ИСТИНА

В ходе выполнения заключительного этапа работ проведено исследование газопроницаемости и газоселективности полимерно-неорганических мембран на примере мембран с нанесенным на пленку анодного оксида алюминия селективным слоем кремний-органического полимера и полимера с внутренней микропористостью PIM-1. Было показано, что переход от объемных образцов полимерных пленок к композиционным мембранам позволяет увеличить проницаемость мембраны на несколько порядков за счет уменьшения толщины слоя полимера, через который необходимо продиффундировать газу. Кроме того, при переходе к тонким полимерным пленкам был обнаружен другой интересный эффект, связанный с увеличением селективности как для пары бутан/метан, так и для пары кислород/азот. В случае полимера PIM-1 идеальный фактор разделения для пары C4H10/CH4 увеличивался с 58 (пленка толщиной 100 мкм) до 100 (асимметричная мембрана со слоем полимера 5 мкм). Данный эффект, возможно, связан с ограничением подвижности полимерных цепей, в результате чего скорость диффузии уменьшается сильнее для более слабосорбирующегося компонента. Однако для точного установления причин такого поведения полимеров требуется дополнительное исследование. Для определения корреляции между параметрами микропористой иерархической структуры мембран анодного оксида алюминия и их транспортными свойствами в работе было проведено сравнение изотерм адсорбции-десорбции н-бутана при температуре -23°С, а также зависимости газопроницаемости по бутану от давления со стороны сырьевой смеси (при температуре 25°С) для мембраны с прямыми порами (ААо_40В) и мембраны с иерархической пористой структурой (ААо_40В-10В), синтезированной путем уменьшения напряжения в процессе анодирования. По результатам измерения газопроницаемости и газоселективности мембран было показано, что использование мембран с иерархической пористой структурой позволяет повысить селективность мембран по отношению к конденсирующемуся компоненту - реальный фактор разделения C4H10/CH4 в условиях конденсации составляет 92 в случае мембран с иерархической пористостью и 65 - в случае мембран с прямыми порами. Кроме того, использование мембран с иерархической структурой приводит к снижению давления начала конденсации газа в порах мембраны, что, в свою очередь, позволит снизить энергозатраты, необходимые на фракционирование компонентов попутного нефтяного газа. Тестовые эксперименты по фракционированию смеси, имитирующей по составу попутный нефтяной газ (74.5 об. % CH4, 8.9 об. % C2H6, 9.9 об. % C3H8, 4.3 об. % n-C4H10, 2.4 об. % i-C4H10) были проведены с использованием мембраны с диаметром пор 40 нм и толщиной 100 мкм. При этом, для реализации капиллярной конденсации, давление сырьевой смеси поддерживалось равным 7 атм, а мембрана охлаждалась до -40°С внешним холодильным циклом. По результатам хроматографического анализа было показано, что в сконденсированный пермеат уходят тяжелые углеводородные компоненты (пропан и бутаны), а ретентат обогащается по легким комопонентам (метан и этан). На выходе из ячейки ретентат содержал в своем составе 83.5 об. % CH4, 8.6 об. % C2H6, 6.1 об. % C3H8, 0.7 об. % i-C4H10 и 1.1 об. % n-C4H10. При этом температура точки росы по углеводородам снижалась с -20°С для сырьевого потока до -43°С для ретентата. Степень отбора углеводородов С3+ из исходной смеси составила 68.3%, а суммарная степень отбора газа из смеси - 33.4%. Таким образом, в работе нами была продемонстрирована высокая эффективность разделения легких и тяжелых углеводородных компонентов с использованием режима капиллярной конденсации в порах мембран анодного оксида алюминия. Можно заключить, что все поставленные в рамках выполнения проекта цели достигнуты и для дальнейшего эффективного использования мембран анодного оксида алюминия для осушки ПНГ требуется решение проблемы удаления влаги и серосодержащих соединений из реальных образцов ПНГ. Кроме того, требуется масштабирование производства мембран и масштабирование установок для мембранного газоразделения.

1. Показано, что переход от объемных образцов полимерных пленок к композиционным мембранам позволяет увеличить проницаемость мембраны на несколько порядков за счет уменьшения толщины слоя полимера, через который необходимо продиффундировать газу. Кроме того, при переходе к тонким полимерным пленкам был обнаружен другой интересный эффект, связанный с увеличением селективности как для пары бутан/метан, так и для пары кислород/азот. 2. Показано, что использование мембран с иерархической пористой структурой позволяет повысить селективность мембран по отношению к конденсирующемуся компоненту - реальный фактор разделения C4H10/CH4 в условиях конденсации составляет 92 в случае мембран с иерархической пористостью и 65 - в случае мембран с прямыми порами. Кроме того, использование мембран с иерархической структурой приводит к снижению давления начала конденсации газа в порах мембраны, что, в свою очередь, позволит снизить энергозатраты, необходимые на фракционирование компонентов попутного нефтяного газа. 3. Продемонстрирована высокая эффективность разделения легких и тяжелых углеводородных компонентов с использованием режима капиллярной конденсации в порах мембран анодного оксида алюминия.