Мембранно-каталитические системы для селективного выделения и переработки диоксида углерода в циклические карбонаты

Целью работы является разработка и монтаж лабораторного экспериментального стенда, содержащего мембранно-каталитический реактор на разработанной новой мембранно-каталитической системе для реализации процессов выделения диоксида углерода из газовых смесей, имитирующих реальные, и конверсии его в циклические карбонаты. Для создания новой мембранно-каталитической системы для селективного удаления диоксида углерода из газовых смесей, имитирующих реальные и конверсией его в циклические карбонаты были разработаны газоразделительные каталитические мембраны на полимерной основе с ионной жидкостью 1-(2-гидроксиэтил)-3-метилимидазолия бромид ([C2OHmim][Br]) в качестве катализатора реакции карбоксилирования эпихлоргидрина. Исследованы газотранспортные свойства полученных мембран при разделении как чистых газов, так и газовых смесей: бинарной смеси N₂/CO₂ (85 об.% / 15 об.%) и четырехкомпонентной смеси, моделирующей состав дымовых газов (N₂/O₂/CO₂/H₂O) (73 об.% / 4.4 об.% / 11.6 об.% / 11 об.%). Наибольшие значения проницаемости и селективности продемонстрировала полиуретановая мембрана с ионной жидкостью. При разделении бинарной смеси N₂/CO₂ проницаемость составила 0.87 Баррер для N₂ и 30.83 Баррер для CO₂, что соответствует селективности α(CO₂/N₂) = 35.62. Для четырехкомпонентной смеси получены следующие показатели проницаемости: N₂ – 0.81 Баррер, O₂ – 3.87 Баррер, CO₂ – 18.74 Баррер, H₂O – 261.99 Баррер. Селективность по парам газов составила: CO₂/N₂ – 23.21, CO₂/O₂ – 4.84, CO₂/H₂O – 0.07. Таким образом, мембрана на основе полиуретана с ионной жидкостью показала высокую эффективность в разделении газовых смесей, особенно в улавливании CO₂ из многокомпонентных потоков. В ходе реализации проекта был создан лабораторный экспериментальный стенд с мембранно-каталитическим реактором. Реактор оснащён газоразделительной каталитической мембраной на основе полиуретана с ионной жидкостью, предназначенной для выделения CO₂ из газовых смесей, имитирующих реальные, и его последующего превращения в циклические карбонаты. Испытания стенда проводились на модельной бинарной смеси (N₂/CO₂) в соотношении 85 об.% / 15 об.%. Разработанная система продемонстрировала высокую эффективность разделения, снижая содержание CO₂ в сбросном потоке (ретентате) до 2 об.%. Кроме того, за 8 часов (480 минут) достигнута конверсия эпихлоргидрина 67.4% с выходом продукта 20.65 ммоль. В ходе исследования были выявлены ключевые закономерности процесса мембранно-каталитического синтеза циклических карбонатов на примере разделения модельной бинарной газовой смеси. Для этого изучалось влияние давления исходного газового потока и скорости подачи эпихлоргидрина на основные параметры процесса: степень превращения эпихлоргидрина и остаточную концентрацию CO₂ в отходящем газе. Эксперименты проводили при давлениях 600, 800 и 1000 кПа, при этом максимальная эффективность процесса наблюдалась при 1000 кПа. Разработанная система обеспечила эффективное разделение газовой смеси с содержанием CO₂ в сбросном потоке ниже 2 об.% и конверсией эпихлоргидрина 86.42%. Исследование влияния скорости подачи эпихлоргидрина на параметры процесса проводили при постоянном давлении питающей смеси 500 кПа. Были исследованы три варианта потоков: 3, 4.5 и 6 см³/мин. Наибольшая конверсия эпихлоргидрина (84.30%) достигнута при максимальном потоке 6 см³/мин. При этом минимальная скорость падения конверсии при выходе на стационарный режим наблюдалась при наименьшем потоке – 3 см³/мин, где показатель конверсии составил 74.15%. Оптимизация технологических параметров мембранно-каталитического процесса проводилась для достижения максимальных значений ключевых показателей: степени извлечения CO₂, конверсии эпихлоргидрина и селективности. Исследования выполнялись на четырехкомпонентной газовой смеси, моделирующей состав реальных дымовых газов, при давлении 1000 кПа и вариации потока эпихлоргидрина от 2.85 до 3.3 см³/мин с шагом 0.15 см³/мин. Наибольшая эффективность процесса наблюдалась при потоке эпихлоргидрина 3.15 см³/мин, обеспечивая стабильно высокую конверсию субстрата (91.5%) при превращении CO₂ в целевой продукт. В этих условиях достигнут выход продукта 77.51 ммоль, а содержание CO₂ в сбросном потоке (ретентате) составило 1.5–1.9 об.%, что соответствует требованиям по очистке дымовых газов (≤ 2 об.%).