Мембранные контакторы высокого давления для регенерации физических абсорбентов на основе ионных жидкостей

В промышленности процессы абсорбционного выделения СО₂ из газовых смесей, основанные на применении физических абсорбентов, протекают при высоких давлениях (10 - 100 бар). В этом случае чрезвычайно перспективными массообменными устройствами выглядят мембранные газожидкостные контакторы высокого давления на основе высокопроницаемых мембран с непористым селективным слоем. В этом случае мембраны должны отвечать определенным требованиям: 1) высокая проницаемость по CO₂; 2) отсутствие протекания физического абсорбента через мембрану при высоких трансмембранных давлениях. В этом случае использование асимметричных мембран с непористым слоем на основе поли(винилтриметилсилана) (ПВТМС) выглядит крайне перспективным.В рамках проекта в 2016 г. методами сканирующей электронной микроскопии и газопроницаемости были изучены асимметричные мембраны ПВТМС. Полученные результаты (толщина селективного слоя 0,25 - 0,35 мкм, высокая проницаемость по диоксиду углерода 1,4 - 1,45 м³/м²•ч∙бар) свидетельствуют о соответствии выбранных асимметричных мембран условиям, предъявляемым для использования мембран в режиме мембранного контактора. Отсутствие протекания физического абсорбента типа Genosorb 300 (смесь диметиловых эфиров полиэтиленгликолей, средняя молекулярная масса 280 г/моль) при высоком трансмембранном давлении (40 бар) и повышенной температуре (50°С) подтверждено длительными экспериментами (не менее 400 ч) по продавливанию абсорбента через выбранные мембраны. В ходе проекта асимметричные ПВТМС-мембраны были использованы для создания мембранных контакторов высокого давления плоскорамного типа. Созданные контакторы впервые в мире позволили реализовать процесс десорбции СО₂ из физического абсорбента (Genosorb 300) при высоком трансмембранном давлении (10 бар). Выбранные мембраны демонстрируют сравнительно высокие значения потока СО₂ (до 3 м³/(м²ч) в процессе. При этом высокое трансмембранное давление не приводит к протеканию абсорбента через мембрану в газовую часть контактора в процессе десорбции СО₂. Повышение температуры процесса до 50°С приводит к увеличению потока десорбируемого газа, что объясняется снижением растворимости СО₂ в Genosorb-300 с увеличением температуры. Увеличение линейной скорости абсорбента в жидкостном канале контактора также ведёт к увеличению потока СО₂, однако зависимости потока от скорости абсорбента нелинейны, что связано с диффузионными затруднениями транспорта газа через пограничный слой жидкости и через мембрану. На втором этапе работы 2016 г. для применения в мембранных контакторах высокого давления в качестве перспективных абсорбентов были выбраны несколько ионных жидкостей (ИЖ) на основе имидазолиевого и фосфониевого катионов, растворимость СО₂ в которых достаточно высока и сравнима с таковой для Genosorb 300. Длительный контакт (не менее 6900 ч) выбранных ИЖ со сплошными мембранами (пленками) из ПВТМС толщиной 70 - 75 мкм позволил впервые получить данные по равновесной сорбции ИЖ в данном полимере, а также определить степень набухания ПВТМС в выбранных ИЖ. Результаты свидетельствуют о малом сродстве выбранных ИЖ к ПВТМС: так, величина сорбции ИЖ составляет 0,0003 - 0,0037 моль ИЖ/моль мономерного звена ПВТМС, а степень набухания полимера в ИЖ варьируется в пределах 3,3 - 5,9%. Это, в свою очередь, позволяет предположить о наличии барьерных свойств (отсутствие протекания) выбранных асимметричных мембран по отношению к выбранным ИЖ. Теоретическое и экспериментальное подтверждение наличия барьерных свойств асимметричных ПВТМС-мембран будет осуществлено в 2017 г.