På den annen side, høyere forhold mellom grafittisk N og pyrrolisk N, som viser bedre affinitet for CO₂molekyler enn pyridinisk N, oppnås påHCMSmembraner, noe som fører til gunstigere adsorpsjon av CO₂. Den optimaliserteHCMSmembran pyrolysert ved 600°C viser en bemerkelsesverdig CO₂/CH₄selektivitet på 128 og utmerket separasjonsstabilitet ved varierende temperaturer og trykk. DeHCMSmembraner avledet fra den krystallinske HOF-forløperen kan også opprettholde en stabil separasjonsytelse mot fysisk aldring. Resultatene rapportert i dette arbeidet kan åpne døren for å konstruere CMS-membraner med forløperen til krystallinske porøse membraner.

Separasjons- og renseteknologi, bind 300, 2022, artikkel 121811

ZIF-8-membran har nylig fått omfattende oppmerksomhet for propylen/propan (C₃H₆/C₃H₈) separasjon. Den svake langtidsholdbarheten og skalerbarheten/reproduserbarheten til ZIF-8-membraner er imidlertid begrenset av den dårlige adhesjonen mellom membranen og den buede støtten. En vellykket fremstilling av ZIF-8-membraner med høy vedheft på den buede støtten er fortsatt en utfordring. ZIF-8-membranen med låst arkitektur ble forventet å vise mer pålitelig holdbarhet på grunn av de forsterkede krystallgrensene. Her syntetiserte vi ensartede ZnO nanopartikler i det indre øvre laget av den keramiske rørstøtten ved å kombinere slip-casting og vakuumtørkemetoder. De tette ZIF-8 sammenlåste membranene ble videre preparert ved ligandaktiveringsprosessering for effektiv C₃H₆/C₃H₈atskillelse. Den sammenlåste ZIF-8-membranen viste pålitelig langtidsholdbarhet over 54 timer under forskjellige driftsforhold. Videre har C₃H₆permeans og separasjonsfaktor for membranen nådde 8×10⁻⁹mol m⁻²s⁻¹Pa⁻¹og 130 ved 25°C og matetrykk på henholdsvis 1 bar, sammenlignbar med tidligere rapporterte andre understøttede ZIF-8-membraner. Derfor er de sammenlåste ZIF-8-membranene lovende for praktisk industriell gassseparasjon.

Journal of Membrane Science, bind 668, 2023, artikkel 121193

ZIF-8-membraner er lovende for C₃H₆/C₃H₈separasjon på grunn av dens riktige porestørrelse mellom C₃H₆og C₃H₈. Imidlertid hindrer utfordringer fra den defekte korngrensen (dårlig reproduserbarhet), dårligere trykkbestandig og utilstrekkelig synteseparameterregulering dens fremgang. Her demonstrerer vi en grensesnittteknikkmetode som samtidig kan håndtere disse to problemene ved å belegge et polymerlag på overflaten av ZIF-8-membranen som kan forsegle korngrensene og låse den trykkinduserte linkerrotasjonen. Følgelig, ved å optimalisere polymerkjedens stivhet og det tilsvarende tykkelseslaget, viser den resulterende membranen med låst stiv grensesnitt ønsket C₃H₆permeans og C₃H₆/C₃H₈separasjonsfaktor over henholdsvis 45 GPU og 105, og stabilisert ytelse opp til 7bar. Slik ytelse er overlegen det meste av det nylig rapporterte arbeidet i litteraturen. Denne strategien gir inspirasjon til å vurdere polymerkjedens stivhetsregulering i membranbelegglaget og dens effekt på utvikling av avanserte komposittmembraner for energieffektive separasjoner.