Новые методы модификации полимерных газоразделительных мембран в среде сверхкритического диоксида углерода

Модифицированные мембраны могут найти практическое применение при разделении метана и водорода, метана и гелия, метана и углекислого газа и других пар газов, актуальных для современной водородной энергетики. При модификации полимерных газоразделительных мембран очень важно обеспечение проведения процесса в изотермических условиях, т.к. процессы водородзаместительного фторирования органических соединений сопровождаются очень высоким тепловыделением – порядка сотен килоджоулей на моль фтора/ Для мембран толщиной порядка десятков нанометров разогрев в адиабатических условиях составит несколько сотен градусов при толщине фторированного слоя порядка 1 мкм, что может привести к воспламенению мембраны во фторе при газофазном фторировании. Для проведения фторирования мембран в изотермических условиях авторы проекта использовали метод жидкофазного фторирования, когда мембрану помещали в перфтордекалин, в котором растворяли фтор, и проводили фторирование в течение десятков минут. Именно при использовании этой методики были получены очень перспективные в области газоразделения результаты для полибензодиоксана PIM-1, поливинилтриметилсилана и других полимерных материалов. Однако предложенный метод обладает рядом недостатков. В их числе высокая цена перфтордекалина (порядка 15 тыс.руб./кг) и его относительная труднодоступность – производство этого вещества в России прекращено, а поставки импортного существенно осложнились. Кроме того, есть и другой недостаток – растворимость высокофторированных полимеров в перфтордекалине. Решением этих проблем может стать использование в качестве среды для фторирования сверхкритического диоксида углерода. Известно, что сверхкритический диоксид углерода (Ткр = 31,1 °С, Ркр = 7,58 МПа) сочетает в себе черты газовой фазы и жидкой фазы – с одной стороны занимает весь объём сосуда, в котором находится, а с другой ему присущи коэффициенты переноса, характерные для жидкостей. Можно рассчитывать, что процесс фторирования полимерных мембран в сверхкритическом диоксиде углерода будет протекать в изотермическом режиме, а высокофторированные полимеры в нём растворяться не будут. Известно, что сверхкритический СО2 может улучшать растворимость различных газов в полимерах и других материалах, что может быть применено для модификации структуры полимеров. В то же время, СО2 может специфически взаимодействовать с фтор-содержащими соединениями. Таким образом, проект направлен на разработку нового метода химической (фторирования) и физической (набухание в смеси газов при сверхкритичеких условиях) модификации полимерных мембран органических веществ с использованием в качестве среды диоксид углерода, находящийся в сверхкритическом состоянии с целью получить и изучить новые газоразделительные свойства модифицированных полимерных материало. Основным вопросом, который возникает при разработке научных основ предлагаемого метода, является химическая стабильность диоксида углерода при взаимодействии с фтор-содержащими агентами в условиях сверхкритического состояния диоксида углерода.