Материал мембрана: Что такое мембранный материал. Виды мембран.

Что такое мембранные ткани?

Этот вопрос хоть раз задавал себе каждый, кто сталкивался с необходимостью защиты от неблагоприятных погодных условий (сильного дождя, ветра и снега) во время длительного пребывания на открытом воздухе. Для туризма, путешествий и активного отдыха на природе очень важно ощущение комфорта в любую погоду при высоких физических нагрузках. Не все текстильные материалы способны решить проблему хорошего отведения испарений тела и одновременной защиты от внешней влаги. Мембранные материалы способны решить эту проблему.

По строению мембраны ткани делятся по принципу, какая мембрана используется: беспоровая, поровая и комбинированная.

Беспоровые мембраны однородны и не содержат пор. В них влагозащита и пароотведение происходят благодаря разной функциональности поверхностей: внешний (гидрофобный) слой мембраны отталкивает влагу из окружающей среды, а внутренний (гидрофильный) впитывает испарения тела и транспортирует их наружу.

Они долговечны, не требуют бережного ухода, исправно работают в широком диапазоне температур.

Поровые мембраны – это мембраны, которые работают по следующему принципу: мембрана (плёнка) содержит мельчайшие отверстия (поры), диаметр которых меньше диаметра капли воды, но больше размера молекулы водяного пара. Таким образом, капли воды не могут проникнуть сквозь неё внутрь, а испарения от тела в виде водяного свободно выходит наружу за счёт разницы парциального давления на внешней и внутренней поверхности ткани.

В чем преимущество поровых мембран? Они «быстро» начинают дышать, т. е. выводят испарения, как только человек начинает потеть (при условии, что есть разница в парциальных давлениях водяного пара внутри и снаружи куртки, т. е., когда есть движущая сила). В чем недостатки? Эта мембрана достаточно быстро теряет свои свойства. По мере засорения пор снижаются пароотводящие свойства ткани. Поэтому, рекомендуется специальный уход за изделием из мембранной ткани.

Комбинирование мембраны – это когда ткань верха покрыта с внутренней стороны поровой мембраной, а поверх поровой мембраны имеется еще тонкое покрытие (т.е. беспоровая полиуретановая мембранная пленка). Эта ткань имеет все преимущества поровых и беспоровых мембран, избегая недостатков. Но, это очень дорогой материал, поэтому немногие фирмы используют данную мембрану в своих изделиях…

По конструкции мембранные ткани делятся на: двухслойные, трехслойные и 2,5-слойные.

Двухслойная ткань – это ткань верха, к которой с изнаночной стороны нанесена (специальным образом) мембрана. Данная ткань в изделиях всегда используется с подкладкой, т.к. подкладка обеспечивает должную защиту мембране от засорения и механического повреждения.

Трехслойная ткань выглядит как ткань с мелкой сеткой с изнанки, то есть к двухслойной ткани дополнительно ламинируется внутренний защитный слой из тонкого трикотажа. Защитный слой обеспечивает защиту мембраны, как от механических повреждений, так и от засорения. А, что самое главное, в трехслойных изделиях, использование подкладки отпадает.

2,5-слойная мембранная ткань – ткань с тончайшим защитным напылением, которое защищает мембрану от повреждений.

Существуют два важных параметра, по которым можно оценивать свойства мембранных тканей, — это водонепроницаемость и дышащие свойства тканей.

Водонепроницаемость – это давление водяного столба, которое может выдержать данная ткань (измеряется в миллиметрах водного столба).

Паропроницаемость (дышащие свойства) зависят от количества пара, которое пропускает ткань за определённый период времени.

Воздухопроницаемость — измеряется в куб.дм. и означает способность материалов пропускать воздух через 1 кв.м в секунду путем фильтрации через поры.

Для обеспечения дополнительной защиты от внешней влаги ткань обрабатывают специальным покрытием, не позволяющим воде проходить через верхний слой ткани. Однако, такое покрытие не долговечно, со временем исчезает. Поэтому, после стирки изделия из мембранных тканей рекомендуется обрабатывать специальными средствами с водоотталкивающими свойствами.

Характеристики используемых материалов:

1. Алова с мембранным покрытием – трикотажный материал с бархатистой поверхностью
   Плотность: 280 г/м2
   Состав: 100 % ПЭ
   Водонепроницаемость: 8000 мм (ткань выдерживает сильный дождь).
   

   Воздухопроницаемость: 1,5 дм3/м2*сек
   Паропроницаемость: 1000 г/м2/24 часа

2. Твил с мембранным покрытием
   Плотность: 190 г/м2
   Состав: 100 % ПЭ
   Водонепроницаемость: 8000 мм (ткань выдерживает сильный дождь).
   Воздухопроницаемость: 8,0 дм3/м2*сек
   Паропроницаемость: 5000 г/м2/24 часа

Топ-5 мембран на все случаи жизни

Несмотря на то, что в названии статьи сказано обо всех случаях жизни, конечно, надо понимать, что производители мембранных тканей – не джины из бутылки, и решить все проблемы пользователей не способны, хоть и очень стараются. Дабы составить представление о том, что такое мембранные ткани и какие задачи они способны решать, давайте коротко разберемся в строении мембран, способах производства и свойствах.

Виды мембран

Мембранные ткани различаются строением, методом производства и образом действия. По строению мембраны делятся на беспоровые, поровые, комбинированные и электроспиннинговые.

Беспоровые мембраны (гидрофильные) – сплошное покрытие, осуществляющее транспортировку влаги изнутри за счет диффузии. Необходима разница в давлении и влажности. Поэтому, прежде чем выйти наружу, влага скапливается внутри мембраны в достаточном для вытеснения на поверхность количестве. Материал всегда ощущается слегка влажным. Соответственно, беспоровая мембрана не слишком хорошо выводит пары влаги при открытой вентиляции, влажной погоде и при минусовых температурах. К положительным качествам можно отнести долговечность, высокие показатели водостойкости и паропроницаемости, абсолютную ветроустойчивость и относительно низкую стоимость. Наиболее известные примеры: Toray Dermizax, Marmot Membrane, Mountain Hardware Conduit.

Поровые мембраны (гидрофобные) – представляют собой тонкий слой полиуретана или тефлона (политетрафторэтилена – ПТФЭ), растянутый до такой степени, что распадается на отдельные волокна, между которыми образуются поры. Поровые мембраны хорошо работают на отведение паров влаги и имеют хорошую водостойкость. Такие мембраны работают во влажной атмосфере и при низких температурах. Однако, поры быстро загрязняются, а сама мембрана слишком нежна и подвержена повреждениям от механического воздействия. Наиболее известные примеры: Gore-Tex 30-летней давности, первые мембраны eVent и другие.

Поровая мембрана под микроскопом

Комбинированные мембранные материалы сочетают в себе поровую мембрану и беспоровое покрытие, защищающее ее от механических повреждений. Классический представитель данной конструкции – современный Gore-Tex. Беспоровое покрытие значительно тоньше стандартной беспоровой полиуретановой мембраны, а потому ее недостатки практически не проявляются. Таким образом, комбинированный мембранный материал обладает преимуществами поровых мембран и надежностью беспорового покрытия.

Электроспиннинговый мембранный материал — относительно свежее изобретение. Яркими представителями служат Polartec Neoshell (2012 год), Outdoor Research AscentShell (2016 год) и The North Face Futurelight™ (2019 год). Особенностью конструкции является нанопокрытие из полиуретана, наносимое практически на любую ткань с помощью множества миниатюрных сопел. Процесс схож с работой струйного принтера. Толщина полиуретановых нитей настолько мала, что на поверхности ткани образуется тончайшая пространственная решетка, обладающая свойствами мембраны. Плотность мембранной пленки очень низка, ткань сохраняет эластичность и имеет чрезвычайно высокие показатели паропроницаемости. Благодаря контролируемому процессу характеристиками такой мембраны можно управлять еще во время нанесения нановолокон на ткань. Считается, что данная технология – будущее outdoor индустрии.

Ради чего же проводятся все эти дорогостоящие исследования, запускаются невероятные технологические процессы, создаются производственные мощности и делаются сумасшедшие открытия? Ведь можно просто надеть полиэтиленовый пакет размером с человеческий организм и остаться сухим во время сильнейшего ливня. Да, если вы бежите из дачного домика накрыть огурцы в огороде, чтобы их не побило градом. Люди, покоряющие вершины гор и проходящие маршрут  в суровых природных условиях, нуждаются в чем-то большем, чем полиэтиленовый пакет. Им необходима надежность, безопасность, максимально возможный комфорт и минимум мыслей о том, как работает их одежда, подведет ли она в самый ответственный момент. Им нужно ощущение сухости изнутри. Прочность и долговечность. Возможность довериться своему снаряжению, поскольку от этого часто зависит их жизнь.

Свойства мембран

Итак, что мы можем получить от мембранного материала?

Паропроницаемость – способность ткани выводить наружу избыточную влагу, которая непременно образуется у человека во время интенсивных нагрузок. Влага выводится в виде пара после испарения с поверхности кожи. Эта способность защищает от переохлаждения в холодную погоду и от перегрева во время физической активности.

Водостойкость – свойство мембраны препятствовать проникновению влаги снаружи. Пар и капля воды состоят из молекул одинакового размера, поскольку это всего лишь разные агрегатные состояния воды. Это мы знаем из школьного курса физики. Однако, связь между молекулами в капле значительно выше, капля плотнее, а значит, ее проще задержать на поверхности. Так и работает мембрана. Вода снаружи задерживается, не проникая внутрь, а избыточный пар изнутри свободно выводится на поверхность.

И тут кроется задачка, справиться с которой производителям мембранных материалов пока не под силу. Если придать мембране высокие показатели паропроницаемости, она потеряет в водостойкости. Сделав мембрану максимально водостойкой, чрезвычайно сложно придать ей высокие влагоотводящие показатели. Должен соблюдаться определенный баланс. Или теряется универсальность.

Ветроустойчивость или воздухопроницаемость – характеристика, описывающая возможность мембранной ткани пропускать воздух или противостоять ветру. Ветер может быть как помощником, охлаждающим организм во время высокой активности, так и ярым противником, выдувающим из-под одежды драгоценное тепло. Чем более устойчива к ветру мембранная ткань куртки или брюк, тем выше вероятность сохранения внутреннего микроклимата даже в экстремальных условиях. Показатели воздухопроницаемости крайне редко указываются производителями мембранных тканей. Чаще всего приблизительно пишут о процентах ветроустойчивости.

Топ-5

Рассмотрим пять наиболее известных мембранных тканей, достаточно универсальных, чтобы подойти «на все случаи жизни». Как мы уже поняли, всякая универсальность имеет границы. Поэтому выбирать мембранную ткань стоит, исходя из условий использования и собственных требований к конкретному снаряжению.

А вот и «случаи жизни» – сферы деятельности, в которых нам необходима высокотехнологичная одежда и обувь с мембраной:

• все виды альпинизма
• скалолазание на естественном рельефе
• зимние виды спорта: сноуборд, горные лыжи, в том числе экстремальные дисциплины, такие как фрирайд и хелиски.
• хайкинг, треккинг и горный туризм
• рыбалка и охота
• мотоспорт и автоспорт

 

Gore-Tex Pro

Согласно заявлению производителя – мембранная ткань из категории Ultimate. Бескомпромиссная защита от ветра и воды, высокие показатели паропроницаемости и отменная прочность. Везде, где от одежды требуется полная отдача, подойдет мембранная ткань Gore-Tex Pro.

Мембранные ткани Gore-Tex Pro имеют высокие показатели паропроницаемости, следовательно, при интенсивных нагрузках внутренний микроклимат будет сохраняться, что поможет избежать перегрева или переохлаждения в суровых условиях. К тому же образующийся во время двигательной активности липкий пот – явление малоприятное. Дождь, снег и попадание под водопад мембрана держит очень долгое время. В ботинках Gore-Tex Pro можно смело измерять глубину луж и долго идти по горным тропам в проливной дождь. Сухость изнутри гарантирована. Ледяной ветер остужает одежду-оболочку, но не проникает внутрь через ткань, а значит, не выдувает тепло и не охлаждает организм.

Показатели в числах:

• паропроницаемость – RET <6 м² Pa/W (тест, определяющий способность ткани сопротивляться проникновению пара; чем ниже показатель, тем лучше паропроницаемость)
• водостойкость – 28 000 мм водяного столба

Конструкция Gore-Tex Pro представляет собой 3 полноценных слоя: верхняя ткань, мембрана и внутренняя ткань. Внешний слой обычно имеет водоотталкивающую пропитку DWR, которая не позволяет ему намокать и накапливать влагу. Сухой внешний слой обеспечивает защиту от механических повреждений и беспрепятственную работу мембраны по транспортировке избыточной влаги от тела. Внутренний слой защищает мембрану от трения о средние и базовые слои одежды, не препятствует отводу влаги.

Мембрана Gore—Tex под микроскопом

Плюсы очевидны. Сюрпризы природы в виде дождя, снега и ветра обладателю комплекта одежды с мембраной Gore-Tex Pro не страшны. А значит, можно заниматься любимым видом деятельности, не отвлекаясь на мелочи. Однако если вам нравится, например, бег по пересеченной местности, и вы совершаете пробежки в любую погоду, включая июльскую жару, стоит обратить внимание на другие продукты Gore-Tex, более подходящие для теплой погоды.

Мембранные материалы Gore-Tex используют практически все известные производители снаряжения для экстремальных видов спорта. В нашем магазине это бренды Arcteryx, Asolo, Berghaus, Dakine, Haglofs, La Sportiva, Montura, Norrona, Mammut, Mountain Equipment, Mountain Hardwear, Patagonia и другие.

.

Toray Dermizax NX

Мембранная ткань Dermizax NX японского производителя Toray представляет последнее поколение беспоровых мембран. Очень тонкая и эластичная  полиуретановая ткань, имеющая кристаллическую структуру, высочайшие показатели паропроницаемости и водостойкости. Поскольку такая ткань не имеет пор, она способна растягиваться до 200%. Прочная и устойчивая к жесткой эксплуатации, не забивается частицами грязи или кожного жира, совершенно не пропускает ветер. С использованием мембраны Dermizax NX производятся эффективно работающие трехслойные ткани для одежды outdoor.

Показатели в числах:

• паропроницаемость – 30 000 до 40 000 г/м²/24ч
• водостойкость – 20 000 мм водяного столба и выше

Транспортировка влаги на поверхность материала достигается за счет процесса диффузии, благодаря разнице во влажности изнутри и снаружи. Dermizax NX осуществляет перенос быстро, демонстрируя минимальный уровень конденсации, а время является важным показателем качества мембраны. Соответственно, при высоких температурах влага будет накапливаться быстрее, транспортировка тоже ускорится.

Структура мембраны Dermizax

Группа тканей Toray Dermizax напрямую соперничает с Gore-Tex по своим характеристикам и показателям.

Бренд с мембранами группы Dermizax, представленный в нашем магазине: Bergans.

.

The North Face Futurelight™

Фирменный мембранный материал от бренда The North Face, полученный посредством электроспиннинговой технологии. В компании назвали процесс производства «наноспиннинг».

Futurelight™ – трехслойная ткань. На внешний слой из переработанных материалов нанесена тончайшая полимерная сетка. Вместо пор – микроскопические промежутки между волокнами полиуретана. Внутренний слой – мягкая подкладка, также сделанная из переработанных материалов. Внешний слой ткани обрабатывается стойкой водоотталкивающей пропиткой DWR без полифторированных соединений в составе (PFC-Free).

По утверждению производителя наноструктура мембраны Futurelight™ позволяет существенно повысить показатели паропроницаемости без ущерба водонепроницаемости и долговечности, а процесс производства – задать эти свойства на этапе нанесения волокон полиуретана на ткань. В итоге получилась водостойкая, ветрозащитная, отлично «дышащая», тонкая, эластичная и прочная ткань, способная защитить пользователя в самых суровых условиях. Плотность мембранного слоя невысока и содержит до 85% воздуха, поэтому материал имеет малый вес, сохраняет некоторую воздухопроницаемость. Плюс, с помощью данной технологии можно создавать бесшовные переходы между более водостойкими и воздухопроницаемыми зонами на одежде. То есть, в стратегически расположенных зонах мембрана будет или защищать от проникновения воды извне, или помогать телу дышать, осуществляя транспортировку влаги на поверхность с большей эффективностью.

Несмотря на свежесть разработки, уже были проведены полевые и лабораторные испытания. Компания The North Face сотрудничает с американской организацией Underwriters Laboratories Inc. (далее – UL), занимающейся стандартизацией и сертификацией в области техники безопасности. UL подвергла ткань Futurelight™ тем же испытаниям на водостойкость, что использовались для пожарного снаряжения. На одежду сбрасывалось более 200 галлонов (757 л) воды в час. Futurelight™ выдержала испытание и получила сертификат UL, гарантирующий 100% водонепроницаемость при сохранении высокого уровня воздухопроницаемости. Однако, конкретные числа компанией не раскрываются.

Показатели паропроницаемости известны и являются максимальными из существующих на рынке – верхний возможный предел 75 000 г/м²/24 ч. Мембрана превосходно работает на выведение влаги и не позволяет конденсату образовываться на внутренней поверхности одежды.

Полевые испытания прошли успешно в экстремальных условиях гор от Эвереста до первого спуска на лыжах с вершины Лходзе.

В нашем магазине товары бренда с мембраной Futurelight™ можно посмотреть здесь: The North Face.

.

Patagonia h3No

h3No – собственная разработка компании Patagonia. История и идеология бренда базируются на гуманном отношении к природе, поэтому основной отличительной особенностью тканей Patagonia является включение в их состав переработанных и биоразлагаемых  материалов. Трехслойная мембранная ткань h3No, детали производства которой не разглашаются, состоит из 100% переработанного нейлона, поликарбонатной мембраны с 13% биоразлагаемых компонентов и трикотажной подкладки. Плюс, стойкая водоотталкивающая пропитка без PFC – Deluge® DWR, которая считается более надежной, чем классическая DWR.

Чтобы продукция бренда служила дольше и менялась пользователями реже, материалам придана исключительная долговечность, прочность и износоустойчивость. Patagonia подвергает свои ткани жесточайшим тестам. Тест на прочность, например, называется «Killer Wash» – «стирка-убийца». Тест за 24 часа имитирует годы интенсивной эксплуатации во влажных условиях, проверяя продукцию на стойкость к заломам и истиранию. Тест на водостойкость предполагает три дня испытаний небольшим дождем, ливнями и на специальном оборудовании. Паропроницаемость тестируется по стандартам MVTR (Moisture Vapor Transmission Rate).

Показатели в числах:

• паропроницаемость: 15 000 г/м²/24ч
• водостойкость – 20000 мм водяного столба до теста Killer Wash и 10000 мм после теста

Таким образом, компания Patagonia вот уже несколько лет предлагает нашему вниманию одежду с собственной мембраной. Одежду, способную выдержать экстремальные нагрузки, полностью защитить от воды и ветра, эффективно транспортировать пары пота изнутри, препятствовать конденсации влаги и быстро сохнуть.

Одежда бренда Patagonia есть в наших магазинах.

 

.

Event DValpine

Мембранная ткань бренда Event производится компанией BHA Technologies с 1999 года. Огромный шаг вперед был сделан, когда появилась собственная технология Direct Venting™ (DV). Классическая поровая мембрана без покрытия быстро теряет свои свойства из-за загрязнения пор. Основными загрязнителями являются жиры, которые накапливаются в материале ePTFE (ПФТЭ) поскольку он олеофилен. Direct Venting™ Technology создало мембрану, которая всегда имеет открытые поры и не накапливает загрязнения. С этой целью на волокна мембраны наносится олеофобное покрытие, предотвращающее оседание жиров и масел и сохраняющее свойства ткани.

Благодаря технологии Direct Venting™ пары влаги свободно выходят через поры на поверхность. Материал не накапливает влагу, не нуждается в разнице давления для ее транспортировки, хорошо работает при низких температурах и в условиях высокой влажности. То есть, не имеет «болячек» первых беспоровых мембран. Организм человека даже при интенсивной нагрузке находится в так называемой «сухой зоне». Он достаточно охлаждается, чтобы не перегреться в результате неэффективного испарения, и не замерзает, поскольку влага не скапливается под одеждой.

Ламинат DValpine состоит из 3 слоев: верхний слой с обработкой DWR, мембрана с технологией Direct Venting™ и мягкая, комфортная подкладка, не препятствующая переносу влаги.

Показатели в числах:

• паропроницаемость: 20 000 г/м²/24ч
• водостойкость: 20000 мм водяного столба

В нашем магазине мембраны Event представлены брендом Hoka.

Бонус – Hydroshell Elite Pro

Hydroshell  – мембранные ткани британской компании Berghaus, которая имеет пятидесятилетний опыт создания водонепроницаемого снаряжения. Впервые одежда с мембраной Hydroshell  была представлена в 2015 году.

Hydroshell Elite Pro абсолютно водонепроницаема, обладает высокими показателями паропроницаемости, отличным соотношением прочности и веса. Сверхлегкая конструкция из 2.5 слоев, верхний из которых – прочный нейлон. Стойкая и долговечная водоотталкивающая обработка DWR, которую используют в Berghaus, не содержит полифторированных соединений в составе (PFC-Free). Производитель утверждает, что пропитка держится дольше своих аналогов и реже требует восстановления.

Показатели в числах:

• паропроницаемость: 20000 г/м2/24ч
• водостойкость: 20000 мм

В нашем магазине есть продукция бренда Berghaus с мембранами Hydroshell.

.

Заключение

Выбирать мембрану стоит, исходя из предполагаемого вида деятельности и его особенностей. Рассмотренные нами примеры максимально универсальны и способны защитить от суровых погодных условий.

Однако надо быть готовым к нескольким моментам, которые сложно обойти в процессе использования одежды из мембранных материалов.

1. Куртка с мембраной не будет корректно выполнять свою задачу, если под ней обычные вещи, не поддерживающие систему слоев. Мембрана не сможет вывести влагу, если ее накапливает белье или свитер. Куртка будет работать в качестве дождевика, а внутри все равно образуется конденсат.
2. У каждой мембраны есть предел времени или количества влаги, по окончании которого она начнет промокать. Это не значит, что материал плох. Просто он достиг своего предела.
3. Мембрана с показателем водонепроницаемости 10 000 мм водяного столба защитит вас от сильного дождя, если вы не гуляете под ним весь день. Большинству пользователей такой степени защиты достаточно. От 20 000 мм и выше – рассчитаны на экстремальный уровень. Поэтому не гоняйтесь за цифрами, выбирайте по потребностям.
4. Как и любые ткани, мембранные материалы постепенно изнашиваются и теряют свои свойства. Но можно продлить срок службы, если правильно ухаживать за своими вещами. О бережном отношении не говорим, ведь предназначены они для эксплуатации в экстремальных условиях. Хотя, это тоже помогло бы.
5. Кроме Gore-Tex, Dermizax, Futurelight, h3No, Event и Hydroshell, существует огромное количество похожих по принципу действия мембранных материалов. Старайтесь не выбирать «noname» за цену и доступность. Процесс производства, тестирования и сертификации очень дорог. Мембрана не может быть дешевой. Такая покупка не решит проблему и не прослужит долго.

 

До встречи в горах!

Перевод выполнила Драгунова Анна

Что такое мембрана и ее виды в современной спортивной одежде

Использование мембранных материалов в одежде в наше время становится все более обычным и понятным явлением. Благодаря мембранной одежде наше тело хорошо защищено от внешних погодных воздействий в виде дождя, снега, ветра, и в то же время, позволяет телу «дышать», сохраняя тепло и необходимый микроклимат. Соответственно, самая основная задача мембраны – это отводить испарения наружу от второго утепляющего слоя одежды и не проводить влагу снаружи. Сейчас на рынке представлено большое количество компаний, специализирующихся на производстве мембран, наиболее известна и популярна компания Gore и ее мембрана Gore-Tex. Есть и компании – производители одежды, которые выпускают свои собственные разработки мембран. Например, итальянский бренд Salewa производит мембрану PowerTex, которая работает по тому же принципу, что и GoreTex. В производстве собственных мембран есть несомненный плюс – одежда с такой мембраной значительно дешевле при практически таком же качестве.

По типу нанесения, мембраны делятся на три вида:

• двухслойная мембрана – это мембрана, нанесенная специальным образом на материал с изнаночной стороны и защищённая от истирания подкладкой.
• трехслойная мембрана — это мембрана, нанесенная на изнаночную сторону материала, и закрыта дополнительным защитным материалом. Все три слоя прочно спечены между собой и, как правило, это самый надежный, но в тоже время самый дорогой способ нанесения мембраны.
• двух-с-половиной-слойная мембрана — один из самых дорогих вариантов на рынке. Благодаря прочному внедрению мембраны на материал, изделия с ней необычайно легкие и прочные.

Микропористые или беспоровые?

Условно мембраны принято разделять на два семейства – микропористые и беспоровые. Сама по себе мембрана представляет либо тончайшую пленку, которая приварена или приклеена по особой технологии к ткани, либо напыление, нанесенное особым образом на материал.

Микропористые

Самое популярное и известное семейство мембран – микропористые. И флагманом здесь конечно является компания «W. L. Gore & Associates » с мембранами GoreTex. Принцип действия микропористых мембран основан на том, что мембрана содержит несколько миллионов пор на 1 кв.см., каждая из которых в десятки тысяч раз меньше, чем капля воды, но в сотни раз больше, чем молекула пара. Таким образом, испарения от тела свободно проходят через мембрану, а дождь задерживается снаружи. Для того, чтобы определить, насколько хорошо работает мембрана, существует два основных параметра: водонепроницаемость (водостойкость) и «дышимость» (проницаемость водяных паров). Водонепроницаемость – показатель того, насколько мембрана способна задерживать влагу извне. Этот показатель указывается в миллиметрах водяного столба – чем выше цифры этого показателя, тем больше преграду для влаги мембрана образует. Обычно достаточно мембран с показателем 10/15 мм водяного столба. Так, к примеру, дождь средней силы создает давление равное приблизительно 7-8 м водяного столба, сильный 10-11 м водяного столба. «Дышимость» – (паропроницаемость) измеряется в показателях количества пара, которое способна пропустить мембрана с квадратного метра в течении 24 часов. Обозначается как г/м2, g/m2. Так же, как и в показателе водонепроницаемости – чем выше числовой показатель, тем лучше дышащие свойства мембраны. Ориентировочно, необходимые показатели для занятия активными видами спорта с высокой физической активностью – от 20 000 и выше г/м2, для города подойдут мембраны с показателями в районе 5 000 — 7 000 г/м2.

Самая сложная задача, с которой сталкиваются все производители мембран – это произвести мембрану с наилучшим соотношением водостойкости и отведения тепла от тела. Этого нелегко добиться, так как, чтобы выходило большее количество пара нужно делать больше поры мембраны, что в свою очередь дает больше возможности для проникания воды.

Беспоровые

Семейство беспоровых мембран гораздо малочисленней, чем микропористые мембраны, и здесь самой известной и проверенной временем является мембрана SympaTex. Общий принцип работы беспоровых мембран основан на принципе диффузии молекул. В упрощенном варианте структуру работы мембраны можно представить следующим образом: внутренний слой мембраны состоит из гидрофильных волокон, которые притягивают молекулы водяного пара и транспортируют их наружу; а внешний слой состоит из гидрофобных волокон, которые отталкивают воду. Процесс работы мембраны запускается при создании разницы давления внутри и снаружи, из-за этой особенности такой вид мембран по-другому еще называют «умные мембраны». Чем интенсивнее у вас физическая нагрузка, тем интенсивнее начинает мембрана работать.

Возникает закономерный вопрос – какие мембраны лучше: микропористые или беспоровые? Как обычно, однозначного ответа нет. У каждой мембраны есть свои плюсы и минусы. Микропористые мембраны не отличаются особой долговечностью даже при правильном уходе. Несмотря на довольно высокую цену, именно этот вид мембран показывает наилучшее соотношение дыхания и водостойкости. Плюс вещи с этой мембраной очень легкие и прочные. Так же, благодаря высоким водоотталкивающим свойствам вещи надежно защищают не только от осадков, но и от промокания при попадании непосредственно в воду. Беспоровые мембраны очень прочные из-за своей структуры. Основная особенность – это сохранение своих характеристик даже при сильном растяжении, что особенно актуально для зон с повышенной нагрузкой – плечи, колени и так далее. Эти мембраны немного проще в уходе, благодаря отсутствию пор, но в то же время, эта особенность влияет отрицательно на дышащие свойства изделия- как правило показатели дыхания этих мембран ниже.

Не стоит забывать, что никакая прекрасная мембрана не сработает, если у вас не правильно подобраны нижние слои одежды. А именно, под мембранной одеждой должен быть надет второй утепляющий слой из флиса и первый влагоотводящий слой – термобелье. Так же, важно отметить, что, выбирая себе одежду с мембраной, стоит учитывать, как вы собираетесь ее использовать, и подбирать тип мембраны под ту активность, или вид спорта, которым вы собираетесь заниматься. Не старайтесь приобрести экипировку для использования ее, как универсальную экипировку для всего.

Все вещи с мембраной требуют особого ухода, поэтому:

• обязательно читайте информацию на ярлычке и следуйте указаниям
• перед стиркой застегните все молнии и пуговицы
• сушите при комнатной температуре, ни в коем случае не сушите на батарее и прочих сильных источниках тепла
• сушить лучше в расправленном, горизонтальном состоянии
• при стрике лучше использовать не обычный порошок, а специальные средства, которые менее агрессивно влияют на ткань и изготовлены на водной основе, что позволяет глубоко проникать в изделие и лучше отстирывать.

Следуя этим нехитрым правилам, вы сможете существенно продлить жизнь мембраны и сохранить ее технические свойства, что позволит вам получать удовольствие от занятий любимыми видами спорта с чувством комфорта и защищенности.

Сергей Пехтерев (с)

Мембрана и влагозащитная и ветрозащитная одежда

Мембрана и современные мембранные ткани мы используем при производстве верхней мембранной одежды, которая надежно защищает нас от воздействия внешних погодных воздействий, таких как: дождь, снег, ветер, при этом не исключала выведению влаги наружу, образующуюся при движении, особенно при активных физических нагрузках. Мембрана — это та самая волшебная ткань мембранной одежды, в которой нам сухо, тепло и комфортно внутри при полном погодном апокалипсисе снаружи.

По принципу действия различают типы мембран: беспоровая, поровая и комбинированная.

Беспоровые мембраны работают по принципу осмоса: испарения от тела попадают на внутреннюю часть мембраны, осаживаются на ней и посредством активной диффузии быстро переходят на наружную сторону мембраны. Существенно, что диффузия пара изнутри вовне возможна только при наличии движущей силы – разницы в парциальных давлениях водяных паров внутри и снаружи. Соответственно, условием для начала работы мембраны является некоторая влажность внутри куртки, и если, например, открыть «вентиляции», мембрана практически перестает работать. Беспоровая мембрана плохо работает при высокой внешней влажности, а при остывании мембраны до минусовых температур эффективность транспорта воды снижается почти до нуля. Однако мембраны данного типа имеют и преимущества. К ним можно отнести относительную доступность и долговечность. Беспоровые мембраны сравнительно неприхотливы, не требуют специального ухода. Кроме того, качественные мембраны такого типа могут иметь очень высокую водонепроницаемость или обладать стрейчевыми свойствами.

Поровые мембраны, как Вы правильно предположили, это пористые структуры из несмачиваемого материала, например, тефлона, под микроскопом похожие на тончайшую паутину. Размер пор ткани меньше капелек воды, но больше молекул пара. Это позволяет ткани не впитывать влагу извне, а испарения тела свободно выпускать через поры. В результате получаем водонепроницаемость мембранной ткани снаружи изделия и дышащие (пароотводящие) свойства изнутри изделия. Поровые мембраны начинают дышать, т. е. выводить испарения, сразу, как только Вы начинаете потеть. Пару не нужно конденсироваться на внутренней поверхности, он просто свободно проходит сквозь мембрану. Такие мембраны не требуют большой разницы парциальных давлений внутри и снаружи, соответственно, работают в более широком диапазоне температур и влажностей. Однако поровая мембрана может достаточно быстро потерять свои свойства – на волокнах мембраны оседают жир и загрязнения, поры засоряются. За изделиями из поровой мембраны необходим специальный уход, обеспечивающий бережную, но эффективную чистку и исключающий механические повреждения.

Комбинированные мембраны – сочетание обеих типов мембран послойно: ткань верха покрыта с внутренней стороны поровой мембраной, а поверх поровой мембраны – тончайшая беспоровая мембранная пленка. Эта ткань имеет все преимущества поровых и беспоровых мембран, почти избегая недостатков.
В новейших мембранах с применением технологии прямой вентиляции для защиты от загрязнения поровой мембраны используется не сплошная пленка, а индивидуальное покрытие волокон «паутины». На стадии изготовления ткани волокна мембраны дополнительно обработаны специальным составом, препятствующим осаждению загрязняющих веществ, тем самым сохраняя поры мембраны открытыми, а поверхность волокон чистой и несмачиваемой. Такие мембраны достигают самых высоких показателей паропроницаемости, работают в широком диапазоне условий, более эластичны и достаточно долговечны. За ткань с такими технологиями, естественно, приходится дорого платить.

Технические параметры мембраны
Основные технические характеристики мембранных тканей:
— Водонепроницаемость W/P – это максимальное давление водяного столба (мм. водного столба), которое может выдержать данная ткань при этом не промокнуть. Для надежности зонта или палатки достаточна водонепроницаемость ткани от 3000 мм водного столба. Для одежды, в которой Вы активно двигаетесь, отчего ткань испытывает давление, трение, и прочие нагрузки, потребуется мембрана водонепроницаемостью минимум 10000 мм. Внимание! В предельном случае любая мембрана теоретически может промокнуть.
— Паропроницаемость (дышащие свойства) MWP – количество пара (г), которое ткань пропускает за определённый период времени (24часа) через единицу своей площади (кв.м). Процесс выведения влаги требует времени! При слишком интенсивном потоотделении Ваша мембранная куртка может не успевать выводить всю влагу. Но, снизив активность, Вы заметите, что для того чтобы внутри стало сухо, не нужно расстегивать куртку, подставляя ветрам разгоряченное тело.

— Базовый уровень показателей мембран – это W/P = 3.000мм водного столбы, а MWP = 3000г/м2/24 часа. Изделия из такой мембранной ткани недорогие, область их использования: кратковременные прогулки под небольшим дождем, утренние пробежки и одно-двухдневные походы в условиях «вдруг пойдет дождик».

Традиционные высококлассные мембраны имеют водонепроницаемость как правило 10000 — 20000мм водного столба, и выше, и дышащие свойства не менее 10000г/м2/24 часа.
Мембраны прямой вентиляции имеют переменные параметры паропроницаемости от 30.000г/м2/24часа и выше, зависящие от внешних условий температуры и влажности.
Для потребителя важно понимать, что иногда цифры, указанные на изделии могут не совсем соответствовать действительности, так как тестируют ткань, а не готовое изделие. Поэтому важно, чтобы производитель одежды соблюдал технологии производства, использовал высокотехнологичное оборудование для герметизации швов и качественную водонепроницаемую фурнитуру!

Конструкции мембранных тканей
Сама мембрана является лишь основным компонентом мембранных тканей, которые имеют многослойную конструкцию. Эта послойность позволяет ткани не только выполнять функции мембраны, но и долгое время не терять своих свойств и первоначального внешнего вида. Наружная тканая поверхность с нанесенной водоотталкивающей пропиткой (Water Reppelence) защищает промежуточную мембрану от внешних повреждений и загрязнений, служит дополнительным барьером для влаги. Промежуточный либо внутренний слой – именно рабочий слой мембраны – защищает от проникновения воды внутрь, и выводит избыточную влагу от тела. Внутренний слой (для трехслойной ткани) предохраняет мембрану от разрушения и загрязнения изнутри.

Соответственно, мембранные ткани различают:

Трехслойные мембраны.
Это склейка наружного слоя, мембраны и подкладки, т.е. рабочий слой защищен с обеих сторон – внутри и снаружи. Такие ткани особо прочные, быстросохнущие, но всегда чуть более тяжелые. Без дополнительных барьеров их дышащие свойства используются «на полную катушку». Естественно, за данную технологию потребителю приходится платить не малую цену.

Двухслойные мембрны.
Тут наружная ткань специальным образом склеена с мембраной и она защищена только с наружной стороны. В изделиях из этих тканей для защиты мембраны изнутри используется свободно висящая подкладочная ткань. Они легкие, мягкие и стоят дешевле своих «трехслойный братьев». Двухслойную мембрану также применяют в изделиях с утеплителем в качестве мембранной зимней одежды.

Двух-с-половиной-слойные.
Защитные свойства изнутри выполняет слой полиуретана, нанесенный с внутренней стороны мембраны тончайшей сеткой. Такие ткани беспримерно легкие, максимально компактные, но требовательны к уходу.

Мембранная одежда O3 Ozone соответствуют самым высоким стандартам. При производстве используются 3-х и 2-х слойные мембранные ткани O-tech с характеристиками W/P от 10000мм до 20000 водного столба, а MWP от 10000г/м2/24 часа до 35000г/м2/24 часа. Все швы изделии O-tech проклеены, оснащены дополнительными влагозащитными конструкциями (планки, утяжки, зип-гаражи) и влагостойкими молниями.

Ткань O-Tech 3L
Ламинированная ткань 3L имеет трёхслойную структуру. Верхняя поверхность с нанесённой водоотталкивающей пропиткой защищает промежуточную мембрану от внешних повреждений. Нижний слой выводит избыточную влагу и предохраняет мембрану от разрушения.

Технические показатели:
— параметры водонепроницаемости — 15 000 мм
— параметры паропроницаемости — 20 000г/кв.м2/24часа
— пропитка DWR

Ткань O- Tech Neo 3L имеет гидрофобную микропоровую мембрану, структура которой состоит из многих переплетенных друг с другом субмикронных волокон из полиуретана с тщательно контролируемым размером пор. Таким образом капли воды не проходят через такие микроскопические поры, при этом пар отлично выводится наружу.

Технические показатели:
— параметры водонепроницаемости — 20 000 мм
— параметры паропроницаемости — 35 000г/кв.м2/24часа
— пропитка DWR

Ткань O- Tech 2L
Ламинированная ткань 2L имеет двухслойную структуру: верхняя ткань и мембранна, поэтому всегда используется с дополнительной нижней тканью, защищающей от истирания, это может быть как утеплитель, так и сетка.

Технические показатели:
— параметры водонепроницаемости — 10 000 мм
— параметры паропроницаемости — 10 000г/кв. м2/24часа
— пропитка DWR

Ткань O- Tech 2,5 L
Компактность и легкость 2,5 L достигается за счет отсутствия подкладки, а защита мембраны осуществляется специальным защитным слоем, обычно текстурированным линиями или иным принтом, наносимым непосредственно на поверхность мембранной пленки.

Технические показатели:
— параметры водонепроницаемости — 10 000 мм
— параметры паропроницаемости — 10 000г/кв.м2/24часа
— пропитка DWR

Мембранные технологии в спецодежде: как это работает? — Экология и промышленная безопасность

В мире мембранные ткани уже давно завоевали огромную популярность и активно применяются во многих сферах

Москва, 26 мая — ИА Neftegaz.RU. Современные мембранные материалы – это высокотехнологичная продукция, полученная путем многолетних исследований и испытаний. Паропроницаемая ткань сегодня применяется во многих сферах, но особенно она полезна для производства высокотехнологичной спецодежды и обуви для разных отраслей промышленности. По своим защитным свойствам, комфорту и качеству материал не имеет аналогов. Давайте разбираться, почему.

Мембрана в спецодежде по своей сути – своеобразный тончайший барьер, созданный с целью защитить человека от внешних климатических факторов, таких как дождь, снег, ветер, низкие температуры, и при этом сохранить максимальный комфорт.

Благодаря особой структуре мембрана может пропускать водяные пары в одну сторону и задерживать проникновение жидкости в обратном направлении. При этом толщина мембраны Gore-Tex, например, составляет всего 0,01 мм.

Мембранный материал состоит из нескольких слоев: верхний слой – лицевая сторона, обеспечивающий внешний вид и выполняющий защитную функцию от осадков; средний – сама мембрана – тончайшая пленка из высокомолекулярного вещества; и внутренний – подкладка. Трехслойный мембранный материал для спецодежды отлично защищает от дождя, снега, ветра и других внешних, в том числе производственных, факторов, и при этом позволяет коже дышать.

По принципу работы мембраны могут быть разными. Их условно делят на поровые, беспоровые и комбинированные.

• Первые состоят из тонкой пленки гидрофобного (отталкивающего влагу) вещества с мельчайшими отверстиями.
• Вторые представляют собой сплошную пленку гидрофильного (впитывающего влагу) вещества без пор.
• А третьи – это комбинация первых двух типов.

Несмотря на разный принцип действия, главной характеристикой мембранного материала остается сочетание влагонепроницаемости и паропроницаемости.

В мире мембранные ткани уже давно завоевали огромную популярность и активно применяются во многих сферах. От профессионального спорта, где не представляется экипировка без дышащих и легких материалов, до огнестойкой одежды для спецподразделений и пожарных служб, где важным, помимо жизненно необходимых защитных свойств, также становятся показатели комфортности – легкость и паропроницаемость применяемых материалов.

Так защитная одежда и обувь, создаваемые на основе мембраны, не только обеспечивают потребителю максимальный комфорт, но и ограждают его от различных производственных рисков, в том числе от переохлаждения, воздействия химических веществ, накопления статического электричества и т. д. Например, для работника нефтегазовой отрасли важна защита от сырой нефти и нефтепродуктов, а также от статического электричества, высоких температур, опасностей, которые могут привести к возгоранию или взрыву. Качественная спецодежда из мембранных тканей способна удовлетворить всем перечисленным требованиям.

На рынке спецодежды единственной российской фирмой, обладающей официальной лицензией от компании W. L. Gore & Associates, основатель которой и придумал мембрану, является компания «Техноавиа». Производственные мощности именно этой компании в полной мере соответствуют требованиям (собственным стандартам) компании Gore, которые значительно превышают требования международных стандартов.

Сама мембрана Gore-Tex, используемая компанией «Техноавиа» для производства защитной одежды, в настоящее время имеет на рынке различные аналоги. Однако качественного готового продукта из этих материалов, которые отвечали бы таким заявленным требованиям, как защита от дождя и ветра при хороших показателях паропроницаемости, практически нет.

Для изготовления материала Gore-Tex нагретую заготовку из тефлона растягивают до состояния пленки толщиной всего 0,01 мм. Полимер распадается на отдельные волокна. Образуется огромное количество пор – около 1,4 млрд на 1 см². Определяющим фактором становится то, что размер их в 700 раз превышает размер молекулы воды, но в 20 000 раз меньше самой маленькой капли воды. Поэтому полученный материал – пористая мембрана, а если быть точнее, растянутый политетрафторэтилен (ePTFE) – способен пропускать воду в газообразном состоянии, но оставаться непроницаемым для ее жидкой формы.

Собственная система стандартов W. L. Gore & Associates предусматривает на каждом этапе работы над новыми моделями проводить тестирование разрабатываемой продукции и испытания готового продукта в условиях, максимально приближенных к реальным.

• В первую очередь изделие всегда тестируется на влагостойкость после 15 промышленных стирок – оно помещается в специальную дождевую камеру, где проводит под вертикальным и горизонтальным дождем 1 час. Ни одна капля воды не должна проникнуть внутрь изделия.
• Следом проводится проверка в климатической камере. В этом тесте сравниваются результаты экспериментальных измерений с «живыми» отзывами сотрудников Gore, которые испытывают одежду на себе. Важно, чтобы в одежде было комфортно при выполнении работ разной степени интенсивности и при различных температурных режимах.

Спецодежда из таких тканей становится отличным средством защиты для работников, находящихся на открытом воздухе при любых погодных условиях, а также работающих во вредных и/или опасных условиях труда, и особенно актуальна для персонала строительных и нефтегазовых компаний, коммунальных служб, аэропортов, железных дорог, а также специалистов, занимающихся ремонтом или проводкой трубопроводов и прокладкой электрических и газовых сетей.

Кроме того, из мембранных материалов «Техноавиа» изготавливает обувь. В 2017 г. компания подписала с W. L. Gore & Associates соглашение о производстве защитной обуви с использованием технологии Gore-Tex. Климатическая мембрана в этой обуви располагается между гидрофобным высокопрочным наружным материалом и подкладкой. Так обеспечивается надежная защита снаружи и сухость внутри. Важно помнить, что в намокших ботинках теплопотери происходят в 2 раза быстрее, в результате организм переохлаждается, что может привести к снижению иммунитета. Поэтому такая обувь востребована для специалистов, работающих на открытом воздухе в любую погоду. Кроме того, она защищает от химических факторов (нефти и нефтепродуктов), механических воздействий (ударов в носочной части, скольжения по зажиренным поверхностям, истирания), кратковременного (60 сек.) контакта с нагретыми до +300 °С поверхностями и от общих производственных загрязнений.

Так, современные мембранные технологии, нашедшие применение в изготовлении СИЗ, являются сегодня лучшим решением для защиты здоровья персонала на различных предприятиях. Применение качественной продукции на основе этих технологий помогает успешно справляться с главной задачей государственной политики в сфере охраны труда.

Применение качественной продукции на основе этих технологий помогает снизить количество профзаболеваний, особенно простудных, и повысить производительность труда за счет более высокого уровня комфорта во время работы.

Мембраны и все о них

В далёком 1967 году Роберт Гор и его отец Уилберт Гор вывели на рынок новую ткань, которую активно начали использовать для изготовления одежды для активного отдыха. Поэтому именно Gore-Tex следует считать прародителем целой эпохи мембранных тканей. До этого материал активно использовался в космической индустрии (даже успел побывать на Луне), в электрике. Сейчас на рынке появилось множество аналогов Гортекса, отличного качества материалов, но… первый — всегда первый!

В статье мы разберём следующие вопросы:

1. Что такое мембранная ткань, какое она имеет строение

2. Классификация мембран по строению

3. Способы нанесения мембраны на ткань

4. Строение мембранной ткани

5. Свойства мембраны и критерии ее эффективности

6. Классификация мембран по назначению

7. На что обратить внимание при покупке изделия из мембраны

Что такое мембрана

Мембрана — это тонкая пленка, в основе которой лежит фторопласт (тефлон). Эта пленка имеет уникальную структуру, целью которой является сохранить вашу одежду сухой, независимо от внешних условий.
В принципе, для защиты от сильного дождя в походе можно использовать дождевик. Он отлично справится с намоканием, если вы находитесь под ливнем не больше получаса и к тому же не двигаетесь. Потом ваша одежда станет влажной, но не от дождя (ведь ваша накидка совершенно водонепроницаема), а от своего же пота.

Немного теории.

В течение дня человек посредством дыхания вырабатывает около 400 мл воды. Кроме этого влага выделяется и кожными покровами всей поверхности тела — где-то больше, где-то меньше. Общее количество выделенной вами влаги — около литра в сутки. Это и составляет основу терморегуляции. А предоставьте, что вы под рюкзаком на маршруте, или лезет в гору, или активно работаете веслом. Ваше тело при этом выделяет от 1500 мл воды и больше.

Так вот вся эта вода, которую вы же сами и выделяете, останется под вашим непромокаемым дождевиком изнутри и одежда станет мокрой.

Как же добиться того эффекта, когда испарения влаги от вашего тела спокойно проходят через ткань, оставляя тело сухим, и одновременно защититься от влаги снаружи? Какими свойствами должна обладать такая ткань, чтобы совместить эти два взаимоисключающих процесса? Сейчас, зная о существовании мембраны, активно пользуясь ей, довольно несложно предположить, какая это должна быть ткань, но сделанное открытие по использованию мембраны в одежде более 50 лет назад, по-моему, гениально.

Классификация мембраны по строению

Это самое главное основание, лежащее в базовых различиях всех мембран.

– поровые мембраны

Именно они были первыми ласточками, когда Роберт Гор сумел технологически растянуть полимер политетрафторэтилен до состояния тончайшей пленки, на поверхности которой находились миллиарды микроскопических пор. Согласно данным компании Gor, на 1 сантиметре материала мембраны находится около полутора миллиардов пор. Именно такая мембрана и называется поровой.
Известно, что вода может находится в трёх агрегатных состояниях – жидком, газообразном и твердом. При этом сама молекула воды остаётся без изменений, а различие между ними кроется в расстоянии между этими молекулами. В паре молекулы находятся далеко друг от друга, не соприкасаясь. В жидкости, наоборот, молекулы находятся намного теснее и между ними уже начинает образовываться сила взаимного притяжения и поверхностного натяжения.

Чтобы разорвать эти силы, а значит превратить воду в пар, требуется довольно много энергии. Вроде в теории техзадание понятно, нужно снабдить материал порами, меньше по размеру чем молекула воды и больше, чем молекула пара. Но реально осуществить это на практике очень трудно, ведь работа должна вестись на молекулярном уровне, именно поэтому за основу был взят полимер политетрафторэтилен. При его растяжении до пленки микроскопической толщины, волокна начинают расходиться, образуя отверстия размером, превышающие молекулы воды в 700 раз и в 20 000 раз меньше самой капли.

То есть получается, что молекула пара спокойно проходит через мембрану, а капля воды не может через нее проникнуть.

Сам политетрафторэтилен — это гидрофобный материал, и уже на этапе соприкосновения с ним жидкости, отталкивает капли воды, не давая проникнуть внутрь.
Яркими представителями компаний, производящих поровые мембраны является одни из первых мембран Gore-Tex и мембраны eVent, когда она только начали появляться на рынке. На данный момент есть ещё Gore-Tex Pro, новая версия мембраны, где совмещены два слоя вместо одного, как в обычных мембранах. Получается некий сэндвич из двойной защиты от влаги.

– беспоровые мембраны

В названии самого материала отражено главное отличие от предыдущего вида мембраны. Ещё его называют гидрофильным. Здесь, главным принципом на чем лежит работа ткани, является диффузия. Сама мембрана под микроскопом напоминает сетчатую губку из полиуретана с очень мелким плетением. Ещё одно ключевое отличие от пористых мембран, то, что гидрофильные транспортируют не пар, а капельки влаги, перемещая ее с одной стороны мембраны на другую, то есть с изнанки на лицевую.

Схематично описать процесс можно следующим образом:

– испарения, исходящие от тела человека попадают на внутреннюю сторону мембраны;

– охлаждаясь, они в виде конденсата выпадают на ткани;

– как только на мембране образуется влага, она начинает просачиваться через ткань наружу, то есть молекулы влаги поэтапно передаются сквозь слои мембраны;

– выходя в окружающую среду, влага испаряется в окружающую среду. Благодаря такой схеме пароотведения, их ещё называют «умные мембраны». Так как при эксплуатации такого вида мембраны заметно интересное качество — чем активнее ваш отдых, интенсивней нагрузки, тем эффективней происходит вывод влаги в окружающую среду. Происходит это благодаря разности парциального давления с разных сторон мембран. Проще говоря, транспортировка влаги происходит туда, где давление меньше. Согласно этому закону физики, теоретически возможно перемещение влаги из окружающей среды внутрь экипировки. Но возможно это будет тогда, когда давление пара снаружи будет выше, чем внутри. На практике это реально лишь в сауне. Вывод: в сауну в мембранной одежде ходить не нужно! 🙂

Из за того, что мембране нужно время, чтобы внутри накопилось некоторое количество влаги и началось ее выведение, то она на ощупь может казаться всегда чуть влажной. Беспоровые мембраны меньше представлены на рынке. Их производят, в основном, компании Toray Dermizax, Marmot Membrane, Mountain Hardware Conduit.

– комбинированные мембраны

Представляют собой поровый материал, усиленный беспоровым покрытием, которое защищает нежную мембрану от повреждений и трения. Беспоровый слой в три раза тоньше в комбинированном материале, поэтому свои свойства он не проявляет ярко, а лишь усиливает протекцию. В то время как поровый материал максимально раскрывает свои качества и не столь чувствительно реагирует на загрязнения и повреждения. Типичным представителем этих мембран является современный Gor-tex.

–

электроспиннинговая мембрана

Это довольно молодой участник рынка мембран, но тем не менее довольно громко заявивший о себе. Наиболее известные производители таких мембран — это Polartec Neoshell, Outdoor Research AscentShell и The North Face Futurelight. Outdoor Research AscentShell.

Создают такую мембрану с помощью нанесения почти на любую ткань тончайших полиуретановых нитей. За счёт этого образуется сеть, похожая на 3D решетку. И она работает как мембрана. Слой покрытия очень тонок, материал остаётся таким же эластичным и имеет очень хорошие показатели паропроницаемости. Из-за того, что во время производства этой мембраны можно контролировать толщину нитей, слой покрытия, то качественные свойства итогового изделия можно предсказать и тонко отрегулировать. Считается, что этот вид мембраны самый перспективный в области развития outdoor индустрии.

Отличия работы и эксплуатации поровой и беспоровой мембраны

– влажность воздуха.

Этот фактор разделяет поровые и беспоровые мембраны на два лагеря. В условиях высокой влажности лучше работает поровая ткань. Причем даже при активной вентиляции. Беспоровая мембрана обеспечивает лучшую защиту при сухом воздухе, так как тут наблюдается большая разница давлений. Вентиляция сильно нарушит работу мембраны в этом случае.

– температура окружающей среды

Беспоровая мембрана почти не работает при низких температурах. В ней, как мы знаем двигается не пар, а вода, и она замерзнет при отрицательных значениях. Поровому материалу холод не страшен и она продолжит вас защищать от неблагоприятных условий окружающей среды.

– особенности строения

Беспоровая мембрана долговечнее и прочнее поровой. Она обладает большой эластичности (способна к растяжению до 200%) Поровый материал склонен к засорению и закупорке пор и из-за этого может быстро потерять свои эксплуатационные свойства.

Способы нанесения мембраны на ткань

Какая бы не была мембрана по своим свойствам превосходная, она не может быть самостоятельной тканью для изготовления снаряжения. В среднем, толщина мембраны, например, у Gor-Tex составляет около 0,01 мм. Поэтому мембрана используется как слой, нанесенный на основной материал. Из-за своей нежной структуры она находится под слоем ткани, которая тоже должны обладать некими водоотталкивающими свойствами. То если мы и на слой ткани нанесем дополнительную гидрофобную пропитку (DWR), то это будет ещё одним большим плюсом против намокания. Капли воды при этом скатываются по ткани, не причиняя ей вреда.

Как же может мембрана крепиться к ткани:

– ламинирование

Здесь ламинат — это некая слоистая структура, в своем составе имеющая мембрану, и она своим внутренним слоем приклеивается к ткани. Такой способ нанесения мембраны делает ткань прочной и долговечной, по сравнению с мембранным покрытием (ниже оно описано). Кроме этого эта методика увеличивает значения паропроницаемости, и чаще всего, говоря о мембране в целом, имеют в виду именно такой способ крепления.

– мембранное покрытие

Этот способ заключается в нанесении на внутреннюю часть жидкого состава. Ткань после этого не требует внутренней защиты в виде ещё одного слоя ткани и это в целом облегчает конструкцию, необходима лишь внешняя протекция. Кроме этого, методика мембранного покрытия довольна проста в технологическом плане, поэтому такая ткань в итоге легче и дешевле.

Строение мембранных тканей

«В среднем по палате», мембраны имеют классическое строение — когда ее слой лежит между двумя слоями ткани. Верхний слой — это защитная ткань, которая контактирует с окружающей средой. Внутренний слой — это материал, который осуществляет связь мембраны с телом. На практике все немного сложнее. Есть разные вариации строения климатической мембраны и у каждой есть свои особенности.

– двухслойная мембрана

Такая мембрана существовала в первых изделиях, когда создавалось первое снаряжение из новой мембраной ткани. Даже сейчас эта структура имеет место быть и довольно часто применяется. Суть заключается в том, что мембранная пленка приклеивается к ткани изнутри, то есть находится под слоем верхней ткани. Ну а так как мембрана – это тончайшая и нежнейшая структура, то обязательно должен быть слой внутренней подкладки, иначе мембрану легко загрязнить или повредить. К тому же сам материал не совсем приятный при непосредственном контакте с кожей. Если мы рассматриваем не утеплённый вариант одежды с двухслойной мембраной, то, вес этого изделия будет достаточно высоким. Теплые изделия будут иметь в структуре ещё дополнительный слой утеплителя, который находится после мембраны. На ярлыке такая мембрана может обозначаться как 2L или 2-Layer.

– 2,5-слойная мембрана

Здесь на внутреннюю мембранную часть наносится защитное покрытие, поэтому можно обойтись без подкладочного слоя. Это облегчает вес изделия, поэтому снаряжение может использоваться в активностях, для которых масса критична. На ярлыке такая мембрана обозначается 2,5L или 2,5-Layer.

– трехслойная мембрана

Отличается тем, что слой мембраны как бы вклеивается в саму ткань. Получается такой ламинат, из которого получаются прочные и долговечные изделия. Gor-Tex Pro — представитель именно такой мембраны, а это означает, что изделия из нее подходят для горных восхождений или тяжёлых климатических условий. Обозначается такая ткань как 3L или 3-Layer.

Свойства мембраны и критерии их эффективности

Главная цель любой мембраны — обеспечить комфортный уровень влажности под одеждой — отводить физиологические испарения от поверхности кожи и одновременно не пропускать влагу из окружающей среды внутрь. Ну и дополнительным «бонусом» для некоторой мембраной одежды являются ветрозащитные качества. Для того, чтобы мембрана могла работать, у нее есть несколько очень важных свойств.

1. Паропроницаемость
2. Воздухопроницаемость
3. Влагозащитные свойства

Паропроницаемость

Организму человека, для того, чтобы осуществлять терморегуляцию и поддерживать постоянную температуру, необходимо выделять пары влаги. При этом происходит охлаждение тела. Когда мы физически активны, выделение пота это и есть один из механизмов терморегуляции — так мы защищаемся от перегрева. При этом мы можем настолько активно выделять влагу, охлаждаясь, что можем добиться обратного эффекта — замерзнуть. Особенно это актуально для районов с суровым или непредсказуемым климатом. Поэтому люди изобрели одежду, помогающую организму быть более приспособленными к неблагоприятным условиям окружающей среды. Важнейшим показателем для такого снаряжения являются два показателя — паропроницаемость и воздухопроницаемость. Вроде созвучные характеристики одного и тоже же процесса, но между тем это разные понятия. Разберемся!

В аутдор снаряжении очень важен параметр «Паропроницаемость», определяющий, как хорошо материал может отводить пар от тела человека и транспортировать его в окружающую среду.

Чем выше этот показатель, тем эффективнее данное снаряжение, так как это помогает удалять влагу, возникающую при перегреве и одновременно не допускать переохлаждения, оставляя тело сухим. Свойством паропроницаемости обладают почти все ткани, но лишь для мембран она измеряется и указывается. Так как эти показатели могут быть очень критичными при выборе снаряжения в тяжёлые или опасные условия путешествия и от них возможно, что будет зависеть здоровье, а то и жизнь человека.

Паропроницаемость измеряют в г/м2/24часа, то есть какое количество пара может пропустить материал площадью 1кв.м. за сутки.

MVTR — так обозначается этот параметр и переводится как «скорость прохождения водяного пара».

Показатели MVTR

13000 и выше — экстремальная паропроницаемость. Если вы ищете одежду для занятий лыжами, горным туризмом, бегом, то показатели паропроницаемости должны быть в этом диапазоне. Чем ближе к 20000 тем лучше.

от 6000 до 13000 — хорошая паропроницаемость. Такие показатели выбирают для периодической активности или для городских условия.

ниже 6000 — одежда с умеренной паропроницаемостью.

Как мы видим, чем выше этот показатель, тем паропроницаемость лучше, то есть влага от тела уходит эффективней. Единого способа измерения этого параметра нет, разные лаборатории по-разному тестируют материалы. Опять же, и реальные условия слишком сильно отличается от искусственных. В действительности слишком много факторов будут оказывать влияние на паропроницаемость:

– физиологические особенности человека;

– степень активности;

– уровень влажности;

– температура окружающей среды;

– сила ветра;

– крой одежды;

– степень прилегания ее к телу и много других.

Выходит, что сравнивать показатели паропроницаемости мембран между собой, не зная по какой методике ее рассчитывали, не имеет смысла. Цифры носят очень приблизительный характер. Зачастую даже на этикетке могут не указывать рассматриваемые показатели, т.к. очень уже высока вероятность погрешности. Идеальным способом, конечно, будет размещение информация о способе исследования, но так производители поступают нечасто. Как же тогда понять, подойдет и вам эта мембрана, если полностью не указаны параметры мембраны?

На самом деле совет прост. Нужно выбирать мембраны известных производителей. В 99% случаев в этом случае действует негласное правило — чем дороже мембрана, тем ее показатели выше и эффективней. Гнаться за самыми высокими цифрами смысла нет, если вы не собираетесь в путешествие с экстремальными условиями (холод, влага, ветер), для такого аутдора вполне подойдем мембраны со средними показателями и не очень высоким ценником, но известного бренда.

Если вы не видите на ярлыке показателей, то всегда можно найти информацию о типе мембраны в интернете, прочитать отзывы, да и не всегда на качество такой одежды влияет только сама мембрана. Еще есть множество критериев, по которым нужно выбирать снаряжение с мембраной. Об этом вы прочитаете чуть ниже.

В перечне методик даже есть показатели «наоборот», то есть с помощью нее измеряется, как материал сопротивляется прохождению влаги через него. Аббревиатура этих показаний — RET (сопротивление испарению). Данную методику применяет чаще всего Gor-tex, она является весьма дорогостоящей и не все небольшие компании могут себе ее позволить. И тут цифры будут свидетельствовать об обратном — чем они ниже, тем паропроницаемость выше.

Показатели RET

От 0 до 6 — экстремальная (максимальная) паропроницаемость, выходу влаги ничего не мешает. 0 при этом — это голая кожа, с которой спокойно испаряется влага.

От 6 до 13 — хорошая паропроницаемость.

От 13 до 20 — ткань с умеренной паропроницаемостью.

От 20 до 30 —- ткань с плохой паропроницаемостью.

Больше 30 — паропроницаемость отсутствует.

Воздухопроницаемость

Это способность ткани пропускать через себя воздух, движение которого создано разностью давления. Синонимичны будут понятия «продуваемость», «ветрозащита». При определении значений для этого показателя не существует разночтений, как в ситуации с паропроницаемостью. Единогласно единицей измерения служит объем воздуха, проходящего через материал за определенное время, и обозначается CFM (кубический фут воздуха за одну минуту). Чем выше значение CFM, тем выше значение воздухопроницаемости, что, конечно, не очень хорошо. Самые эффективные материалы стремятся к минимизации этого показателя. Например, CFM 0 у беспоровых мембран. Воздухопроницаемость редко раньше указывалась в характеристике мембран и очень незаслуженно. Чаще всего на него ориентировались компании, производящие ткани для Softshell. Но видимо, в последнее время эту позицию постепенно пересматривают. Дело в том, что этот показатель довольно сильно увеличивает эффективность работы мембраны. Воздушные потоки извне облегчают испарение влаги с кожи, ускоряет этот процесс, что уменьшает риск перегрева, особенно при высокой активности. Сделав CFM у поровых мембран равным 0,5 (то есть не полная ветропроницаемость), Роlartec Neoshell, например, добился гораздо лучшего отвода влаги и вывод ее за пределы ткани за счёт сильной разницы в давлении. При этом такого показателя CFM достаточно для противостояния даже штормовым ветрам.

Водостойкость

Вокруг этого показателя тоже существуют похожие параметры. Чтобы избежать дальнейшей путаницы, определим сразу, о чем мы будем говорить в разрезе описания водостойкости.

Водооталкивание — отталкивание молекул воды (water repellency). Этого эффекта можно добиться, если нанести на ткань гидрофобную пропитку.

Водостойкость — способность материала держать на поверхности воду непродолжительное время ( water resistance).

Водонепроницаемость — способность материала удерживать воду в течении длительного времени (waterproofness). Такие ткани выдерживают очень высокое давление столба воды, но при этом совершенно не паропроницаемы. Поэтому используются лишь при изготовлении шатров, тентов, элементов экипировки.

В характеристике мембран определяющим фактором является именно водостойкость — способность материала препятствовать проникновению влаги внутрь. Мембрана не пропускает капли воды, так как связи молекул в капле довольно сильны и благодаря им влага не просачивается сквозь микроскопические поры. Существует обратная корреляция между тем показателями мембраны.

Очень высокая паропроницаемость и очень высокая водостойкость не могут сосуществовать вместе в превосходной форме. Поэтому перед разработчиками новых мембран стоит ещё много задач по усовершенствованию показателей.

О чем же говорят параметры водостойкости:

От 0 до 5000 мм — лёгкая водостойкость (0 — ткань без защиты от воды). Рассчитана на легкий дождь, сухой, не сильный снег, безветренную погоду.

От 6000 мм до 10000 мм — ткань хорошо перенесет легкий дождь, умеренный снегопад и не сильный ветер.

От 11000 мм до 15000 мм — ткань выдержит умеренный дождь, снегопад, ветер — почти все погодные явления, не носящих характер сильных или штормовых.

От 16000 мм до 20000 мм — материал рассчитан на ливни, мокрый снег, сильный ветер.

От 20000 мм — и дальше — ткань рассчитана на любую погоду, включая штормовые характеристики любых осадков.

На практике выходит, что почти любая мембрана с показателем водостойкости выше 10000 выдержит любые умеренные осадки. Исключение лишь составляет то, если вы планируете ваше путешествие в очень суровых условиях. Тогда заведомо нужно брать мембрану с максимальными показателями.

Классификация мембран по назначению

Сейчас в магазинах экипировки мы можем встретить огромное количество моделей верхней одежды с мембраной. Все они отличаются друг от друга большими числом показателей — воздухопроницаемостью, водостойкостью, типом мембраны, способом крепления к ткани, количеством слоев в материале, паропроницаемостью и так далее. И как мы уже рассмотрели выше, каждый параметр будет добавлять в изделие какое-то свое свойство.

Пожалуй, самая простая классификация мембран — по назначению. Все материалы здесь уже сгруппированы в отдельные блоки— в зависимости от той активности, для чего вы покупаете данное снаряжение. Ведь для каждого спорта или вида деятельности примерно очерчена степень вашей физической активности, условий окружающей среды, нагрузки другим снаряжением (например, тяжелый рюкзак или обвязка). Итак, по назначению все мембранные изделия делятся:

– для летних кардионагрузок (бег, велоспорт). Здесь важно, чтобы одежда была лёгкая, с отличной паропроницаемостью. Показатели прочности уходят на второй план.

– для альпинизма. Для материала важна прочность, лёгкость и самые высокие показатели влагостойкости, ветроустойчивость и паропроницаемости.

– для туризма, охоты, рыбалки, повседневной носки. Для длительных походов необходим материал влагоустойчивый, износостойкий. Если выходы на природу недлительные, то можно ограничиться средними показателями мембранной ткани. Большая эффективность просто не будет востребована в рамках невысокой активности, а вот цена будет высокой.

– для зимних видов спорта (лыжи, сноуборд). Тут важна грамотная комбинация мембраны и утеплителя.

Приступаем к практической части нашего повествования. После того, как мы все узнали о свойствах и параметрах мембранной ткани, нужно понять, как же выбрать мембранную одежду в магазине, на что обратить внимание, чтобы не только не потратить деньги (и немалые) зря, но и сохранить здоровье в путешествии. Ведь мы знаем, что от грамотной экипировки зависит очень многое.

Критерии выбора мембраной одежды

– крой одежды

• атлетичный. Такой крой рассчитан в основном на активные аэробные нагрузки, без дополнительного утепления. Например, езда на велосипеде, бег, мультигонки. Одежда плотно облегает тело, повторяет анатомические изгибы. Максимум под нее можно дополнительно одеть термобелье или тонкий флис.
• универсальный крой. Удобный формат одежды для длительных походов. Можно одеть под верхнюю одежду утепляющий слой.
• свободный крой. Предназначен для путешествий с неустойчивым климатом, например, высокогорье. Или для спорта с разной степенью активности, чтобы всегда была возможность одеть на себя несколько утепляющих слоев. Кроме этого, такой крой подходит для полных людей, обеспечивая свободу движения.

– капюшон

Одна из важнейших частей верхней одежды, именно на него порой приходится больше всего нагрузки — столб воды в виде ливня, например. Поэтому капюшон должен быть дополнительно усилен, иметь затяжки, обладать анатомичным кроем. Очень удобно, если у него есть козырёк. Если вы покупаете штурмовую куртку, то здесь должна быть предусмотрена возможность одеть под капюшон шлем или каску. В этом случае он имеет сложный крой, обеспечивающий плотное облегание защитного снаряжения и сложную систему регулировок.

– вентиляция

Во время очень высокой физической активности мембране необходима помощь в виде вентиляционных окон в одежде. Они располагаются в местах с самым высоким потоотделением, например, подмышками на куртке, а если речь идёт о брюках — то по внутреннему шву есть молния, которую можно при необходимости открыть

– усиление ткани в местах износа

Всегда при определенном виде спорта или активности, есть места, которые подвержены дополнительному трению или контакту со снаряжением. В них ткань истирается и перестает играть защитную функцию. Так, например, на плечах часто протирается куртка у туристов-экспедиционщиков, которые несут тяжёлые рюкзаки или истирание коленей у брюк для альпинистов. У них же часто «страдает» рант штанов, при повреждении кошками. Для этого в специальных местах усиливают ткань, дополняя ее лишним слоем более плотной ткани.

– молнии

Молнии, впрочем, как и вся фурнитура непременно должна быть самого высокого качества. Зубцы молнии являются обычно слабыми местами для проникновения дождя. Поэтому обязательно она должна быть прикрыта дополнительной планкой, которая дополнительно будет закреплена. На дорогих моделях мембранной одежды молния обработана специальной гидрофобной пропиткой. На бегунке молнии должна быть специальный пуллер, для того, чтобы даже в перчатках было удобно её застегивать. Обратите внимание на то, чтобы молния не закусывала планку, иначе это чревато повреждением ткани или выходом из строя бегунка. А это очень опасно в ситуации автономного путешествия в сложных климатических условиях.

– герметизация швов

Швы, а значит, проколы материала иголкой неизбежно влекут за собой нарушение целостности мембраны, а значит и снижением водостойкости в области швов. Для избегания этого обязательно обращайте внимание на то, что все ненадёжные места должны быть дополнительно проклеены специальной лентой.

– карманы в одежде

Прежде всего должны находиться в удобных местах и иметь необходимый для вас размер и функционал. Для каждой активности — своя специфика расположения карманов. Например, в длительных путешествиях ваш рюкзак, конечно, будет тяжёлым и необходимо использование поясных ремней. Для туристических, экспедиционных курток предусмотрено высокое расположение карманов, чтобы застегнутый набедренный пояс не мешал эксплуатации карманов. Так же, для таких курток есть ещё один нюанс, связанный с ношением рюкзаков — смещение плечевых швов, чтобы уменьшить давление лямок рюкзака на наиболее уязвимые места.

Снаряжение из мембраны действительно сильно облегчило суровую жизнь путешественников, добавило в нее комфорта и удобства. Но, конечно, это не панацея и мембрана может протекать, если, например, выбран ее лимит времени воздействия влаги или мы неправильно ухаживали за тканью, и она потеряла часть своих свойств. Однако нельзя недооценивать значения мембранных материалов в развитии туризма. Если мы будем грамотно выбирать снаряжение, правильно за ним ухаживать, соблюдать нормы эксплуатации, то качественная вещь прослужит долго в наших путешествиях.

До встречи в походах!

Читайте также:

Новый материал мембраны может значительно повысить эффективность очистки газов

Дэвид Л. Чандлер, Массачусетский технологический институт

Кредит: Unsplash/CC0 Public Domain

На промышленные процессы химического разделения, включая очистку природного газа и производство кислорода и азота для медицинских или промышленных целей, приходится около 15 процентов мирового потребления энергии. Они также вносят соответствующий вклад в мировые выбросы парниковых газов. Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и Стэнфордского университета разработали новый тип мембраны для проведения этих процессов разделения, при этом потребление энергии и выбросы составляют примерно 1/10 часть энергии.

Известно, что использование мембран для разделения химических веществ гораздо более эффективно, чем такие процессы, как дистилляция или абсорбция, но всегда существовал компромисс между проницаемостью (насколько быстро газы могут проникать через материал) и селективностью (способностью пропускать желаемые молекулы проходят, блокируя все остальные. По словам исследователей, новое семейство мембранных материалов, основанных на полимерах «углеводородной лестницы», преодолевает этот компромисс, обеспечивая как высокую проницаемость, так и чрезвычайно хорошую селективность.

О результатах сообщается в журнале Science в статье Ян Ся, доцента химии Стэнфордского университета; Закари Смит, доцент кафедры химического машиностроения Массачусетского технологического института; Инго Пиннау, профессор Университета науки и технологий имени короля Абдуллы, и еще пять человек.

Газоразделение является важным и широко распространенным промышленным процессом, применение которого включает удаление примесей и нежелательных соединений из природного газа или биогаза, выделение кислорода и азота из воздуха для медицинских и промышленных целей, отделение диоксида углерода от других газов для улавливания углерода и производство водорода для использования в качестве безуглеродного транспортного топлива. Новые ступенчатые полимерные мембраны обещают радикально улучшить характеристики таких процессов разделения. Например, при отделении диоксида углерода от метана эти новые мембраны обладают в пять раз большей селективностью и в 100 раз большей проницаемостью по сравнению с существующими для этой цели целлюлозными мембранами. Точно так же они в 100 раз более проницаемы и в три раза более селективны для отделения газообразного водорода от метана.

Полимеры нового типа, разработанные в течение последних нескольких лет лабораторией Xia, называются лестничными полимерами, поскольку они состоят из двойных цепей, соединенных ступенчатыми связями, и эти связи обеспечивают высокую степень жесткости и стабильности. к полимерному материалу. Эти лестничные полимеры синтезируются с помощью эффективной и селективной химии, разработанной лабораторией Xia под названием CANAL, аббревиатура от каталитического арен-норборненового аннелирования, которая сшивает легкодоступные химические вещества в лестничные структуры с сотнями или даже тысячами ступеней. Полимеры синтезируются в растворе, где они образуют жесткие и изогнутые лентообразные нити, которые можно легко превратить в тонкий лист с порами субнанометрового размера с использованием доступных в промышленности процессов литья полимеров. Размеры получаемых пор можно регулировать путем выбора конкретных исходных углеводородных соединений. «Эта химия и выбор химических строительных блоков позволили нам производить очень жесткие лестничные полимеры с различными конфигурациями», — говорит Ся.

Для применения полимеров CANAL в качестве селективных мембран в сотрудничестве использовались опыт Ся в области полимеров и специализация Смита в исследованиях мембран. Холден Лай, бывший аспирант Стэнфорда, провел большую часть разработки и исследования того, как их структуры влияют на свойства газопроницаемости. «Нам потребовалось восемь лет от разработки нового химического состава до поиска подходящих полимерных структур, обеспечивающих высокую эффективность разделения», — говорит Ся.

Лаборатория Xia провела последние несколько лет, изменяя структуру полимеров CANAL, чтобы понять, как их структура влияет на эффективность разделения. Удивительно, но они обнаружили, что добавление дополнительных перегибов к исходным полимерам CANAL значительно улучшило механическую прочность их мембран и повысило их селективность по отношению к молекулам аналогичного размера, таким как кислород и азот, без потери проницаемости для более проницаемого газа. Селективность фактически улучшается по мере старения материала. По словам исследователей, сочетание высокой селективности и высокой проницаемости позволяет этим материалам превосходить все другие полимерные материалы во многих процессах разделения газов.

Сегодня 15 процентов мирового потребления энергии идет на химическое разделение, и эти процессы разделения «часто основаны на вековых технологиях», — говорит Смит. «Они работают хорошо, но имеют огромный углеродный след и потребляют огромное количество энергии. Основная задача сегодня — попытаться заменить эти неустойчивые процессы». Он добавляет, что для большинства этих процессов требуются высокие температуры для кипячения и повторного кипячения растворов, и зачастую эти процессы труднее всего электрифицировать.

При отделении кислорода и азота от воздуха две молекулы отличаются по размеру примерно на 0,18 ангстрема (десятимиллиардные доли метра), говорит он. Создать фильтр, способный эффективно их разделять, «невероятно сложно без снижения пропускной способности». Но новые лестничные полимеры при производстве мембран образуют крошечные поры, которые обеспечивают высокую селективность, говорит он. В некоторых случаях на каждый атом азота проникает 10 молекул кислорода, несмотря на то, что для доступа к этому типу селективности по размерам требуется очень тонкое сито. Эти новые мембранные материалы обладают «самым высоким сочетанием проницаемости и селективности среди всех известных полимерных материалов для многих применений», — говорит Смит.

«Поскольку полимеры CANAL прочны и пластичны, а также поскольку они растворимы в определенных растворителях, их можно масштабировать для промышленного применения в течение нескольких лет», — добавляет он. Дочерняя компания Массачусетского технологического института под названием Osmoses, возглавляемая авторами этого исследования, недавно выиграла конкурс предпринимательства Массачусетского технологического института с призовым фондом 100 000 долларов и частично финансируется The Engine для коммерциализации технологии.

Существует множество потенциальных применений этих материалов в химической промышленности, говорит Смит, включая отделение двуокиси углерода от других газовых смесей в качестве формы сокращения выбросов. Другой возможностью является очистка биогазового топлива из сельскохозяйственных отходов с целью получения безуглеродного транспортного топлива. Выделение водорода для производства топлива или химического сырья также можно было бы проводить эффективно, способствуя переходу к экономике, основанной на водороде.

Сплоченная группа исследователей продолжает совершенствовать процесс, чтобы облегчить переход от лабораторного к промышленному масштабу и лучше понять детали того, как макромолекулярные структуры и упаковка приводят к сверхвысокой селективности. Смит говорит, что он ожидает, что эта технология платформы будет играть роль во многих направлениях обезуглероживания, начиная с выделения водорода и улавливания углерода, потому что существует острая потребность в этих технологиях для перехода к безуглеродной экономике.

В исследовательскую группу также входили Джун Мюн Ан и Эшли Робинсон из Стэнфорда, Франческо Бенедетти из Массачусетского технологического института, ныне главный исполнительный директор Osmoses, и Инге Ван из Университета науки и технологий имени короля Абдуллы в Саудовской Аравии.

---

Узнать больше

Прецизионное просеивание газов через атомарные поры в графене

---

Дополнительная информация: Холден В. Х. Лай и др., Углеводородные лестничные полимеры со сверхвысокой селективностью проницаемости для мембранного разделения газов, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abl7163. www.science.org/doi/10.1126/science.abl7163

Информация журнала: Наука

Предоставлено Массачусетский Институт Технологий

Цитата : Новый мембранный материал может значительно повысить эффективность очистки газов (2022, 24 марта) получено 29 сентября 2022 г. с https://phys.org/news/2022-03-membrane-material-purification-gases-significantly.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Обзор разработок материалов в области улавливания углерода и применения мембранных процессов на электростанциях и энергоемких производствах | Энергетика, устойчивое развитие и общество

• Обзор
• Открытый доступ
• Опубликовано: 01 ноября 2018 г.

• Сюэчжун Хэ ORCID: orcid. org/0000-0002-3232-4945 ¹  

Энергетика, устойчивость и общество том 8 , Номер статьи: 34 (2018) Процитировать эту статью

• 12 тыс. обращений

• 56 цитирований

• 3 Альтметрика

• Сведения о показателях

Abstract

В этом обзоре освещаются последние разработки и будущие перспективы в области улавливания CO ₂ на электростанциях и в энергоемких отраслях с целью сокращения выбросов CO ₂ . Различные типы мембранных материалов для CO ₂ улавливания были рассмотрены с точки зрения эффективности материалов, энергоэффективности и стоимости. Что касается газоразделительной мембранной технологии, то только три типа мембран были продемонстрированы в экспериментальном масштабе. Поэтому в этой работе особое внимание уделялось последним разработкам мембранных материалов, таких как мембраны с фиксированным участком-носителем и ультратонкие нанокомпозитные мембраны. Требуются высокоэффективные мембраны с СО ₂ проницаемостью 3 м ³ (стп)/(м ² ч бар) и высоким содержанием СО ₂ /N ₂ селективность (> 40) были определены как будущее направление развития материала. Кроме того, обсуждаются новые разработки энергоэффективных процессов улавливания CO ₂ на электростанциях и в перерабатывающей промышленности; запатентованный MTR процесс очистки воздуха считается одним из наиболее энергоэффективных процессов улавливания CO ₂ после сжигания. В последней части было указано, что селективность CO ₂ /CH ₄ > 30 является требованием энергоэффективной мембранной системы для CO ₂ Удаление из природного газа и биогаза. Наконец, для того, чтобы мембранная технология была конкурентоспособной при улавливании CO ₂ , по-прежнему необходимы значительные улучшения характеристик материала мембраны, модуля и эффективности процесса.

Введение

В справочном примере International Energy Outlook [79] (IEO 2011) сообщается, что мировые выбросы двуокиси углерода (CO ₂ ), связанные с энергетикой, увеличатся до 35,2 миллиарда метрических тонн в 2020 году и 43,2 миллиарда метрических тонн в 2035 году. антропогенных выбросов парниковых газов (ПГ), особенно CO ₂ , является одной из самых сложных экологических проблем, связанных с глобальным изменением климата. Для сокращения выбросов CO ₂ можно использовать три различных решения, т. е. повышение энергоэффективности, переход на использование менее углеродоемких и возобновляемых источников энергии, а также улавливание и хранение углерода (CCS). Среди них УХУ считается одним из наиболее перспективных способов непрерывного использования ископаемого топлива без значительного увеличения выбросов CO ₂ . Основное применение CCS, вероятно, будет связано с большими выбросами CO ₂ точечные источники: электростанции, работающие на ископаемом топливе, и энергоемкие производства, такие как производство чугуна и стали, нефтеперерабатывающие заводы, цементные заводы, а также установки по добыче природного газа и биогаза [1]. Среди них электростанции, работающие на ископаемом топливе, несут ответственность за самые большие выбросы CO ₂ , а электростанции с дожиганием являются основными источниками, которые необходимо решить в первую очередь. Кроме того, удаление CO ₂ из природного газа или биогаза также является обязательным, поскольку кислый газ может вызвать коррозию трубопровода во время транспортировки газа. СО 9Особое внимание уделяется улавливанию 0103 2 выхлопных газов на цементном заводе, поскольку CO ₂ также является побочным продуктом в процессе производства цемента, и его нельзя избежать.

Для улавливания CO ₂ в различных процессах могут использоваться различные технологии, такие как химическая и физическая абсорбция, мембранное разделение, физическая адсорбция, криогенная перегонка и химическая петля [76]. Обычная химическая абсорбция является зрелой технологией отделения CO ₂ , но она также является энергоемкой и дорогостоящей, что может привести к большим дополнительным затратам и значительному воздействию на окружающую среду. Мембранная технология уже была коммерциализирована и задокументирована как конкурентоспособная технология для отдельных процессов разделения газов, таких как разделение воздуха и очистка природного газа, в течение последних двух или трех десятилетий. В последнее время большие усилия были приложены к CO ₂ улавливают с помощью газоразделительных мембран, и примеры можно найти в литературе [16, 22, 27, 28, 32, 33, 50, 77, 101, 127, 137, 158]. Тем не менее, все еще существуют проблемы с применением мембран для улавливания CO ₂ , связанные с (1) ограничением производительности мембранного разделения (компромисс между газопроницаемостью и селективностью большинства полимерных мембран) и (2) плохой мембраной. стабильность и короткий срок службы при воздействии газового потока, содержащего примеси кислых газов, таких как SO ₂ , № _х . Таким образом, необходимо разработать высокоэффективные мембраны с низкой стоимостью материала и высокой стабильностью. Компания MTR (Membrane Technology & Research, Inc.) протестировала свои ультратонкие мембраны Polaris™ с высокой проницаемостью для улавливания CO ₂ на угольной электростанции мощностью 1 МВт с большой пилотной системой. Кроме того, в рамках проекта NanoGLOWA (EU FP6) были разработаны высокоэффективные мембраны с фиксированным участком-носителем (FSC) для разделения CO ₂ . В 2011 году была испытана небольшая экспериментальная система для определения содержания CO 9 .0103 2 улавливание дымовых газов на угольной электростанции Sines в Португалии (разработано группой исследователей мембран (Memfo) в NTNU), и сообщалось о стабильной работе в течение 6 месяцев [138], а их последняя пилотная система с 20 Полые волокна -m ² были испытаны на улавливание CO ₂ на цементном заводе Norcem [51]. Кроме того, 10-метровый мембранный модуль ² PolyActive®, разработанный Helmholtz-Zentrum Geesthacht, также был испытан на улавливание CO ₂ [119]. Благодаря этим усилиям появилась мембранная технология для дожигания CO 9 .0103 2 захват на более высокий TRL (уровень технологической готовности). Кроме того, недавно были разработаны некоторые появляющиеся технологии разделения, основанные на новых растворителях ионных жидкостях (высокая растворимость CO ₂ ) и микропористых материалах (твердые адсорбенты) цеолитов, металлоорганических каркасов (MOF) и оксидов металлов (химический петлевой цикл). разработан для улавливания CO ₂ и показал хороший потенциал и снижение затрат [17, 26, 67, 76, 95, 136, 162, 164]. Следует отметить, что эти передовые материалы в основном находятся на ранней стадии исследований, и стоимость материала вместе с проблемой увеличения масштаба требуют дальнейшего изучения. В этой работе основное внимание уделяется обзору последних разработок и прогресса в области мембранных материалов (особенно некоторых мембран с высоким TRL) и мембранных процессов для CO 9 . 0103 2 улавливание с электростанций и энергоемких производств (например, цементный завод, заводы по производству биогаза и природного газа).

Мембранные материалы для CO

₂ улавливание

Каждый мембранный материал имеет свои преимущества и недостатки, связанные со стоимостью материала, эффективностью разделения и сроком службы. Разработка передовых мембранных материалов для повышения экономической эффективности имеет решающее значение для снижения стоимости улавливания CO ₂ . Различные мембраны, такие как полимерные мембраны, микропористые органические полимеры (MOP), мембраны FSC, смешанные матричные мембраны (MMM), мембраны углеродных молекулярных сит (CMSM) и неорганические (керамические, металлические, цеолитные) мембраны могут использоваться для CO ₂ — родственная сепарация [76]. Каждый материал мембраны обладает своей разделительной способностью, термической и химической стабильностью и механической прочностью. В целом, большинство полимерных мембран демонстрируют хорошие разделительные характеристики и относительно низкую стоимость, но относительно низкую устойчивость мембраны к воздействию кислых газов и неблагоприятных условий (высокая температура и давление). Неорганические мембраны могут работать в этих неблагоприятных условиях, но конструкция модулей и герметизация для высокотемпературного применения довольно сложны, а стоимость производства обычно намного выше по сравнению с полимерными мембранами. Новые мембранные материалы, особенно FSC и MMM (обобщенные в таблице 1), вызывают большой интерес в мембранном сообществе, которые основаны либо на улучшенном механизме облегченного транспорта, либо на сочетании свойств как полимерных, так и неорганических материалов. Таким образом, выбор подходящего материала мембраны для конкретного применения в основном зависит от свойств материала мембраны, состава исходного газа и скорости потока, рабочих условий процесса и требований к разделению [123]. В последнее время производительность мембран была значительно улучшена благодаря огромным усилиям, приложенным сообществом специалистов по мембранам. Ван и др. [151] суммировали состояние производительности одноступенчатой ​​мембраны на графиках верхней границы для CO ₂ /N ₂ и CO ₂ /CH ₄ , и большинство ультратонких полимерных мембран оставались ближе к обеим верхним границам по сравнению с коммерческими полимерами, что указывало на большой потенциал для приложений по улавливанию углерода. Следует отметить, что некоторые мембраны, такие как мембраны MTR Polaris™ и мембраны FSC (запатентованные NTNU), уже были продемонстрированы в пилотном масштабе [51, 106] и весьма перспективны для улавливания CO ₂ из дымовых газов благодаря их высокая производительность и хорошая стабильность при воздействии дымовых газов, содержащих примеси SO ₂ и № _х .

Таблица 1 Репрезентативные мембраны FSC и MMM для разделения газов

Полноразмерная таблица

Полимерные мембраны

Полимерные мембраны широко используются в некоторых коммерческих процессах разделения газов благодаря их хорошим разделительным характеристикам, хорошей механической стабильности и низкой стоимости. В большинстве мембранных систем для разделения газов используются стеклообразные полимеры из-за их высокой селективности и хороших механических свойств, а полиимидные мембраны демонстрируют превосходную высокую селективность в сочетании с высокой проницаемостью для широкого спектра применений в разделении газов [41], в то время как некоторые каучукообразные полимеры также используются. для конкретных процессов разделения паров и газов, основанных на разнице в растворимости газов в материалах мембран, например, для извлечения летучих органических соединений (ЛОС) и извлечения углеводородов из природного газа. Коммерческие полимерные газоразделительные мембраны в основном изготавливаются из ацетата целлюлозы (UOP, GMS, NATCO), полисульфона (Air Products) и полиимидов (Praxair), полифениленоксида (Parker-Hannifin) и полидиметилсилоксана (GKSS, MTR).

Газопроницаемость и селективность являются двумя ключевыми параметрами для характеристики разделительной способности плотных полимерных мембран, которые должны быть максимально высокими для достижения требований к разделению при низких затратах. Однако газопроницаемость в основном зависит от термодинамического фактора (растворимость ( S ) проникающих частиц в мембране) и кинетического фактора (диффузионная способность ( D ) транспорта газов через мембрану) [7]. Таким образом, существует компромисс между проницаемостью и селективностью в плотных полимерных мембранах, как сообщает Робсон [129]. ]. Полимерные мембраны, основанные на транспортном механизме раствор-диффузия (S-D), не могут превзойти верхнюю границу Робсона для достижения более высокой комбинации проницаемости/селективности, если только мембраны не используют другие транспортные механизмы, такие как молекулярное сито и облегченный транспорт, или если мембраны не имеют большой пористости и фракционного свободного объем (FFV).

Микропористые органические полимеры

Большой интерес вызывает разработка микропористых органических полимеров из-за их большой площади поверхности. Типичные МОП включают термически перегруппированные (ТР) полимеры [35, 57, 85, 115, 116] и полимеры с собственной микропористостью (ПИМ) [5, 18, 19].,20, 36, 104, 144, 160]. TR-полимеры на основе полиимида со средним размером пор 0,4–0,9 нм и узким распределением пор по размерам были впервые получены Park et al. [116], которые представили транспортный механизм молекулярного сита для проникновения газа. Гибкие конструкции обеспечили возможность и легкость модульной конструкции. Кроме того, было обнаружено, что полимерные мембраны TR демонстрируют превосходные характеристики разделения газов в процессах разделения, связанных с CO ₂ , например, CO ₂ /CH ₄ разделение в процессе очистки природного газа под высоким давлением [35, 115] и высокотемпературное разделение H ₂ /CO ₂ в процессе предварительного сжигания [57]. Тем не менее, большая часть усилий по-прежнему сосредоточена на разработке пленок TR-мембран лабораторного масштаба, и лишь в нескольких источниках сообщается об изготовлении TR-мембран из полых волокон [84, 92, 154]. Ким и др. подготовили свои лабораторные половолоконные мембраны TR-PBO (полибензоксазол) с проницаемостью CO ₂ 1938 GPU (1GPU = 2,736 × 10 ⁻³ м ³ (СТП)/(m ² ч бар)) [84], но CO ₂ /N ₂ должна быть далее селективностью улучшенный. Ву и др. сообщили о превосходной проницаемости CO ₂ ~ 2500 GPU с умеренной селективностью CO ₂ /N ₂ 16 полых волокон TR-PBO с ультратонким бездефектным поверхностным слоем [154], которые могут быть пригодны для объемный CO ₂ удаление из дымовых газов.

Другой тип микропористых полимерных материалов ПИМ вызвал большой интерес в связи с их относительно медленным физическим старением, высокой газопроницаемостью и высокой селективностью по сравнению с мембранами из поли(1-триметилсилил-1-пропина) (ПТМСП), изначально формировавшими микропористые структуры. быстро портится [36]. PIM показали большую площадь поверхности (600–900 м ² /г), как сообщает Budd et al. [18] и высоким фракционным свободным объемом (22–24% [105]), сравнимым с мембранами ПТМСП (32–34,3% [109, 120]). Ду и др. сообщили, что PIM, функционализированные CO ₂ -фильными боковыми тетразольными группами (TZPIM), могут дополнительно улучшать проницаемость CO ₂ за счет увеличения растворимости CO ₂ из-за сильного взаимодействия между CO ₂ и N-содержащими органическими гетероциклическими группами [2]. 36]. Их результаты показали, что CO ₂ /N ₂ Эффективность разделения TZPIM потенциально может превысить верхнюю границу Робсона. Кроме того, McKeown [104] провел систематический обзор по подготовке, характеристике и применению PIM. Они указали, что композитные мембраны, состоящие из PIM и других полимеров, могут обеспечить более высокую эффективность разделения газов.

Мембраны стационарного носителя

Мембраны FSC для разделения CO ₂ привлекли большое внимание из-за высокого содержания CO ₂ проницаемость и селективность CO ₂ по сравнению с другими видами газа (например, N ₂ и O ₂ ). Носители (аминофункциональная группа, -NH ₂ ) химически связаны с основной цепью полимера. Таким образом, мембраны FSC обычно обладают более высокой стабильностью по сравнению с жидкой мембраной на носителе (SLM) и эмульсионной жидкой мембраной (ELM). Тонг и др. провели обзор облегченных транспортных мембран, связанных с транспортным механизмом и материалами [145]. Транспорт газа через облегченную транспортную мембрану показан на рис. 1, где CO ₂ молекулы реагируют с функциональными аминогруппами при наличии воды и проходят через мембраны FSC на основе комбинации механизма S-D и облегченного транспорта (FT), в то время как нереакционноспособные молекулы газа (например, N ₂ , O ₂ ) может транспортироваться только через механизм SD, как задокументировано Kim et al. [86]. Поток газового пермеата реактивного компонента A (такого как CO ₂ ) будет представлять собой сумму как диффузии раствора, так и диффузии, опосредованной переносчиком (т.е. облегченного транспорта), что можно выразить следующим образом [86, 117 ]:

$$ {J}_A=\frac{D_A}{l}\left({c}_{A,0}-{c}_{A,1}\right)+\frac{D_{AC} }{l}\left({c}_{AC,0}-{c}_{AC,1}\right) $$

(3)

где D _A и D _AC — коэффициенты диффузии Фика и переносчик-опосредованной (комплексной) диффузии соответственно. l – толщина селективного слоя. Давление подачи имеет решающее значение для получения высокого потока за счет увеличения вклада как S-D, так и FT. Однако после насыщения носителя дальнейшее увеличение подачи CO ₂ парциальное давление не увеличивает вклад FT. Таким образом, для определения оптимальных рабочих условий следует найти компромисс между потреблением энергии и уменьшенной площадью мембраны (с повышенным потоком) [75]. Умеренное давление подачи (например, 2,5–3 бара) было рекомендовано в качестве оптимального рабочего режима для мембран FSC [64]. В таблице 1 показаны некоторые репрезентативные облегченные транспортные мембраны, о которых сообщалось в литературе. Среди них мембраны FSC на основе поливиниламина (PVAm), запатентованные командой Memfo в NTNU, демонстрируют самый высокий уровень CO ₂ проницаемость (до 5 м ³ (СТП)/(м ² ·ч·бар)) и селективность по CO ₂ /N ₂ (> 500) во влажных условиях [87]. Эта мембрана чрезвычайно перспективна для улавливания СО ₂ до сжигания, где дымовые газы обычно насыщены водяным паром [61, 64, 87]. Пилотная плоская мембранная система FSC была испытана на электростанции EDP в Синише (Португалия) в 2011 году, и мембраны показали стабильную работу в течение 6 месяцев [52]. Позднее половолоконные FSC-мембраны были испытаны на заводе Sintef CO 9.Лаборатория 0103 2 в Тиллере (Норвегия) с 9,5% CO ₂ содержала дымовой газ, произведенный пропановой горелкой [74]. Они сообщили, что одноступенчатая мембранная система (площадь 8,4 м ² ) может обеспечить > 60% чистоты пермеата CO ₂ при давлении подачи и пермеата 2 бар и 0,2 бар соответственно, и система также показала довольно быстрый отклик. при изменении состава корма CO ₂ . Сообщенная пилотная мембранная система FSC обеспечила большую гибкость при тестировании влияния рабочих параметров процесса, особенно температуры. Однако проблемы, связанные с оптимизацией модуля и процесса, требуют дальнейшего изучения. Кроме того, разработка материала путем введения другой поддержки и более эффективных полиаминов и аминокислот с более высоким содержанием CO ₂ Кинетика реакции и нагрузочная способность имеют решающее значение для дальнейшего улучшения характеристик мембраны. Хан и др. недавно сообщалось об усиленной нанотрубками смеси саркозината 2-(1-пиперазинил)этиламина с композитной мембраной PVAm с проницаемостью 1451 GPU CO ₂ и селективностью 165 CO ₂ /N ₂ при 65 °C [58], которая будет очень многообещающе, если такие характеристики могут быть достигнуты в полевых испытаниях.

Рис. 1

Иллюстрация транспорта газа через мембрану КФС на основе ПВАм

Изображение полного размера

Мембраны со смешанной матрицей

Жесткие проницаемые или непроницаемые частицы диспергируются в непрерывной полимерной фазе с образованием МММ, представляющих собой интересные материалы для улучшения разделительных характеристик обычных полимерных мембран [6]. В полимерную матрицу можно добавить два типа неорганических наполнителей, таких как микропористые наполнители (например, углеродные молекулярные сита, цеолит) и непористые наночастицы (например, SiO ₂ , TiO ₂ ). МММ с микропористыми наполнителями могут улучшить селективность на основе молекулярного сита или механизма переноса поверхностным потоком, а также могут повысить проницаемость, если предпочтительная твердая фаза имеет более высокий коэффициент диффузии. В то время как МММ, изготовленные путем добавления непористых наночастиц, могут улучшить газопроницаемость за счет увеличения свободного объема. Чанг и др. [25] сообщили, что свойства как полимерных материалов, так и неорганических наполнителей могут влиять на морфологию и эффективность разделения МММ. Стеклообразные полимеры с жесткой структурой и высокой селективностью больше подходят для полимерной матрицы, чем каучукообразные полимеры. Однако адгезия между стекловидной полимерной фазой и фазой неорганического наполнителя представляет собой сложную проблему для получения МММ. Более того, термическая и химическая стабильность МММ в основном зависят от физических свойств полимерной матрицы, которая может страдать от кислых газов SO ₂ или NO _x , которые обычно используются для дымовых газов. МММ обычно обладают повышенной механической прочностью по сравнению с чистыми полимерными мембранами и меньшей стоимостью по сравнению с чистыми неорганическими мембранами. Однако основная проблема при приготовлении МММ состоит в том, чтобы выбрать подходящие материалы как для полимерной, так и для неорганической фаз, чтобы получить высокую производительность газоразделения и хорошую совместимость. Примеры выбора полимера и неорганического наполнителя для изготовления МММ, селективных к СО ₂ , рассмотрены в литературе [76, 149].], а в таблице 1 перечислены только самые последние материалы MMM. Недавно Ghalei et al. сообщили о PIM / MOF MMM с проницаемостью CO ₂ 1740 GPU и повышенной селективностью (70%) и механической прочностью. [44]; они пришли к выводу, что мембраны могут быть дополнительно оптимизированы для экономичного улавливания CO ₂ .

Мембраны углеродных молекулярных сит

CMSM обычно получают путем карбонизации полимерных прекурсоров, таких как полиимид [10, 141, 142], полиакрилонитил (ПАН) [29], поли(фталазиновый эфирсульфонкетон) [163], поли(фениленоксид) [91, 161] и производные целлюлозы [65, 68, 72, 73, 90, 99]. CMSM обладают высокой механической прочностью и умеренным модулем из-за их графитовой или турбостратной структуры по сравнению с графитизированными волокнами [130]. Механизм разделения CMSM основан на разнице кинетических диаметров молекул газа. CO ₂ имеет меньший кинетический диаметр по сравнению с O ₂ , N ₂ и CH ₄ . Углеродные мембраны на основе полиимида из полых волокон, разработанные Технологическим институтом Джорджии, использовались для различных типов разделения газов (например, CO ₂ /CH ₄ и олефин/парафин [134, 135, 155]). Вопросы, связанные с высокой стоимостью прекурсоров и низкой газопроницаемостью, требуют дальнейшего решения. Углеродные мембраны из полых волокон на основе ацетата целлюлозы (CA) были разработаны NTNU для облагораживания биогаза, обессеривания природного газа и разделения H ₂ [47, 53, 54, 97]. Основными преимуществами углеродных мембран этого типа являются низкая стоимость прекурсора СА и технологичность карбонизации. Тем не менее, у него все еще есть проблемы с (1) сохранением чистоты деацетилированных волокон СА во время процесса сушки; (2) увеличение газопроницаемости; и (3) уменьшение старения мембраны из-за закупорки пор адсорбцией водяного пара при относительной влажности (RH) > 30%.

Хотя CMSM имеют более высокую стоимость производства, больше проблем с конструкцией модуля (из-за относительно хрупкой структуры) и значительную проблему старения по сравнению с большинством полимерных мембран, преимущества высокой газопроницаемости и селективности, а также высокой термической и химической стабильности по-прежнему вдохновил многих исследователей на разработку углеродных мембран для разделения газов [68, 72, 88, 98, 141, 146, 161]. Принимая во внимание будущее коммерческое применение, следует приложить значительные усилия для разработки высокоэффективных асимметричных углеродных мембран из полых волокон или трубчатых углеродных мембран на керамической основе. Сюй и др. подготовили асимметричные углеродные мембраны из полых волокон для разделения олефинов/парафинов и этилена/этана [156, 157]. Сообщалось об асимметричных углеродных мембранах из полых волокон на основе ПВДФ для разделения органических жидкостей [89].]. Результаты их исследований показали многообещающее применение углеродных мембран в процессах, связанных с энергетикой. Недавно были созданы высокопоточные углеродные мембраны на керамическом носителе с высокой проницаемостью CO ₂ 0,6 м ³ (СТП)/(м ² ·ч·бар) и селективностью 30 по CO ₂ /CH ₄ . разработан Рихтер и др. [128], который потенциально может быть использован для удаления CO ₂ из природного газа. Тем не менее, стоимость мембраны и масштабирование требуют дальнейшего изучения.

CO

₂ улавливание электростанцией

Мировые электростанции, работающие на ископаемом топливе, выбрасывают около двух миллиардов тонн CO ₂ в год, что должно быть значительно сокращено в соответствии с Киотским протоколом. CCS является одним из наиболее многообещающих вариантов сокращения выбросов CO ₂ . Различные методы, такие как физическая абсорбция (например, Selexol, Rectisol), химическая абсорбция (например, MEA, MDEA), физическая адсорбция (например, молекулярные сита, металлоорганические каркасы) и газоразделительные мембраны, могут использоваться для CO ₂ улавливание дымовых газов на электростанциях. Среди них аминная абсорбция широко используется для удаления CO ₂ и считается наиболее зрелой технологией. Однако обычная аминная абсорбция является энергоемким и дорогостоящим процессом, что приводит к большим дополнительным затратам на производство электроэнергии. Национальная лаборатория энергетических технологий (NETL) подсчитала, что установка амина увеличит себестоимость производства электроэнергии на 70% [38]. В качестве альтернативы газоразделительные мембраны и/или гибридные системы (например, мембранный контактор, мембранно-криогенный процесс) для улавливания углерода, как показано на рис. 2 [73], могут иметь потенциал для снижения содержания CO ₂ Стоимость захвата в этом приложении.

Рис. 2

Технологическая схема улавливания углерода после сжигания [73]

Изображение полного размера

Газоразделительная мембранная система

Yang et al. рассмотрели прогресс разделения CO ₂ с использованием мембранной технологии и пришли к выводу, что мембранный процесс является энергосберегающим, компактным, легко масштабируемым и может быть многообещающей технологией для разделения CO ₂ [158]. Были приложены большие усилия для разработки высокоэффективных мембран (с высоким содержанием CO ₂ проницаемость и относительно хорошая селективность по сравнению с другими молекулами газа) с хорошей долговременной стабильностью для захвата CO ₂ , а некоторые ультратонкие нанокомпозитные и FSC мембраны показали большой потенциал [16, 17, 50, 70, 77, 78, 107 , 124, 139, 140, 158].

Мембраны Polaris®, разработанные MTR, были продемонстрированы в пилотном масштабе для улавливания CO ₂ на электростанции комбинированного цикла, работающей на природном газе [23]. Для проверки усовершенствованных модулей (многотрубных и пластинчато-рамных), рассчитанных на низкий перепад давления и малую занимаемую площадь, были испытаны полозья производительностью 20 тонн в сутки, и система показала довольно стабильную работу в течение ок. 1000 ч [106]. Более того, компания MTR запатентовала свой процесс, в котором используется высокое содержание CO 9 .0103 2 воздушный поток содержимого (воздух в качестве продувочного газа на стороне пермеата мембранной установки 2-й ступени) в котел для увеличения концентрации CO ₂ в дымовых газах [9], что может значительно уменьшить требуемую площадь мембраны и энергопотребление для этого приложения.

Стоит отметить, что проектирование процесса имеет решающее значение для повышения общей энергоэффективности всего процесса за счет интеграции блока улавливания CO ₂ . Сообщалось о многих исследованиях по анализу осуществимости технологии, основанной на процессе продувки воздухом. Однако влияние CO ₂ — наличие воздуха в работе котла необходимо дополнительно проверить. Стоит отметить, что газопроницаемость мембран Polaris была значительно улучшена в лабораторных условиях. Необходима дальнейшая пилотная демонстрация (испытания в полевых условиях), чтобы подтвердить эффективность в более крупном масштабе.

Крупный проект ЕС NanoGLOWA (включая 27 партнеров из европейских компаний, университетов, институтов и электростанций), запущенный в 2006 г., был направлен на разработку высокоэффективных мембран для CO ₂ улавливание дымовых газов на электростанциях с дожиганием. В 2011 году на электростанции EDP в Синише (Португалия) для проверки работы мембран в реальном дымовом газе был установлен небольшой модуль с пластинами и рамой пилотного масштаба, и мембраны показали стабильную работу в течение 6 месяцев [52]. Недавно этот тип мембран был продемонстрирован для улавливания CO ₂ в реальных дымовых газах пропановой горелки на заводе SINTEF Tiller (Тронхейм, Норвегия) [74] и цементном заводе Norcem [51]. Два полукоммерческих половолоконных модуля, покрытых селективным слоем ПВАм (площадь мембраны 8,4 м ² ) выполнялись параллельно в одностадийном процессе. Результаты испытаний показали, что в потоке пермеата исходного дымового газа с содержанием 9,5 об.% СО ₂ была достигнута чистота 60 об.% СО ₂ [74]. В декабре 2016 года Air Products Ltd. лицензировала мембраны FSC на основе PVAm для улавливания CO ₂ после сжигания и в ближайшем будущем доведет эту технологию до коммерческого использования [48].

Мембраны PolyActive™, разработанные Helmholtz-Zentrum Geesthacht, были протестированы на CO ₂ улавливание из реальных дымовых газов с использованием пилотного модуля с площадью мембраны 12,5 м ² [119]. Мембранная система также показала стабильную производительность в течение 740 часов непрерывно, и они также сообщили, что мембранные процессы хорошо подходят для улавливания CO ₂ после сжигания, а чистота CO ₂ составляет 68,2 мольных % в пермеате и степень извлечения 42,7. % может быть достигнуто в испытанных условиях в одностадийном процессе. Необходимо продемонстрировать двухступенчатую пилотную мембранную систему, чтобы задокументировать осуществимость технологии, связанную с потреблением энергии и требуемой площадью мембраны. Необходимо решить инженерную проблему масштабирования модуля оболочки.

Следует помнить, что перед вводом любого типа мембран в промышленное применение необходимо провести технико-экономический анализ. Он и др. исследовали применение углеродных мембран из полых волокон для улавливания CO ₂ из дымовых газов [59]. Они сообщили о капитальных затратах в размере 100 долларов США за тонну CO ₂ , которых удалось избежать для системы с углеродной мембраной, что было выше, чем при традиционном химическом методе МЭА (59 долларов США за тонну CO ₂ , которых удалось избежать, о чем сообщили Рао и Рубин [125]), но упомянутые углеродные мембраны имели явный потенциал для дальнейшей оптимизации. Меркель и др. [107] сообщили, что мембрана с CO ₂ /N ₂ селективность выше 50 и проницаемость CO ₂ 4000 GPU могут обеспечить стоимость улавливания ниже 15 долларов США за тонну CO ₂ , что ниже целевого показателя Министерства энергетики США (DOE) (20 долларов США). /тонна CO ₂ ). Они также указали, что улучшение проницаемости мембраны важнее повышения селективности (если селективность > 30) для дальнейшего снижения стоимости улавливания CO ₂ из дымовых газов [107]. Он и др. [64, 70] и Hussain et al. [78] провели анализ осуществимости процесса с помощью HYSYS, интегрированного с собственной мембранной программой (ChemBrane, разработанной Grainger [46]), чтобы исследовать влияние параметров процесса на потребление энергии и стоимость обработки дымовых газов с использованием нового CO ₂ -селективная мембрана FSC. Результаты их моделирования показали, что мембранный процесс с использованием высокоэффективных мембран FSC осуществим для улавливания CO ₂ с достижением > 90% извлечения CO ₂ и высокой чистоты CO ₂ выше 90%, даже из дымовых газов с низкая концентрация CO ₂ (~ 10%). Рамасубраманиан и др. сообщили о стоимости улавливания CO ₂ в размере 25 долларов США за тонну CO ₂ с использованием предполагаемой производительности мембраны CO ₂ проницаемости 3000 GPU (~ 8,2 м ³ (СТП)/(м ² ч бар)) и CO ₂ /N ₂ селективность 140 [124]. Совсем недавно были систематически исследованы свойства мембраны, необходимые для улавливания углерода после сжигания [132, 133], и должна быть достигнута проницаемость не менее 3 м ³ (ст.н.ст.)/(м ²  ч бар) с высокой селективностью. быть конкурентоспособным с системой поглощения MEA. Несмотря на то, что требуемая высокопроизводительная мембрана еще не была достигнута, их исследования количественно подчеркнули необходимость улучшения существующей производительности мембраны для реализации чисто мембранного процесса для CO 9 .0103 2 захват. Кроме того, стоимость улавливания CO ₂ для мембранной системы в значительной степени зависит от требуемого коэффициента улавливания CO ₂ . Сообщается, что мембранное улавливание CO ₂ после сжигания может выиграть от более низкого коэффициента улавливания CO ₂ с сокращением затрат на 55% [131], а коэффициенты улавливания CO ₂ ниже 90% значительно улучшат конкурентоспособность мембранного улавливания углерода и приводит к значительному снижению затрат [132]. Однако общая выгода должна быть дополнительно исследована по всей цепочке создания стоимости. Таким образом, экологически чистая технология с дальнейшим улучшением характеристик мембраны и правильно подобранными параметрами процесса и требованиями к отделению (особенно CO ₂ коэффициент улавливания) может быть многообещающим кандидатом для улавливания ₂ CO после сжигания.

Газожидкостный мембранный контактор

Мембранный контактор сочетает в себе преимущества газоразделительной мембранной технологии с химической абсорбцией. В мембранном контакторе мембраны действуют как граница раздела между газом и жидкой фазой (растворителем). Для улавливания СО ₂ до сжигания СО ₂ транспортируется из газовой фазы через микропористые и гидрофобные мембраны и абсорбируется в жидкой фазе. СО ₂ -нагруженные жидкости затем перекачиваются в десорбер для высвобождения CO ₂ , а регенерированные растворители возвращаются обратно в мембранный контактор [76]. Эта технология предлагает уникальный способ выполнения процессов газожидкостной абсорбции и обеспечивает высокую эксплуатационную гибкость [34]. В последнее время большой интерес вызывает исследование эффективности мембранных контакторов для улавливания СО ₂ [15, 24, 30, 34, 42, 94, 103, 121, 159]. Йон и др. [159] сообщили об использовании контактора с мембраной из полых волокон PVDF для абсорбции и отпарной колонны в качестве десорбера для CO 9 .0103 2 /N ₂ разделение, которое показало более высокую эффективность удаления CO ₂ , чем обычная абсорбционная колонна. Шабанон и др. изучили сопротивление смачиванию мембранных контакторов с использованием различных мембранных материалов и обнаружили, что мембранные контакторы с использованием композитных половолоконных мембран на основе полиметилпентена (ПМП) или тонкого плотного слоя тефлона-AF, нанесенного на полипропиленовые (ПП) подложки, показали удивительно стабильные характеристики. по сравнению с полыми волокнами из полипропилена и политетрафторэтилена (ПТФЭ) [24]. Ферон и др. исследовали потенциальное применение CO ₂ улавливание дымовых газов с помощью мембранного контактора, состоящего из пористых полипропиленовых половолоконных мембран и специальной абсорбирующей жидкости (CORAL) [42]. Их результаты показали, что мембранный контактор может быть многообещающим кандидатом для улавливания CO ₂ из дымовых газов на электростанциях с дожиганием. Более того, Дай и соавт. [27, 28] сообщили об использовании мембранного контактора на основе ионной жидкости для улавливания СО ₂ перед сжиганием; пористая мембрана из ПТФЭ и непористые композитные мембраны из тефлона-ПП (полипропилена) считаются наиболее подходящими мембранами для этого применения. Несмотря на то, что сопротивление массопереносу увеличивается в мембранных контакторах, особенно когда мембраны смачиваются, многочисленные преимущества, такие как значительно увеличенная площадь поверхности раздела, могут потенциально компенсировать недостатки и делают мембранные контакторы перспективными для CO 9 . 0103 2 захват [165].

CO

₂ улавливание в промышленности

CO ₂ выбросы промышленных секторов, таких как производство стали/чугуна, цементный завод и газовые заводы, составляют более 10% от общего объема выбросов CO ₂ . Удаление CO ₂ из природного газа и биогаза является обязательным для повышения чистоты метана и предотвращения коррозии трубопроводов. Кроме того, CCS является единственным решением для сокращения выбросов CO ₂ от цементного завода на 50% от CO ₂ является побочным продуктом процесса производства цемента. Таким образом, улавливание CO ₂ из этих энергоемких производств также должно быть реализовано.

CO

₂ удаление из природного газа

Природный газ (NG) становится одним из наиболее привлекательных видов топлива для мирового потребления первичной энергии благодаря его доступности и универсальности. ПГ является менее углеродоемким и более чистым источником энергии по сравнению с другими видами ископаемого топлива, такими как уголь и сырая нефть. Однако сырой природный газ в резервуарах и/или скважинах обычно содержит значительное количество легких и тяжелых углеводородов (ТУВ), а также такие примеси, как вода, H ₂ S, CO ₂ , N ₂ и гелий. Осаждение природного газа является обязательным на всех заводах по производству природного газа для удаления кислых газов H ₂ S и CO ₂ в соответствии с требованиями законодательства и спецификациями газовой сети. Сообщалось о различных технологиях, таких как химическая абсорбция [83], адсорбция при переменном давлении (PSA) [81, 143] и мембраны [2, 12, 43, 62, 63, 66, 67, 68, 69, 93, 96]. для удаления CO ₂ из природного газа. Решение о том, какая технология используется для CO 9Удаление 0103 2 из природного газа в основном зависит от условий процесса и состава сырого природного газа. Обычная химическая (аминная) абсорбция хорошо известна и применяется в промышленных процессах, и до сих пор считается самой современной технологией улавливания CO ₂ . Тем не менее, мембранные системы обладают многими преимуществами, такими как небольшая занимаемая площадь, низкий капитал и эксплуатационные расходы, они экологически безопасны и демонстрируют гибкость процесса [11], что демонстрирует большой потенциал для очистки природного газа, даже если он занимает всего 5% рынка. Cегодня. Коммерческие мембраны для очистки природного газа обычно изготавливаются из ацетата целлюлозы и полиимида и имеют типичную СО ₂ /CH ₄ селективность 15~30 [13]. Мембранные системы предпочтительны для газовых потоков с высокой концентрацией CO ₂ (установка с улучшенной регенерацией газа, примерно 50% CO ₂ и высокое давление), а аминовые установки предпочтительны для газовых потоков с относительно низкой концентрацией. Кроме того, мембранные системы также удобно использовать для обработки небольших газовых потоков из-за их простых схем потоков (как правило, на морских платформах, < 6000 Нм ³ /ч), в то время как аминовые установки более сложны и требуют тщательного, хорошо контролируемого операционные процедуры, задокументированные Baker et al. [8]. Хотя распространенными полимерными мембранами для очистки природного газа по-прежнему являются ацетат/триацетат целлюлозы и полиимид, новые высокоэффективные мембраны FSC и углеродные мембраны продемонстрировали хороший потенциал для CO ₂ /CH ₄ разделение [32, 33, 55, 69].

Работа при высоком давлении является одной из наиболее сложных проблем, связанных с обессериванием природного газа с помощью мембранных систем, поскольку пластификация и уплотнение мембраны являются хорошо известным явлением для большинства полимерных мембран [40, 152]. Для мембран FSC насыщение носителя при высокой концентрации CO ₂ или парциальном давлении дополнительно вызовет снижение проницаемости CO ₂ и CO ₂ /CH ₄ селективность. Потенциальными стратегиями преодоления пластификации мембраны являются сшивание материала мембраны [153] и изготовление механически прочных мембран с улучшенными свойствами, например, мембраны со смешанной матрицей путем добавления неорганических наполнителей в полимерную матрицу. Адамс и др. приготовили 50% (об.) Цеолит 4А/поли(винилацетат) МММ с повышенной эффективностью разделения для разделения CO ₂ /CH ₄ [2]. Их результаты показали многообещающее применение для очистки природного газа под высоким давлением. Он и др. сообщили, что мембрана FSC из смеси ПВАм/ПВА, армированная УНТ, обеспечивает хорошие показатели CO ₂ /CH ₄ эффективность разделения при высоком давлении до 40 бар [62, 63, 67, 68, 69], что показало хорошее потенциальное применение для удаления CO ₂ из природного газа. Тем не менее, по-прежнему существуют проблемы с поддержанием производительности разделения при более высоком давлении > 40 бар (особенно > 80 бар в подводном процессе), которые потенциально могут быть решены за счет использования 4 верхняя граница) углеродные мембраны с высокой механической прочностью, чтобы выдерживать высокое давление без потери эффективности разделения.

Конструкция мембранной системы для удаления CO ₂ из природного газа в основном зависит от характеристик мембраны, концентрации CO ₂ в сырьевом потоке, конкретных требований к разделению, а также от расположения установки. Питерс и др. провели проектирование, моделирование и оптимизацию процесса удаления CO ₂ из природного газа с использованием HYSYS, интегрированного с собственной мембранной программой (ChemBrane) [118]. Они сообщили, что двухступенчатая мембранная система с проницаемостью CO ₂ 0,3 м ³ (СТП)/(м ² ч бар) и CO ₂ /CH ₄ селективность 40 сравнима с селективностью аминового процесса [118]. Хотя чистота бессернистого газа с мембранной системой немного ниже, он все же может соответствовать стандартам товарного газа (< 2% CO ₂ в природном газе). Также сообщалось, что двухступенчатые мембранные системы со стоимостью мембранной единицы < 60 долл. США/м ² площади мембраны были жизнеспособны для удаления CO ₂ из природного газа с содержанием CO ₂ (10 об.%) [66]. Кроме того, мембранная система отличается компактностью и гибкостью, а также простотой обслуживания, что имеет решающее значение для подводной и морской добычи природного газа. Следует отметить, что мембраны для очистки природного газа являются одним из наиболее перспективных приложений, связанных с рынком и экономической выгодой.

CO

₂ удаление из биогаза

Биогаз обычно получают путем анаэробного сбраживания таких отходов, как осадок сточных вод, навоз и органическая фракция бытовых отходов, которая в основном состоит из метана (CH ₄ ) и двуокиси углерода ( CO ₂ ), а также может содержать ЛОС, H ₂ O, H ₂ S и NH ₃ . Биогаз обладает высоким энергетическим потенциалом благодаря наличию метана высокой чистоты. Однако, в зависимости от конечного использования, конкретная обработка биогаза (т. е. очистка биогаза, определяемая как CO ₂ удаление из сырого биогаза) следует проводить для повышения теплотворной способности биогаза. Поэтому крайне важно определить энергоэффективную технологию удаления CO ₂ из биогаза при низких потерях CH ₄ . Общие методы повышения качества биогаза включают очистку водой, КЦА, химическую абсорбцию (например, амины) и газоразделительные мембраны. Выбор подходящей технологии в основном зависит от состояния станции, например, наличия низкой цены на тепловую энергию, электроэнергию и воду, а также мощности станции. В Европейском регионе промывка водой является наиболее распространенной технологией на биогазовых установках (40%), а мембрана сегодня занимает 4% рынка [113]. Большинство биогазовых установок в Швеции используют PSA, хотя CH ₄ потери высокие (3–10%). Биогазовые установки, использующие технологию очистки воды, могут получать CH ₄ высокой чистоты (> 99 объемных%), но также производят много сточных вод и требуют высокой мощности. Технология аминовой очистки обеспечивает высокую селективность для получения метана высокой чистоты, но этот процесс является энергоемким и экологически небезопасным из-за потребности в органических растворителях аминов. По сравнению с другими современными технологиями, газоразделительные мембранные процессы обеспечивают большую экономию энергии и места, а также меньшее воздействие на окружающую среду и являются предпочтительными для небольших биогазовых установок < 1000 м ³ (СТП)/ч [108]. Коммерческие мембраны SEPURAN®, разработанные EVONIK для обогащения биогаза, отличаются низким энергопотреблением и низкими затратами на техническое обслуживание. Основная задача состоит в одновременном получении высокой чистоты CH ₄ и низких потерь CH ₄ . Последняя зарегистрированная одноступенчатая полиимидная мембранная система может достигать чистоты CH ₄ только 80,7 об.% с высокой потерей CH ₄ 24%, что неприемлемо для любых установок по производству биогаза [111]. При последовательном использовании многоступенчатой ​​мембранной системы можно получить СН 9 высокой чистоты.0103 4 , но потеря CH ₄ будет выше. Потеря CH ₄ в атмосферу более 4% приводит к неустойчивому процессу в соответствии с оценкой жизненного цикла углеродного следа[126], что негативно связано с воздействием на экономику и окружающую среду из-за высокого потенциала глобального потепления (ПГП) метана. Следовательно, поиск мембраны с высокой селективностью по CO ₂ /CH ₄ (по крайней мере > 30) имеет решающее значение для снижения потерь CH ₄ , упрощения конструкции процесса и снижения энергопотребления. Сообщалось о углеродных мембранах из полых волокон на основе целлюлозы для CO ₂ /CH ₄ и показал высокую селективность CO ₂ /CH ₄ более 100 [53, 72], что показало возможность удаления CO ₂ из биогаза. Анализ технико-экономической целесообразности также показал, что углеродные мембраны могут быть конкурентоспособной технологией для обогащения биогаза по сравнению с аминовой абсорбцией [60]. Кроме того, несколько модулей с углеродными мембранами (каждый площадью 2 м ² ) подвергались воздействию настоящего биогаза (63 об.% CH ₄ , 1 ppm H ₂ S, баланс CO ₂ ) в течение 200 дней на биогазовой установке в Южной Норвегии. В эти модули подавался биогаз с расходом 10 Нм ³ /ч при 20 бар. Были достигнуты метан высокой чистоты 96 об.% и извлечение CH ₄ 98 % [56], а мембраны показали стабильные характеристики в течение периода испытаний, что считается на уровне TRL 5. Хотя заявленная пилотная система может производить высокие чистого биометана в качестве автомобильного топлива, все еще существуют проблемы, связанные с однородной упаковкой углеродных мембран из полых волокон. Кроме того, хрупкость полых волокон оставалась проблемой для масштабирования модулей. Будущие исследования должны быть сосредоточены на улучшении механических свойств и газопроницаемости, что направлено на разработку асимметричных гибких половолоконных углеродных мембран или углеродных мембран на подложке.

CO

₂ улавливание углерода на цементном заводе

Цементный завод ищет решения для улавливания углерода из дымовых газов с высоким содержанием CO ₂ (около 17 об. % влажного основания), поскольку он представляет собой 7% глобального антропогенного CO ₂ выбросы. Применение улавливания CO ₂ в цементных печах имеет большой потенциал для снижения выбросов CO ₂ в этих отраслях, но, естественно, повлияет на себестоимость производства цемента. Таким образом, европейская цементная промышленность (через HeidelbergCement) проявляет большой интерес к дешевому CO ₂ технологии захвата.

Цементный завод производит выбросы парниковых газов как прямо, так и косвенно: прямое кальцинирование известняка приводит к выбросу ~ 50% всех выбросов CO ₂ при производстве цемента, в то время как сжигание топлива для нагрева печи косвенно способствует еще 50% выбросов CO ₂ выбросы. Использование CCS считается одним из наиболее важных методов для достижения Norcem Zero CO ₂ Emission Vision 2030. Три различные технологии (аминная абсорбция, мембраны, твердый адсорбент) были протестированы на месте, чтобы задокументировать осуществимость процесса [14]. Там первая пилотная мембранная система с использованием плоских мембран FSC на основе ПВАм была испытана на CO ₂ улавливание 17 об.% (влажная основа) CO ₂ дымовых газов на цементном заводе. Несмотря на то, что было выявлено много проблем, связанных с конструкцией процесса и модуля, а также было трудно добиться стабильной работы мембранной системы, чистота CO ₂ до 72% была достигнута за короткие периоды времени, когда все параметры процесса хорошо контролировались в одноступенчатая мембранная система FSC [49]. Эффективность мембраны пластинчато-рамного модуля была довольно низкой, а спроектированная система страдала от значительных проблем с конденсацией воды/коррозией. Таким образом, половолоконные мембранные модули FSC с общей площадью мембраны ок. 20 м ² были построены совместными усилиями компаний Air Products и Chemicals, Inc. в 2016 году [51]. В этом проекте пилотная мембранная система FSC была оценена на уровне TRL 5. Система тестировалась в течение 6 месяцев в различных условиях, и была обнаружена стабильная работа даже при высокой загрузке NO _x и SO ₂ (в среднем 100 ppm и 5 частей на миллион соответственно) дымовых газов. Они сообщили, что за накопленные 24 дня была достигнута стабильная чистота пермеата CO ₂ 65 %. Также сообщалось, что анализ технико-экономической осуществимости позволяет достичь 80% CO ₂ извлечение и > 90% CO ₂ чистота. Тем не менее, разработанная двухступенчатая мембранная система была сложной для достижения конкретных требований по чистоте CO ₂ (> 95%) (особенно низкое ограничение O ₂ ) для увеличения добычи нефти/газа (EOR/EGR). Потенциальные решения заключаются во внедрении мембранной установки третьей ступени или установки низкотемпературного сжижения. Следует также помнить, что для защиты мембранной системы от CO 9 всегда требуются надлежащие процессы предварительной обработки (например, фильтрация частиц, конденсация воды).0103 2 захват на цементном заводе.

CO

₂ Улавливание CO ₂ Улавливание CO

В последнее время улавливанию CO ₂ при производстве электроэнергии уделяется большое внимание, как описано в разделе «Улавливание CO2 на электростанциях». Однако лишь в нескольких исследованиях сообщается об улавливании CO ₂ в металлургической промышленности [39, 45, 100, 150]. Предыдущие крупные европейские проекты Ultra Low CO ₂ Steelmaking (ULCOS) были сосредоточены на разработке новой технологии производства стали, которая могла бы резко сократить выбросы CO 9 .0103 2 выбросы до 50% к 2030 году (базовый 2004 год), и для исследования улавливания CO ₂ из безазотных отходящих газов доменной печи (NFBF) была выбрана мембранная система (N ₂ /CO ₂ /CO/H ₂ : 10%/36%/47%/7%). Ли и др. сообщили, что FSC-мембраны из смеси PVAm/PVA могут стать потенциальными кандидатами для улавливания CO ₂ из дымовых газов в сталелитейной промышленности с 15,0–17,5 €/т CO ₂ [100]. Недавно Руссанали и соавт. сообщил о моделировании различных мембран для CO 9Улавливание 0103 2 в сталелитейной промышленности с 30% CO ₂ в сырьевом газе и относительно низкая стоимость улавливания CO ₂ были выявлены по сравнению с улавливанием углерода в других процессах [131]. Однако следует отметить, что исходный газ содержит только CO ₂ и N ₂ в их исследовании, в то время как CO, H ₂ не учитываются, которые обычно существовали. Таким образом, необходимо провести дальнейшее исследование с более точным составом исходного газа, чтобы задокументировать экономическую целесообразность.

Перспективы на будущее

Внедрение улавливания CO ₂ на электростанциях и в перерабатывающей промышленности имеет решающее значение для сокращения выбросов CO ₂ , и в зависимости от состава дымовых газов, расположения установки и требований к разделению следует использовать несколько технологий. Абсорбция амином по-прежнему считается сегодня наиболее зрелой технологией для крупномасштабных или полномасштабных применений, и для снижения энергопотребления следует стремиться к разработке усовершенствованных растворителей следующего поколения. Мембраны для разделения газов, особенно ультратонкие полимерные и мембраны FSC, для дожигания CO ₂ улавливание были продемонстрированы в пилотном масштабе со стабильной производительностью в течение длительного периода и признаны самой передовой технологией с точки зрения воздействия на окружающую среду и энергоэффективности. Тем не менее, характеристики мембраны необходимо улучшить, чтобы снизить стоимость улавливания CO ₂ до 20 долларов США за тонну CO ₂ . Более того, чтобы сделать правильный выбор, необходимо тщательно продумать схему процесса, и обычно требуется двух- или многоступенчатая система для достижения высокого коэффициента улавливания CO ₂ и CO ₂ чистота одновременно. Тем не менее, мембранные системы, не требующие химикатов, легко расширяются, требуют относительно мало энергии и в будущем могут стать экологически безопасной технологией для улавливания CO ₂ на электростанциях и в других энергоемких технологических процессах.

Ссылки

1. Абанадес Дж. К., Акаи М., Бенсон С., др., е., 2005. Специальный отчет МГЭИК по улавливанию и хранению двуокиси углерода: резюме для политиков. http://www.ipcc.ch/pdf/special-reports/srccs/srccs_summaryforpolicymakers.pdf. По состоянию на 12 сентября 2018 г.

2. Adams RT, Lee JS, Bae T-H, Ward JK, Johnson JR, Jones CW, Nair S, Koros WJ (2011) CO ₂ –CH ₄ проникновение в мембраны со смешанной матрицей с высоким содержанием цеолита 4A. J Membr Sci 367(1–2):197–203

   Статья Google ученый

3. Ahmad J, Hägg MB (2013) Получение и характеристика смешанной матричной мембраны из поливинилацетата/цеолита 4A для разделения газов. J Membr Sci 427(0):73–84

   Артикул Google ученый

4. Ahmad J, Hågg MB (2013) Нанокомпозитные мембраны из поливинилацетата/диоксида титана для разделения газов. J Membr Sci 445:200–210

   Статья Google ученый

5. Ан Дж., Чанг В.Дж., Пиннау И., Сонг Дж., Ду Н., Робертсон Г.П., Гуивер М.Д. (2010) Газотранспортное поведение мембран со смешанной матрицей, состоящих из наночастиц кремнезема в полимере с внутренней микропористостью (PIM-1) . J Membr Sci 346(2):280–287

   Артикул Google ученый

6. Арун М.А., Исмаил А.Ф., Мацуура Т., Монтазер-Рахмати М.М. (2010) Исследование характеристик мембран со смешанной матрицей для разделения газов: обзор. Sep Purif Technol 75(3):229–242

   Статья Google ученый

7. «>

   Baker R (2004) Мембранные технологии и приложения, 2-е изд. Макгроу-Хилл Уайли. https://doi.org/10.1002/0470020393

8. Бейкер Р.В., Локхандвала К. (2008) Переработка природного газа с помощью мембран: обзор. Ind Eng Chem Res 47(7):2109–2121

   Статья Google ученый

9. Baker RW, Wijmans JG, Merkel TC, Lin H, Daniels R, Thompson S (2009) Процесс разделения газов с использованием мембран с продувкой пермеата для удаления CO ₂ из дымовых газов Membrane Technology & Research, Inc, US

10. Barsema JN, van der Vegt NFA, Koops GH, Wessling M (2005)Углеродные молекулярно-ситовые мембраны, функционализированные Ag, на основе прекурсоров смеси полиэлектролитов и полиимидов. Расширенная функция Mater 15 (1): 69–75

    Артикул Google ученый

11. «>

    Бернардо П., Дриоли Э. (2010) Мембранное газоразделение развивается в стратегии интенсификации процессов в нефтехимической промышленности. Petrol Chem 50(4):271–282

    Статья Google ученый

12. Bhide BD, Stern SA (1993) Мембранные процессы для удаления кислых газов из природного газа. II. Влияние условий эксплуатации, экономических параметров и свойств мембраны. J Membr Sci 81 (3): 239–252

    Артикул Google ученый

13. Бхиде Б.Д., Воскерициан А., Стерн С.А. (1998) Гибридные процессы удаления кислых газов из природного газа. J Membr Sci 140(1):27–49

    Статья Google ученый

14. Bjerge L-M, Brevik P (2014) CO ₂ улавливание в цементной промышленности, Norcem CO ₂ улавливание проекта (Норвегия). Энергетика Процессия 63: 6455–6463

    Артикул Google ученый

15. «>

    Bottino A, Capannelli G, Comite A, Di Felice R, Firpo R (2008) CO ₂ Удаление из газового потока с помощью мембранного контактора. Sep Purif Technol 59(1):85–90

    Статья Google ученый

16. Бредесен Р., Джордал К., Болланд О. (2004) Высокотемпературные мембраны в электроэнергетике с улавливанием CO ₂ . Хим.инж.процесс 43(9):1129–1158

    Артикул Google ученый

17. Брунетти А., Скура Ф., Барбьери Г., Дриоли Э. (2010) Мембранные технологии для разделения CO ₂ . J Membr Sci 359(1–2):115–125

    Статья Google ученый

18. Budd PM, Elabas ES, Ghanem BS, Makhseed S, McKeown NB, Msayib KJ, Tattershall CE, Wang D (2004) Обработанная раствором органофильная мембрана, полученная из полимера с внутренней микропористостью. Adv Mater 16 (5): 456–459

    Артикул Google ученый

19. Бадд П.М., Маккеун Н.Б., Ганем Б.С., Мсаиб К.Дж., Фрич Д., Старанникова Л., Белов Н., Санфирова О., Ямпольский Ю., Шантарович В. (2008) Параметры газопроницаемости и другие физико-химические свойства полимера с внутренней микропористостью: Полибензодиоксан ПИМ-1. J Membr Sci 325(2):851–860

    Статья Google ученый

20. Budd PM, Msayib KJ, Tattershall CE, Ghanem BS, Reynolds KJ, McKeown NB, Fritsch D (2005) Газоразделительные мембраны из полимеров с внутренней микропористостью. J Membr Sci 251 (1–2): 263–269

    Артикул Google ученый

21. Бушелл А.Ф., Эттфилд М.П., ​​Мейсон К.Р., Бадд П.М., Ямпольский Ю., Старанникова Л., Ребров А., Баззарелли Ф., Бернардо П., Каролюс Янсен Дж., Ланч М., Фрисс К. , Шантарович В., Густов В., Исаева В. ( 2013) Параметры газопроницаемости смешанно-матричных мембран на основе полимера собственной микропористости ПИМ-1 и цеолитового имидазолятного каркаса ЗИФ-8. J Membr Sci 427(0):48–62

    Статья Google ученый

22. Carapellucci R, Milazzo A (2003) Мембранные системы для улавливания CO ₂ и их интеграция с газотурбинными установками Труды Института инженеров-механиков, часть A. J Power Energy 217(5):505–517

    Артикул Google ученый

23. Касильяс, К., Чан, К., Фултон, Д., Кашемекат, Дж., Книп, Дж., Ли, Дж., Меркель, Т., Нгуен, В., Сун, З., Ван , X., Wei, X., White, S., 2015. Пилотные испытания мембранной системы для дожигания CO ₂ захват, NETL CO ₂ встреча технологий захвата в Питтсбурге

    Google ученый

24. «>

    Chabanon E, Roizard D, Favre E (2011) Мембранные контакторы для улавливания углекислого газа после сгорания: сравнительное исследование устойчивости к смачиванию в долгосрочных масштабах. Ind Eng Chem Res 50(13):8237–8244

    Статья Google ученый

25. Chung T-S, Jiang LY, Li Y, Kulprathipanja S (2007) Мембраны со смешанной матрицей (MMM), содержащие органические полимеры с диспергированными неорганическими наполнителями для разделения газов. Prog Polym Sci 32(4):483–507

    Артикул Google ученый

26. Д’Алессандро Д.М., Смит Б., Лонг Дж.Р. (2010) Улавливание двуокиси углерода: перспективы новых материалов. Angew Chem Int Ed 49(35):6058–6082

    Статья Google ученый

27. Dai Z, Ansaloni L, Deng L (2016a) Предварительное сжигание CO ₂ улавливание в контакторах с полимерными половолоконными мембранами с использованием ионных жидкостей: пористая мембрана против непористой композитной мембраны. Ind Eng Chem Res 55 (20): 5983–5992

    Артикул Google ученый

28. Dai Z, Noble RD, Gin DL, Zhang X, Deng L (2016b) Сочетание ионных жидкостей с мембранной технологией: новый подход к разделению CO ₂ . J Membr Sci 497:1–20

    Статья Google ученый

29. Дэвид Л.И.Б., Исмаил А.Ф. (2003) Влияние процесса термостабилизации и времени выдержки в процессе пиролиза на полиакрилонитрильные углеродные мембраны для O ₂ /N ₂ разделение. J Membr Sci 213(1–2):285–291

    Статья Google ученый

30. deMontigny D, Tontiwachwuthikul P, Chakma A (2006) Использование полипропиленовых и политетрафторэтиленовых мембран в мембранном контакторе для абсорбции CO ₂ . J Membr Sci 277(1–2):99–107

    Статья Google ученый

31. «>

    Deng L (2009) Разработка новой FSC-мембраны из смеси PVAm/PVA для CO ₂ захват. Норвежский университет науки и технологий, Тронхейм

    Google ученый

32. Deng L, Kim TJ, Hägg M-B (2009a) Облегченный транспорт CO ₂ в новой мембране из смеси PVAm/PVA. J Membr Sci 340(1–2):154–163

    Статья Google ученый

33. Дэн Л., Ким Т.Дж., Сандру М., Хэгг М.Б. (2009b) Мембрана FSC из смеси ПВА/ПВАм для очистки природного газа. Материалы 1-го ежегодного симпозиума по переработке газа, Доха, стр. 247–255

    Google ученый

34. Dindor VY, Brilman DWF, Feron PHM, Versteeg GF (2004) CO ₂ абсорбция при повышенном давлении с использованием контактора с мембраной из полых волокон. J Membr Sci 235(1–2):99–109

    Статья Google ученый

35. «>

    До Ю.С., Ли В.Х., Сон Дж.Г., Ким Дж.С., Ван Х.Х., Доэрти С.М., Хилл А.Дж., Ли Ю.М. (2016) Термически перестроенные (TR) сетчатые полимеры на основе бисмалеимида для газоразделительных мембран. Химическая коммуна 52(93):13556–13559

    Артикул Google ученый

36. Du N, Park HB, Robertson GP, ​​Dal-Cin MM, Visser T, Scoles L, Guiver MD (2011) Полимерные наноситовые мембраны для CO ₂ — приложения для улавливания. Nat Mater 10(5):372–375

    Статья Google ученый

37. Duan S, Taniguchi I, Kai T, Kazama S (2012) Поли(амидоамин) дендример/поли(виниловый спирт) гибридные мембраны для CO ₂ захват. J Membr Sci 423–424(0):107–112

    Статья Google ученый

38. Elwell, L.C., Grant, W.S., 2006. Варианты технологии улавливания CO ₂ . http://www.powermag.com/coal/Technology-options-for-capturing-CO2_582.html. По состоянию на 12 сентября 2018 г.

39. Фарла Дж. К., Хендрикс К. А., Блок К. (1995) Извлечение углекислого газа из промышленных процессов. Клим Чанг 24:439–461

    Статья Google ученый

40. Favre E (2011) Мембранные процессы и улавливание углекислого газа после сжигания: проблемы и перспективы. Chem Eng J 171(3):782–793

    Статья Google ученый

41. Фаввас Э.П., Катсарос Ф.К., Папагеоргиу С.К., Сапалидис А.А., Митропулос А.С. (2017) Обзор последних разработок мембран на основе полиимида для разделения CO ₂ . React Funct Polym 120:104–130

    Статья Google ученый

42. Feron PHM, Jansen AE (2002) CO ₂ разделение контакторами с полиолефиновыми мембранами и специальными абсорбирующими жидкостями: эффективность и перспективы. Sep Purif Technol 27(3):231–242

    Статья Google ученый

43. Фримен Б., Ямпольский Ю. (2010) Мембранное разделение газов. Wiley, Хобокен

    Google ученый

44. Галеи Б., Сакураи К., Киношита Ю., Вакимото К., Исфахани А.П., Сонг К., Доитоми К., Фурукава С., Хирао Х., Кусуда Х., Китагава С., Сивания Э. (2017) Повышенная селективность в мембранах со смешанной матрицей для CO ₂ захват за счет эффективного диспергирования наночастиц MOF, функционализированных амином. Энергия природы 2:17086

    Артикул Google ученый

45. Gielen D (2003) CO ₂ Удаление в черной металлургии. Energy Convers Manag 44(7):1027–1037

    Статья Google ученый

46. Грейнджер, Д. , 2007 г. Разработка углеродных мембран для извлечения водорода, кафедра химического машиностроения Норвежский университет науки и технологий, Тронхейм

47. Grainger D, Hägg M-B (2007) Оценка мембран углеродных молекулярных сит на основе целлюлозы для отделения водорода от легких углеводородов. J Membr Sci 306(1–2):307–317

    Статья Google ученый

48. Hägg MB (2017 г.) На шаг ближе к выводу технологии улавливания CO ₂ на рынок https://www.eurekalert.org/pub_releases/2017-01/nuos-osc011117.php. По состоянию на 12 сентября 2018 г.

49. Hägg M-B, He X, Sarfaraz V, Sandru M, Kim T-J (2015) CO ₂ улавливание с использованием пилотного мембранного процесса на цементном заводе в Бревике, Норвегия – извлеченные уроки. 8-я конференция CCS в Тронхейме (TCCS8), Тронхейм

    Google ученый

50. «>

    Hagg MB, Lindbrathen A (2005) CO ₂ улавливание с электростанций, работающих на природном газе, с использованием мембранной технологии. Ind Eng Chem Res 44(20):7668–7675

    Статья Google ученый

51. Hägg MB, Lindbråthen A, He X, Nodeland SG, Cantero T (2017) Пилотная демонстрация-отчет об улавливании CO ₂ на цементном заводе с использованием процесса с полыми волокнами. Energy Procedia 114:6150–6165

    Статья Google ученый

52. Hägg MB, Sandru M, Kim TJ, Capala W, Huijbers M (2012) Отчет о пилотных испытаниях и дальнейшей разработке облегченной транспортной мембраны для улавливания CO ₂ с электростанций. Евромембрана, Лондон

53. Хайдер С., Линдбротен А., Хэгг М.-Б. (2016) Технико-экономическая оценка мембранной системы очистки биогаза: сравнение технологии полимерных и углеродных мембран. Green Energy Environment 1(3):222–234

    Статья Google ученый

54. Haider S, Lindbråthen A, Lie JA, Andersen ICT, Hägg M-B (2017) CO ₂ разделение с помощью углеродных мембран в условиях высокого давления и повышенной температуры. Sep Purif Technol 52(2):156–116

    Google ученый

55. Haider S, Lindbråthen A, Lie JA, Andersen ICT, Hägg M-B (2018a) CO ₂ разделение с помощью углеродных мембран в условиях высокого давления и повышенной температуры. Sep Purif Technol 190:177–189

    Статья Google ученый

56. Хайдер С., Линдбротен А., Ли Дж.А., Карстенсен П.В., Йоханнессен Т., Хэгг М.Б. (2018b) Автомобильное топливо из биогаза с углеродными мембранами; сравнение между прогнозами моделирования и реальной полевой демонстрацией. Зеленая энергия, окружающая среда 3(3):266–276

    Артикул Google ученый

57. «>

    Han SH, Kwon HJ, Kim KY, Seong JG, Park CH, Kim S, Doherty CM, Thornton AW, Hill AJ, Lozano AE, Berchtold KA, Lee YM (2012) Настройка микрополостей в термически перестроенных полимерных мембранах для Улавливание СО2. Phys Chem Chem Phys 14(13):4365–4373

    Статья Google ученый

58. Han Y, Wu D, Ho WSW (2018) Армированная нанотрубками облегченная транспортная мембрана для CO ₂ /N ₂ разделение с вакуумным режимом. J член научн. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.08.061

    Артикул Google ученый

59. He, X., 2011. Разработка углеродных мембран из полых волокон для выделения CO ₂ отделение химического машиностроения Норвежский университет науки и технологий, Тронхейм

60. He X, Chu Y, Lindbråthen A, Hillestad M, Hägg MB (2018) Мембраны углеродных молекулярных сит для обогащения биогаза: технико-экономический анализ осуществимости. J чистый продукт 194:584–593

    Статья Google ученый

61. He X, Fu C, Hägg M-B (2015) Проектирование мембранной системы и анализ осуществимости процесса для улавливания CO ₂ из дымовых газов с помощью фиксированной мембраны-носителя. Chem Eng J 268(0):1–9

    Статья Google ученый

62. He X, Hägg MB (2012c) Мембраны для экологически чистых энергетических процессов. Мембраны 2(4):706–726

    Артикул Google ученый

63. He X, Hägg MB (2012d) Структурная, кинетическая и эксплуатационная характеристика углеродных мембран из полых волокон. J Membr Sci 390–391(0):23–31

    Статья Google ученый

64. He X, Hägg M-B (2014) Энергоэффективный процесс улавливания CO ₂ из дымовых газов с помощью новых мембран с фиксированным участком-носителем. Энергетическая процедура 63 (0): 174–185

    Артикул Google ученый

65. He X, Hägg MB (2011) Оптимизация процесса карбонизации для получения высокоэффективных углеродных мембран из полых волокон. Ind Eng Chem Res 50(13):8065–8072

    Статья Google ученый

66. He X, Hägg M-B, Kim T-J (2014a) Гибридная мембрана FSC для удаления CO ₂ из природного газа: эксперимент, моделирование процесса и экономический анализ осуществимости. Айше Дж. 60(12):4174–4184

    Артикул Google ученый

67. He X, Hägg MB (2012a) Гибридные мембраны с фиксированным участком-носителем для CO ₂ /CH ₄ разделение, Euromembrane 2012. Великобритания, Лондон

    Google ученый

68. «>

    He X, Hägg MB (2012b) Гибридные мембраны с фиксированным центром и носителем для разделения CO ₂ /CH ₄ . Proc Eng 44(0):118–119

    Статья Google ученый

69. He X, Kim T-J, Hägg M-B (2014b) Гибридные мембраны с фиксированным участком-носителем для удаления CO ₂ из природного газа под высоким давлением: оптимизация мембран и исследование условий процесса. J Membr Sci 470(0):266–274

    Статья Google ученый

70. He X, Kim T-J, Hägg MB (2013) CO ₂ улавливание с помощью мембран: проектирование процесса и анализ осуществимости, TCCS-7. Тронхейм, Норвегия

    Google ученый

71. He X, Kim T-J, Uddin MW, Hägg M-B (2013a) CO ₂ Удаление из природного газа высокого давления с помощью гибридных мембран с неподвижным носителем: разработка мембранного материала. Ежегодное собрание Айше 2013, Сан-Франциско

    Google ученый

72. He X, Lie JA, Sheridan E, Hagg MB (2011) Получение и характеристика углеродных мембран из полых волокон из предшественников ацетата целлюлозы. Ind Eng Chem Res 50 (4): 2080–2087

    Артикул Google ученый

73. He X, Lie JA, Sheridan E, Hägg M-B (2009) CO ₂ захват углеродными мембранами из полых волокон: эксперименты и моделирование процессов. Energy Procedia 1(1):261–268

    Статья Google ученый

74. He X, Lindbråthen A, Kim TJ, Hägg M-B (2017a) Экспериментальные испытания стационарных мембран-носителей для улавливания CO2 из дымовых газов. IJGGC 64: 323–332

    Google ученый

75. He X, Nieto DR, Lindbråthen A, Hägg M-B (2017b) Конструкция мембранной системы для улавливания CO ₂ , технологические системы и материалы для улавливания CO ₂ . Wiley, стр. 249–281

76. He X, Yu Q, Hägg MB (2013b) CO ₂ Capture. В: Хоек Э.М.В., Тарабара В.В., ред. Энциклопедия мембранной науки и техники. Wiley

77. Huang J, Zou J, Ho WSW (2008) Улавливание углекислого газа с использованием CO ₂ — мембрана селективного облегченного транспорта. Ind Eng Chem Res 47(4):1261–1267

    Статья Google ученый

78. Hussain A, Hägg M-B (2010) Технико-экономическое обоснование улавливания CO ₂ из дымовых газов облегченной транспортной мембраной. J Membr Sci 359(1–2):140–148

    Статья Google ученый

79. International Energy Outlook 2011. https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/WEO2011_WEB.pdf. По состоянию на 30 августа 2018 г.

80. Jahan Z, Niazi MBK, Hägg MB, Gregersen ØW (2018) Нанокомпозитные мембраны из нанокристаллов целлюлозы/ПВА для разделения CO2/Ch5 при высоком давлении. J Membr Sci 554:275–281

    Статья Google ученый

81. Кифер, Б., Доман, Д., 2000. Система адсорбции при переменном давлении с регулируемым потоком. WO/1997/039821, US

    Google ученый

82. Хан М.М., Филиз В., Бенгтсон Г., Шишацкий С., Рахман М.М., Лиллепаэрг Дж., Абец В. (2013) Повышенная газопроницаемость за счет изготовления мембран со смешанной матрицей из функционализированных многослойных углеродных нанотрубок и полимеров с внутренней микропористостью (PIM). J Membr Sci 436 (0): 109–120

    Артикул Google ученый

83. Кидней А.Дж., Пэрриш В. (2006) Основы переработки природного газа. CRC Press, Бока-Ратон

    Google ученый

84. Kim S, Han SH, Lee YM (2012) Полибензоксазоловые мембраны из полых волокон с термической перестройкой (TR) для улавливания CO2. J Membr Sci 403–404(0):169–178

    Статья Google ученый

85. Kim S, Lee Y (2012) Термоперестроенные (TR) полимерные мембраны с наноинженерными полостями, настроенными для отделения CO2. Дж Нанопарт Рез 14(7):1–11

    Google ученый

86. Kim TJ, Li B, Hägg MB (2004) Новая поливиниламиновая мембрана с фиксированным участком и носителем для улавливания углекислого газа. J Polym Sci B Polym Phys 42(23):4326–4336

    Статья Google ученый

87. Kim T-J, Vrålstad H, Sandru M, Hägg M-B (2013) Характеристики разделения композитной мембраны PVAm для улавливания CO2 при различных уровнях pH. J Membr Sci 428(0):218–224

    Статья Google ученый

88. Kiyono M, Williams PJ, Koros WJ (2010) Влияние атмосферы пиролиза на эффективность разделения мембран углеродных молекулярных сит. J Membr Sci 359(1–2):2–10

    Статья Google ученый

89. Koh D-Y, McCool BA, Deckman HW, Lively RP (2016)Молекулярная дифференциация органических жидкостей методом обратного осмоса с использованием мембран углеродных молекулярных сит. Science 353(6301):804–807

    Статья Google ученый

90. Кореш Дж. Э., Соффер А. (1983) Углеродная мембрана молекулярного сита, часть I: презентация нового устройства для разделения газовых смесей. Separ Sci Technol 18:723–734

    Статья Google ученый

91. Lee HJ, Suda H, Haraya K, Moon S-H (2007) Свойства газопроницаемости мембран углеродных молекулярных сит, полученных из полимерной смеси полифениленоксида (PPO)/поливинилпирролидона (PVP). J Membr Sci 296(1–2):139–146

    Статья Google ученый

92. «>

    Lee S, Binns M, Lee JH, Moon J-H, Yeo J-g, Yeo Y-K, Lee YM, Kim JK (2017) Процесс мембранного разделения для улавливания CO2 из смешанных газов с использованием половолоконных мембран TR и XTR: моделирование процесса и эксперименты. J Membr Sci 541: 224–234

    Артикул Google ученый

93. Li F, Li Y, Chung T-S, Kawi S (2010a) Облегченный транспорт с помощью гибридных нанокомпозитных мембран POSS®-Matrimid®-Zn2+ для разделения природного газа. J Membr Sci 356(1–2):14–21

    Статья Google ученый

94. Li J-L, Chen B-H (2005) Обзор поглощения CO2 с использованием химических растворителей в контакторах с половолоконной мембраной. Сентябрь Purif Technol 41 (2): 109–122

    Артикул Google ученый

95. Li J, Zhang H, Gao Z, Fu J, Ao W, Dai J (2017) CO ₂ улавливание газообразного топлива с химическим циклом сжигания: обзор. Energ Fuel 31(4):3475–3524

    Статья Google ученый

96. Li S, Carreon MA, Zhang Y, Funke HH, Noble RD, Falconer JL (2010b) Масштабирование мембран SAPO-34 для CO ₂ /CH ₄ разделение. J Membr Sci 352(1–2):7–13

    Статья Google ученый

97. Ли, Дж.А., 2005. Синтез, эффективность и регенерация углеродных мембран для обогащения биогаза – будущего энергоносителя, Департамент химического машиностроения Норвежский университет науки и технологий, Тронхейм

98. Ли Дж.А., Хагг М.Б. (2005 ) Углеродные мембраны из целлюлозы и целлюлозы, нагруженной металлом. Углерод 43(12):2600–2607

    Артикул Google ученый

99. Lie JA, Hagg MB (2006) Углеродные мембраны из целлюлозы: синтез, характеристики и регенерация. J Membr Sci 284(1–2):79–86

    Статья Google ученый

100. Lie JA, Vassbotn T, Hägg M-B, Grainger D, Kim TJ, Mejdell T (2007) Оптимизация мембранного процесса улавливания CO ₂ в сталелитейной промышленности. IJGGC 1: 309–317

     Google ученый

101. Lin H, Freeman BD (2005) Руководство по выбору материалов для мембран, удаляющих CO ₂ из газовых смесей. J Mol Struct 739(1–3):57–74

     Артикул Google ученый

102. Luis P, Neves LA, Afonso CAM, Coelhoso IM, Crespo JG, Garea A, Irabien A (2009) Облегченный транспорт CO ₂ и SO ₂ через поддерживаемые мембраны ионной жидкости (SILM). Опреснение 245 (1–3): 485–493

     Артикул Google ученый

103. «>

     Мансуризаде А., Исмаил А.Ф. (2009)Газожидкостные мембранные контакторы с полыми волокнами для улавливания кислых газов: обзор. J Hazard Mater 171(1–3):38–53

     Статья Google ученый

104. McKeown NB (2012) Полимеры с собственной микропористостью. ISRN Mater Sci 2012:16

     Статья Google ученый

105. McKeown NB, Budd PM, Msayib KJ, Ghanem BS, Kingston HJ, Tattershall CE, Makhseed S, Reynolds KJ, Fritsch D (2005) Полимеры с собственной микропористостью (PIMs): перекрытие пустот между микропористыми и полимерными материалами. Chem Eur J 11(9):2610–2620

     Статья Google ученый

106. Меркель, Т., 2016. ПИЛОТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ МЕМБРАННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПОСТГОРЕНИЯ CO ₂ УГЛУБЛЕНИЕ-Заключительный отчет. https://www.osti.gov/scitech/servlets/purl/1337555. (По состоянию на 1 июля 2018 г.)

107. Merkel TC, Lin H, Wei X, Baker R (2010) Улавливание углекислого газа после сгорания на электростанции: возможность для мембран. J Membr Sci 359(1–2):126–139

     Статья Google ученый

108. Милтнер М., Макарук А., Харасек М. (2017) Обзор доступных технологий модернизации биогаза и инноваций для передовых решений. J Clean Prod 161:1329–1337

     Артикул Google ученый

109. Morisato A, Shen HC, Sankar SS, Freeman BD, Pinnau I, Casillas CG (1996) Характеристика полимера и газопроницаемость поли(1-триметилсилил-1-пропина) [PTMSP], поли(1-фенил- 1-пропин) [PPP] и смеси ПТМСП/PPP. J Polym Sci B Polym Phys 34(13):2209–2222

     Статья Google ученый

110. Myers C, Pennline H, Luebke D, Ilconich J, Dixon JK, Maginn EJ, Brennecke JF (2008) Высокотемпературное разделение смесей диоксида углерода/водорода с использованием облегченных мембран ионных жидкостей на подложке. J Membr Sci 322(1):28–31

     Артикул Google ученый

111. Nemestóthy N, Bakony P, Szentgyörgyi E, Kumar G, Nguyen DD, Chang SW, Kim S-H, Bélafi-Bakó K (2018) Оценка системы мембранной проницаемости для очистки биогаза с использованием модели и реальных газовых смесей: эффект рабочих условий на характер разделения, извлечение метана и стабильность процесса. J Clean Prod 185:44–51

     Артикул Google ученый

112. Невес Л.А., Неместоти Н., Алвес В.Д., Черджеси П., Белафи-Бако К., Коэльхосо И.М. (2009) Разделение биоводорода с помощью мембран ионной жидкости на подложке. Опреснение 240(1–3):311–315

     Статья Google ученый

113. Niesner J, Jecha D, Stehlik P (2013) Методы повышения качества биогаза: обзор современного состояния дел в европейском регионе. Chem Eng Trans 35: 517–522

     Google ученый

114. Pan X, Zhang J, Xue Q, Li X, Ding D, Zhu L, Guo T (2017) Мембраны со смешанной матрицей с отличным захватом CO ₂ , вызванным гибридами наноуглерода. ChemNanoMat 3(8):560–568

     Артикул Google ученый

115. Park HB, Han SH, Jung CH, Lee YM, Hill AJ (2010) Термически перестроенные (TR) полимерные мембраны для разделения CO ₂ . J Membr Sci 359(1–2):11–24

     Статья Google ученый

116. Park HB, Jung CH, Lee YM, Hill AJ, Pas SJ, Mudie ST, Van Wagner E, Freeman BD, Cookson DJ (2007) Полимеры с полостями, настроенными для быстрого селективного транспорта малых молекул и ионов. Science 318(5848):254–258

     Статья Google ученый

117. «>

     Пол Д.Р., Ямпольский Ю.П. (1994) Полимерные газоразделительные мембраны. CRC Press, Бока-Ратон, Флорида,

     Google ученый

118. Peters L, Hussain A, Follmann M, Melin T, Hägg MB (2011) CO ₂ Удаление из природного газа с использованием аминовой абсорбции и мембранной технологии — технико-экономический анализ. Chem Eng J 172(2–3):952–960

     Статья Google ученый

119. Полманн Дж., Брэм М., Уилкнер К., Бринкманн Т. (2016) Пилотное разделение CO ₂ из дымовых газов электростанции с помощью мембранной технологии. IJGGC 53: 56–64

     Google ученый

120. Поуп Д.С., Корос В.Дж., Хопфенберг Х.Б. (1994) Сорбция и дилатация поли(1-(триметилсилил)-1-пропина) диоксидом углерода и метаном. Макромолекулы 27(20):5839–5844

     Статья Google ученый

121. «>

     Qi Z, Cussler EL (1985) Микропористые полые волокна для поглощения газа I Массоперенос в жидкости. J Membr Sci 23(3):321–332

     Статья Google ученый

122. Quan S, Li SW, Xiao YC, Shao L (2017) CO ₂ — селективные мембраны со смешанной матрицей (MMM), содержащие оксид графена (GO) для повышения устойчивого улавливания CO ₂ . IJGGC 56:22–29

     Google ученый

123. Ramasubramanian K, Ho WSW (2011) Последние разработки в области мембран для улавливания углерода после сжигания. Curr Opin Chem Eng 1(1):47–54

     Статья Google ученый

124. Рамасубраманиан К., Вервей Х., Уинстон Хо В.С. (2012) Мембранные процессы улавливания углерода из дымовых газов угольных электростанций: моделирование и исследование стоимости. J Membr Sci 421–422(0):299–310

     Статья Google ученый

125. «>

     Рао А.Б., Рубин Э.С. (2002) Техническая, экономическая и экологическая оценка технологии улавливания CO ₂ на основе аминов для контроля парниковых газов на электростанциях. Environ Sci Technol 36 (20): 4467–4475

     Артикул Google ученый

126. Равина М., Генон Г. (2015) Глобальные и локальные выбросы биогазовой установки с учетом производства биометана в качестве альтернативного конечного решения. J Clean Prod 102:115–126

     Артикул Google ученый

127. Reijerkerk SR (2010) Блок-сополимерные мембраны на основе полиэфира для разделения CO ₂ [PhD]. Университет Твенте, Энсхеде, стр. 245

     Google ученый

128. Richter H, Voss H, Kaltenborn N, Kämnitz S, Wollbrink A, Feldhoff A, Caro J, Roitsch S, Voigt I (2017) Высокопоточные мембраны углеродных молекулярных сит для разделения газов. Angew Chem Int Ed 56(27):7760–7763

     Статья Google ученый

129. Робсон Л.М. (2008) Вернемся к верхней границе. J Membr Sci 320(1–2):390–400

     Статья Google ученый

130. Родригес-Рейносо Ф., Марш Х. (2000) Науки об углеродных материалах. Университет Аликанте, Аликанте

     Google ученый

131. Roussanaly S, Anantharaman R (2017) Оптимальный с точки зрения затрат коэффициент улавливания CO ₂ для мембранного улавливания из различных источников CO ₂ . Chem Eng J 327:618–628

     Статья Google ученый

132. Руссанали С., Анантараман Р., Линдквист К., Хаген Б. (2018) Новый подход к идентификации материалов с высоким потенциалом для экономичного дожигания CO на мембранной основе ₂ захват. Устойчивое энергетическое топливо 2(6):1225–1243

     Статья Google ученый

133. Руссанали С., Анантараман Р., Линдквист К., Чжай Х., Рубин Э. (2016) Свойства мембран, необходимые для улавливания CO2 после сжигания на угольных электростанциях. J Membr Sci 511:250–264

     Статья Google ученый

134. Рунгта М., Венц Г.Б., Чжан С., Сюй Л., Цю В., Адамс Дж.С., Корос В.Дж. (2017)Развитие структуры углеродного молекулярного сита и взаимосвязь характеристик мембраны. Углерод 115:237–248

     Артикул Google ученый

135. Рунгта М., Сюй Л., Корос В.Дж. (2012) Плотнопленочные мембраны на основе углеродных молекулярных сит, полученные из Matrimid®, для разделения этилена и этана. Углерод 50(4):1488–1502

     Артикул Google ученый

136. «>

     Samanta A, Zhao A, Shimizu GKH, Sarkar P, Gupta R (2011) Улавливание CO после сжигания ₂ с использованием твердых сорбентов: обзор. Ind Eng Chem Res 51 (4): 1438–1463

     Артикул Google ученый

137. Sandru M, Haukebø SH, Hägg M-B (2010) Мембраны из композитных полых волокон для улавливания CO ₂ . J Membr Sci 346(1):172–186

     Статья Google ученый

138. Sandru M, Kim TJ, Capala W, Huijbers M, Hägg MB (2013) Экспериментальные испытания полимерных мембран для улавливания CO2 на угольных электростанциях. Energy Procedia 37: 6473–6480

     Артикул Google ученый

139. Scholes CA, Ho MT, Wiley DE, Stevens GW, Kentish SE (2013) Конкурентоспособная по стоимости мембрана — криогенное улавливание углерода после сжигания. IJGGC 17(0):341–348

     Google ученый

140. «>

     Шао П., Дал-Син М.М., Гуивер М.Д., Кумар А. (2013) Моделирование мембранного улавливания CO ₂ на угольной электростанции. J Membr Sci 427 (0): 451–459

     Артикул Google ученый

141. Сталь К.М., Корос В.Дж. (2003) Исследование пористости углеродных материалов и связанного с этим влияния на газоразделительные свойства. Углерод 41(2):253–266

     Артикул Google ученый

142. Suda H, Haraya K (1997) Газопроницаемость через микропоры мембран углеродных молекулярных сит, полученных из каптонового полиимида. J Phys Chem B 101 (20): 3988–3994

     Артикул Google ученый

143. Tagliabue M, Rizzo C, Onorati NB, Gambarotta EF, Carati A, Bazzano F (2012) Регенерируемость цеолитов в качестве адсорбентов для очистки природного газа: тематическое исследование. Топливо 93(0):238–244

     Артикул Google ученый

144. Томас С., Пиннау И., Ду Н., Гуивер М.Д. (2009) Свойства микропористого лестничного полимера на основе спиробисиндана (PIM-1) проникать в чистые и смешанные газы. J Membr Sci 333 (1–2): 125–131

     Артикул Google ученый

145. Tong Z, Ho WSW (2017) Облегченные транспортные мембраны для разделения и улавливания CO2. Separ Sci Technol 52(2):156–167

     Статья Google ученый

146. Tseng H-H, Itta AK (2012) Модификация структуры мембраны углеродного молекулярного сита путем самостоятельного осаждения углеродного сегмента для разделения газов. J Membr Sci 389 (0): 223–233

     Артикул Google ученый

147. Uddin MW, Hägg M-B (2012a) Влияние загрязнения моноэтиленгликолем и триэтиленгликолем на разделение CO ₂ /CH ₄ облегченной транспортной мембраны для очистки природного газа. J Membr Sci 423–424(0):150–158

     Статья Google ученый

148. Uddin MW, Hägg M-B (2012b) Десертизация природного газа — влияние на CO ₂ –CH ₄ разделение после воздействия на облегченную транспортную мембрану сероводородом и высшими углеводородами. J Membr Sci 423–424(0):143–149

     Статья Google ученый

149. Виноба М., Бхагиялакшми М., Алькахим Й., Аломаир А.А., Перес А., Рана М.С. (2017) Недавний прогресс в использовании наполнителей в мембранах со смешанной матрицей для разделения CO2: обзор. Sep Purif Technol 188:431–450

     Статья Google ученый

150. Wang C, Ryman C, Dahl J (2009) Потенциальное сокращение выбросов CO ₂ для производства стали BF-BF на основе оптимизированного использования железосодержащих шихтовых материалов. IJGGC 3(1):29–38

     Google ученый

151. Ван М., Чжао Дж., Ван С., Лю А., Глисон К.К. (2017) Недавний прогресс в области субмикронных газоселективных полимерных мембран. J Mater Chem A 5(19):8860–8886

     Статья Google ученый

152. Wind JD, Paul DR, Koros WJ (2004) Проникновение природного газа в полиимидные мембраны. J Membr Sci 228(2):227–236

     Статья Google ученый

153. Wind JD, Staudt-Bickel C, Paul DR, Koros WJ (2002) Влияние химии сшивания на пластификацию CO2 полиимидных газоразделительных мембран. Ind Eng Chem Res 41(24):6139–6148

     Статья Google ученый

154. Ву К.Т., Ли Дж., Донг Г., Ким Дж.С., До Й.С., Хунг В.С., Ли К.Р., Барбьери Г., Дриоли Э., Ли Ю.М. (2015) Изготовление термически перестроенных (TR) полибензоксазоловых мембран из полых волокон с превосходным содержанием CO2 Производительность разделения /N2. J Membr Sci 490:129–138

     Статья Google ученый

155. Xu L, Rungta M, Brayden MK, Martinez MV, Stears BA, Barbay GA, Koros WJ (2012a) Олефин-селективные асимметричные углеродные молекулярные сита из полых волокон для гибридных мембранно-дистилляционных процессов для разделения олефинов/парафинов. J Membr Sci 423–424: 314–323

     Артикул Google ученый

156. Xu L, Rungta M, Brayden MK, Martinez MV, Stears BA, Barbay GA, Koros WJ (2012b) Олефин-селективные асимметричные углеродные молекулярные сита из полых волокон для гибридных мембранно-дистилляционных процессов для разделения олефинов/парафинов. J Membr Sci 423–424(0):314–323

     Статья Google ученый

157. Xu L, Rungta M, Koros WJ (2011) Мембраны из полых волокон на основе углеродных молекулярных сит Matrimid® для разделения этилена и этана. J Membr Sci 380 (1–2): 138–147

     Артикул Google ученый

158. Yang H, Xu Z, Fan M, Gupta R, Slimane RB, Bland AE, Wright I (2008) Прогресс в разделении и улавливании диоксида углерода: обзор. J Environ Sci 20:14–27

     Статья Google ученый

159. Yeon S-H, Lee K-S, Sea B, Park Y-I, Lee K-H (2005) Применение экспериментальной гибридной системы с мембранным контактором для удаления двуокиси углерода из дымовых газов. J Membr Sci 257 (1–2): 156–160

     Артикул Google ученый

160. Yong WF, Li FY, Xiao YC, Chung TS, Tong YW (2013) Высокоэффективные половолоконные мембраны PIM-1/Matrimid для CO ₂ /CH ₄ , O ₂ /N ₂ и CO ₂ /N ₂ Разделение. J Membr Sci 443 (0): 156–169

     Статья Google ученый

161. «>

     Yoshimune M, Fujiwara I, Haraya K (2007) Мембраны углеродных молекулярных сит, полученные из триметилсилилзамещенного поли(фениленоксида) для разделения газов. Углерод 45(3):553–560

     Артикул Google ученый

162. Yu C-H, Huang C-H, Tan C-S (2012) Обзор улавливания CO ₂ путем абсорбции и адсорбции. Aerosol Air Qual Res 12(5):745–769

     Артикул Google ученый

163. Zhang B, Wang T, Zhang S, Qiu J, Jian X (2006) Получение и характеристика углеродных мембран, изготовленных из поли(фталазинонэфирсульфонкетона). Углерод 44 (13): 2764–2769

     Артикул Google ученый

164. Zhang X, Zhang X, Dong H, Zhao Z, Zhang S, Huang Y (2012) Улавливание углерода с помощью ионных жидкостей: обзор и прогресс. Energy Environ Sci 5(5):6668–6681

     Статья Google ученый

165. «>

     Чжао С., Ферон ПХМ, Дэн Л., Фавр Э., Чабанон Э., Ян С., Хоу Дж., Чен В., Ци Х. (2016) Состояние и прогресс мембранных контакторов в улавливании углерода после сжигания: состояние -современный обзор новых разработок. J Membr Sci 511:180–206

     Артикул Google ученый

166. Zou J, Ho WSW (2006) CO ₂ – селективные полимерные мембраны, содержащие амины в сшитом поли(виниловом спирте). J Membr Sci 286(1–2):310–321

     Статья Google ученый

Ссылки на скачивание

Благодарности

Автор благодарен анонимным рецензентам за их полезные замечания и предложения.

Финансирование

Работа выполнена при поддержке проекта CO2Hing (№ 267615) Исследовательского совета Норвегии (Norges forskningsråd).

Доступность данных и материалов

Обмен данными не применим к этой статье, так как в ходе текущего исследования наборы данных не создавались и не анализировались.

Информация об авторе

Авторы и организации

1. Факультет химического машиностроения, Норвежский университет науки и технологий, N-7491, Тронхейм, Норвегия

   Xuezhong He

Авторы

1. Xuezhong He

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Contributions

Автор написал, прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи.

Автор, ответственный за переписку

Переписка с Сюэчжун Хэ.

Декларации этики

Конкурирующие интересы

Автор заявляет, что у него нет конкурирующих интересов.

Примечание издателя

Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Права и разрешения

Открытый доступ Эта статья распространяется в соответствии с условиями международной лицензии Creative Commons Attribution 4. 0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), которая разрешает неограниченное использование, распространение, и воспроизведение на любом носителе, при условии, что вы укажете автора(ов) оригинала и источник, предоставите ссылку на лицензию Creative Commons и укажете, были ли внесены изменения.

Перепечатки и разрешения

Об этой статье

Материалы для молекулярно-селективных синтетических мембран нового поколения

1. Baker, R. W. Мембранные технологии и применение 2-е изд. (Wiley, 2004).

   Google ученый

2. Корос, В. Дж. и Лайвли, Р. П. Вода и не только: расширение спектра крупномасштабных энергоэффективных процессов разделения. Айше Дж. 58 , 2624–2633 (2012).

   КАС Google ученый

3. Бейкер, Р. В. Будущие направления технологии мембранного газоразделения. Индивидуальный инж. хим. Рез. 41 , 1393–1411 (2002).

   КАС Google ученый

4. Шолл, Д. С. и Лайвли, Р. П. Семь химических разделений, которые изменят мир. Природа 532 , 435–437 (2016).

   Google ученый

5. Shannon, M.A. et al. Наука и техника по очистке воды в ближайшие десятилетия. Природа 452 , 301–310 (2008).

   КАС Google ученый

6. Корос В. Дж. и Флеминг Г. К. Мембранное разделение газов. Дж. Мембр. науч. 83 , 1–80 (1993).

   КАС Google ученый

7. Корос, В. Дж., Флеминг, Г. К., Джордан, С. М., Ким, Т. Х. и Хён, Х. Х. Полимерные мембранные материалы для растворно-диффузионного разделения путем проникновения. Прог. Полим. науч. 13 , 339–401 (1988).

   КАС Google ученый

8. Робсон, Л. М., Смит, З. П., Фримен, Б. Д. и Пол, Д. Р. Вклад диффузии и селективности растворимости в анализ верхней границы стеклообразных газоразделительных мембран. J. Член. науч. 453 , 71–83 (2014).

   КАС Google ученый

9. Гейзе, Г. М., Пол, Д. Р. и Фриман, Б. Д. Фундаментальные свойства переноса воды и соли полимерных материалов. Прог. Полим. науч. 39 , 1–42 (2014).

   КАС Google ученый

10. Petropoulos, J. H. в Полимерные газоразделительные мембраны (ред. Пол, Д. Р. и Ямпольский, Ю. П.) 17–82 (CRC, 1993).

    Google ученый

11. Karger, J. & Ruthven, D. M. Диффузия в цеолитах и ​​других микропористых твердых телах (Wiley, 1992).

    Google ученый

12. Сингх, А. и Корос, В. Дж. Значение энтропийной селективности для усовершенствованных газоразделительных мембран. Индивидуальный инж. хим. Рез. 35 , 1231–1234 (1996).

    КАС Google ученый

13. Ning, X. & Koros, W. J. Мембраны углеродных молекулярных сит, полученные из полиимида Matrimid ^® , для разделения азота и метана. Carbon 66 , 511–522 (2014).

    КАС Google ученый

14. Робсон, Л. М. Еще раз о верхней границе. Дж. Мембр. науч. 320 , 390–400 (2008 г.).

    КАС Google ученый

15. Омоле, И. К., Адамс, Р. Т., Миллер, С. Дж. и Корос, В. Дж. Влияние CO2 на высокоэффективную мембрану из полых волокон для очистки природного газа. Индивидуальный инж. хим. Рез. 49 , 4887–4896 (2010).

    КАС Google ученый

16. О’Кифф, М. и Яги, О.М. Разложение кристаллических структур металлоорганических каркасов и родственных материалов на лежащие в их основе сети. Хим. Ред. 112 , 675–702 (2012).

    КАС Google ученый

17. Deng, H. X. et al. Крупнопоровые отверстия в серии металлоорганических каркасов. Наука 336 , 1018–1023 (2012).

    КАС Google ученый

18. Бае Ю.С. и Снурр, Р. К. Разработка и оценка пористых материалов для отделения и улавливания диоксида углерода. Анжю. хим. Междунар. Эд. 50 , 11586–11596 (2011).

    КАС Google ученый

19. Bae, Y.S., Farha, O.K., Hupp, J.T. & Snurr, R.Q. Повышение селективности CO2/N2 в металлоорганическом каркасе путем модификации полости. Дж. Матер. хим. 19 , 2131–2134 (2009).

    КАС Google ученый

20. Cadiau, A., Adil, K., Bhatt, P.M., Belmabkhout, Y. & Eddaoudi, M. Разделитель на основе металлоорганического каркаса для отделения пропилена от пропана. Наука 353 , 137–140 (2016).

    КАС Google ученый

21. Чжан, К. и Корос, В. Дж. Адаптация транспортных свойств каркасов из цеолитовых имидазолатов с помощью постсинтетической термической модификации. Приложение ACS Матер. Интерфейсы 7 , 23407–23411 (2015 г.).

    КАС Google ученый

22. Юм, К. и др. Высоко настраиваемые свойства молекулярного просеивания и адсорбции каркасов цеолитовых имидазолатов со смешанными связями. Дж. Ам. хим. соц. 137 , 4191–4197 (2015).

    КАС Google ученый

23. Перес, Э. В., Балкус, К. Дж., Феррарис, Дж. П. и Муссельман, И. Х. Мембраны со смешанной матрицей, содержащие MOF-5, для разделения газов. Дж. Мембр. науч. 328 , 165–173 (2009).

    КАС Google ученый

24. Duan, C., Jie, X., Liu, D., Cao, Y. & Yuan, Q. Влияние последующей обработки на газоразделительную способность мембран со смешанной матрицей, содержащих металлоорганические каркасы. J. Член. науч. 466 , 92–102 (2014).

    КАС Google ученый

25. Zhang, C. & Koros, W.J. Мембраны на основе цеолитового имидазолата: проблемы и возможности. J. Phys. хим. лат. 6 , 3841–3849 (2015).

    КАС Google ученый

26. Квон, Х.Т. и Чон, Х.К. Синтез in situ тонких цеолит-имидазолатных каркасных мембран ZIF-8, демонстрирующих исключительно высокое разделение пропилена/пропана. Дж. Ам. хим. соц. 135 , 10763–10768 (2013).

    КАС Google ученый

27. Liu, D. F., Ma, X. L., Xi, H. X. & Lin, Y. S. Газотранспортные свойства и характеристики разделения пропилена/пропана мембран ZIF-8. Дж. Мембр. науч. 451 , 85–93 (2014).

    Google ученый

28. Pan, Y.C., Liu, W., Zhao, Y.J., Wang, C.Q. & Lai, Z.P. Улучшенная мембрана ZIF-8: влияние процедуры активации и определение коэффициентов диффузии легких углеводородов. J. Член. науч. 493 , 88–96 (2015).

    КАС Google ученый

29. Brown, A.J. et al. Межфазная микрофлюидная обработка половолоконных мембран на металлоорганическом каркасе. Наука 345 , 72–75 (2014).

    КАС Google ученый

30. Лю, К., Ван, Н., Каро, Дж. и Хуанг, А. Полидопамин, полученный из биоматериалов: универсальная и мощная платформа для ковалентного синтеза мембран молекулярных сит. Дж. Ам. хим. соц. 135 , 17679–17682 (2013).

    КАС Google ученый

31. Rao, M. B. & Sircar, S. Нанопористые углеродные мембраны для разделения газо-смех от селективного поверхностного потока. Дж. Мембр. науч. 85 , 253–264 (1993).

    КАС Google ученый

32. Pinnau, I., Casillas, C. G., Morisato, A. & Freeman, B.D. Проницаемость смешанного газа углеводород/водород в поли(1-триметилсилил-1-пропине) (PTMSP), поли(1-фенил-1-пропине) (PPP) и PTMSP / смеси ППС. Ж. Полим. науч. пол. физ. 34 , 2613–2621 (1996).

    КАС Google ученый

33. Томас, С., Пиннау, И., Ду, Н. и Гуивер, М. Д. Свойства проникновения смеси углеводородов и водорода PIM-1, аморфного микропористого полимера спиробисиндана. Дж. Мембр. науч. 338 , 1–4 (2009).

    КАС Google ученый

34. Руи, З., Джеймс, Дж. Б., Касик, А. и Лин, Ю. С. Мембранный процесс с металлоорганическим каркасом для производства CO2 высокой чистоты. AICHE J. 62 , 3836–3841 (2016).

    КАС Google ученый

35. Park, H.B. et al. Полимеры с полостями, приспособленными для быстрого селективного транспорта малых молекул и ионов. Наука 318 , 254–258 (2007).

    КАС Google ученый

36. McKeown, N.B. & Budd, PM. Полимеры с внутренней микропористостью (PIM): органические материалы для мембранного разделения, гетерогенного катализа и хранения водорода. Хим. соц. Ред. 35 , 675–683 (2006).

    КАС Google ученый

37. Sanders, D. E. et al. Энергоэффективные полимерные газоразделительные мембраны для устойчивого будущего: обзор. Полимер 54 , 4729–4761 (2013).

    КАС Google ученый

38. Свайдан, Р., Ганем, Б. и Пиннау, И. Точно настроенные по своей природе ультрамикропористые полимеры переопределяют верхние границы проницаемости/селективности мембранного разделения воздуха и водорода. Макрос ACS Lett. 4 , 947–951 (2015).

    КАС Google ученый

39. Юнг, С. Х., Ли, Дж. Э., Хан, С. Х., Парк, Х. Б. и Ли, Ю. М. Высокопроницаемые и селективные поли(бензоксазолкоимидные) мембраны для разделения газов. Дж. Мембр. науч. 350 , 301–309 (2010).

    КАС Google ученый

40. Карта, М. и др. Индуцированное триптиценом повышение избирательности мембранного газа для микропористых базовых полимеров Трегера. Доп. Матер. 26 , 3526–3531 (2014).

    КАС Google ученый

41. Ганем, Б.С., Свайдан, Р., Ма, X., Литвиллер, Э. и Пиннау, И. Энергоэффективное разделение водорода с помощью полимерных молекулярных сит типа AB. Доп. Матер. 26 , 6696–6700 (2014).

    КАС Google ученый

42. Петропулос, Дж. Х., Пападокостаки, К. Г., Минелли, М. и Догиери, Ф. О роли коэффициента диффузии и коэффициента распределения в диффузионном молекулярном переносе в бинарных композиционных материалах, с особой ссылкой на уравнение Максвелла. J. Член. науч. 456 , 162–166 (2014).

    КАС Google ученый

43. Чжан К., Дай Ю., Джонсон Дж. Р., Карван О. и Корос В. Дж. Высокоэффективная смешанная матричная мембрана ZIF-8/6FDA-DAM для разделения пропилена/пропана. Дж. Мембр. науч. 389 , 34–42 (2012).

    КАС Google ученый

44. Swaidan, R.J., Ma, X.H. & Pinnau, I. Настройка смешанных матричных мембран на основе PIM-PI-OH/Z-MOF для высокоэффективного разделения пропилена/пропана. В НАМН 2016 (2016).

    Google ученый

45. Бахман, Дж. Э., Смит, З. П., Ли, Т., Сюй, Т. и Лонг, Дж. Р. Повышенное отделение этилена и устойчивость к пластификации в полимерных мембранах, содержащих нанокристаллы металлоорганического каркаса. Нац. Матер. 15 , 845–849 (2016).

    КАС Google ученый

46. Geier, S.J. et al. Селективная адсорбция этилена на этане и пропилена на пропане в металлоорганических каркасах M2(dobdc) (M = Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Zn). Хим. науч. 4 , 2054–2061 (2013).

    КАС Google ученый

47. Лин Р. и др. Мембраны со смешанной матрицей с усиленным межфазным взаимодействием MOF/полимер и улучшенными характеристиками мембраны. Приложение ACS Матер. Интерфейсы 6 , 5609–5618 (2014 г.).

    КАС Google ученый

48. Seoane, B. et al. Мембраны со смешанной матрицей на основе металлоорганического каркаса: решение для высокоэффективного улавливания CO2? Хим. соц. Ред. 44 , 2421–2454 (2015).

    КАС Google ученый

49. Стил, К. М. и Корос, В. Дж. Исследование влияния параметров пиролиза на газоразделительные свойства углеродных материалов. Углерод 43 , 1843–1856 (2005 г.).

    КАС Google ученый

50. Салинас, О., Ма, X. Х., Литвиллер, Э. и Пиннау, И. Проницаемость, диффузия и газосорбция этилена/этана мембран углеродных молекулярных сит, полученных из прототипа лестничного полимера с внутренней микропористостью (PIM-1 ). J. Член. науч. 504 , 133–140 (2016).

    КАС Google ученый

51. Ma, X.L., Lin, Y.S., Wei, X.T. & Kniep, J. Ультратонкая мембрана углеродного молекулярного сита для разделения пропилена/пропана. Айше Дж. 62 , 491–499 (2016).

    КАС Google ученый

52. Бхувания, Н. и др. Морфология инженерной подструктуры асимметричных углеродных молекулярных сит из полых волоконных мембран. Carbon 76 , 417–434 (2014).

    КАС Google ученый

53. Xu, L., Rungta, M. & Koros, W.J. Matrimid ^® половолоконные мембраны на основе углеродных молекулярных сит для разделения этилена/этана. Дж. Мембр. науч. 380 , 138–147 (2011).

    КАС Google ученый

54. Луи, Дж. С., Пиннау, И. и Рейнхард, М. Свойства газо- и жидкостной проницаемости модифицированных межфазных композитных мембран обратного осмоса. J. Член. науч. 325 , 793–800 (2008 г.).

    КАС Google ученый

55. Ма, С. Х. и Корос, В. Дж. Композитные половолоконные мембраны, сшиваемые сложным эфиром, для удаления CO2 из природного газа. Индивидуальный инж. хим. Рез. 52 , 10495–10505 (2013).

    КАС Google ученый

56. Vrijenhoek, E.M., Hong, S. & Elimelech, M. Влияние свойств поверхности мембраны на начальную скорость коллоидного обрастания мембран обратного осмоса и нанофильтрации. J. Член. науч. 188 , 115–128 (2001).

    КАС Google ученый

57. Лисицин Д., Хассон Д. и Семиат Р. Обнаружение критического потока в системе обратного осмоса с отложением кремнезема. Опреснение 186 , 311–318 (2005).

    КАС Google ученый

58. Бакчин П., Аймар П. и Филд Р. В. Критические и устойчивые потоки: теория, эксперименты и приложения. J. Член. науч. 281 , 42–69 (2006).

    КАС Google ученый

59. Гринли, Л. Ф., Лоулер, Д. Ф., Фриман, Б. Д., Маррот, Б. и Мулен, П. Опреснение с помощью обратного осмоса: источники воды, технология и современные проблемы. Вода Res. 43 , 2317–2348 (2009).

    КАС Google ученый

60. Эверетт, Д. Х. Термодинамика интерфейсов: оценка работы Гезы Шай. Коллоидный прибой. А 71 , 205–217 (1993).

    КАС Google ученый

61. Элимелех, М., Чжу, Х. Х., Чайлдресс, А. Э. и Хонг, С. К. Роль морфологии поверхности мембраны в коллоидном загрязнении мембран обратного осмоса из ацетата целлюлозы и композитного ароматического полиамида. Дж. Мембр. науч. 127 , 101–109 (1997).

    КАС Google ученый

62. Швинге, Дж. , Нил, П.Р., Уайли, Д.Е., Флетчер, Д.Ф. и Фейн, А.Г. Спиральные модули и распорки: обзор и анализ. Дж. Мембр. науч. 242 , 129–153 (2004).

    КАС Google ученый

63. Нинг Р.Ю., Тройер Т.Л. и Томинелло Р.С. Химический контроль коллоидного загрязнения систем обратного осмоса. Опреснение 172 , 1–6 (2005).

    КАС Google ученый

64. Герцберг М. и Элимелех М. Биообрастание мембран обратного осмоса: роль усиленного биопленкой осмотического давления. Дж. Мембр. науч. 295 , 11–20 (2007).

    КАС Google ученый

65. Боуэн, Т.С., Ноубл, Р.Д. и Фальконер, Дж.Л. Основы и применение первапорации через цеолитовые мембраны. J. Член. науч. 245 , 1–33 (2004).

    КАС Google ученый

66. Лю Р. , Цяо С. и Чанг Т.С. Разработка высокоэффективных полых волокон сополиимида Р84 для первапорационной дегидратации изопропанола. Хим. англ. науч. 60 , 6674–6686 (2005 г.).

    КАС Google ученый

67. Окамото, К.-и., Кита, Х. и Хории, К. Мембрана из цеолита NaA: приготовление, однократная газопроницаемость, а также паропроницаемость и паропроницаемость смесей вода/органическая жидкость. Индивидуальный инж. хим. Рез. 40 , 163–175 (2001).

    КАС Google ученый

68. Моригами Ю., Кондо М., Абэ Дж., Кита Х. и Окамото К. Первая крупномасштабная первапорационная установка с использованием модуля трубчатого типа с мембраной из цеолита NaA. Сентябрь Очист. Технол. 25 , 251–260 (2001).

    КАС Google ученый

69. Гальего-Лизон Т. , Эдвардс Э., Лобиундо Г. и Фрейтас душ Сантуш Л. Дегидратация воды/ t Смеси бутанола методом первапорации: сравнительное исследование коммерчески доступных мембран из полимера, микропористого диоксида кремния и цеолита. Дж. Мембр. науч. 197 , 309–319 (2002).

    КАС Google ученый

70. Чаудри, М. А. Механизм переноса воды и ионов при гиперфильтрации с симметричными мембранами из ацетата целлюлозы. Дж. Мембр. науч. 206 , 319–332 (2002).

    КАС Google ученый

71. Маркетти П., Хименес Соломон М. Ф., Секели Г. и Ливингстон А. Г. Молекулярное разделение с помощью нанофильтрации с органическим растворителем: критический обзор. Хим. Ред. 114 , 10735–10806 (2014 г.).

    КАС Google ученый

72. Кэт, Т. Ю., Чайлдресс, А.Е. и Элимелех, М. Прямой осмос: принципы, применение и последние разработки. Дж. Мембр. науч. 281 , 70–87 (2006).

    КАС Google ученый

73. Буи, Н. Н., Линд, М. Л., Хук, Э. М. В. и Маккатчен, Дж. Р. Тонкопленочные композитные мембраны на основе электропрядных нановолокон для искусственного осмоса. Дж. Мембр. науч. 385 , 10–19 (2011).

    Google ученый

74. Шаффер, Д. Л., Вербер, Дж. Р., Джарамилло, Х., Лин, С. Х. и Элимелех, М. Прямой осмос: где мы сейчас? Опреснение 356 , 271–284 (2015).

    КАС Google ученый

75. Jin, Y. & Su, Z.H. Влияние условий полимеризации на гидрофильные группы в тонких пленках ароматического полиамида. Дж. Мембр. науч. 330 , 175–179 (2009).

    КАС Google ученый

76. Zhao, L. & Ho, W.S.W. Новые мембраны обратного осмоса с гидрофильной добавкой для опреснения морской воды. J. Член. науч. 455 , 44–54 (2014).

    КАС Google ученый

77. Каран С., Цзян З. и Ливингстон А. Г. Полиамидные нанопленки толщиной менее 10 нм со сверхбыстрым переносом растворителя для молекулярного разделения. Наука 348 , 1347–1351 (2015).

    КАС Google ученый

78. Cadotte, J. E. Мембрана обратного осмоса. патент США 4259, 183 (1981).

79. Geise, G.M. et al. Очистка воды мембранами: роль науки о полимерах. Дж. Полим. науч. B 48 , 1685–1718 (2010).

    КАС Google ученый

80. Чон, Б.Х. и другие. Межфазная полимеризация тонкопленочных нанокомпозитов: новая концепция мембран обратного осмоса. Дж. Мембр. науч. 294 , 1–7 (2007).

    КАС Google ученый

81. Линд, М. Л., Юмин Сук, Д., Нгуен, Т. В. и Хук, Э. М. В. Адаптация структуры тонкопленочных нанокомпозитных мембран для достижения характеристик мембран обратного осмоса с морской водой. Окружающая среда. науч. Технол. 44 , 8230–8235 (2010).

    КАС Google ученый

82. Wang, J.W. et al. Критический обзор транспорта через осмотические мембраны. Дж. Мембр. науч. 454 , 516–537 (2014).

    КАС Google ученый

83. Рана Д. и Мацуура Т. Модификации поверхности противообрастающих мембран. Хим. Ред. 110 , 2448–2471 (2010 г.).

    КАС Google ученый

84. Коэн-Тануги, Д. , Макговерн, Р. К., Дэйв, С. Х., Линхард, Дж. Х. и Гроссман, Дж. К. Количественная оценка потенциала сверхпроницаемых мембран для опреснения воды. Энергетика Окружающая среда. науч. 7 , 1134–1141 (2014).

    КАС Google ученый

85. Шривастава, А., Розенберг, С. и Пири, М. Разрушение энергоэффективности обратного осмоса и его последствия для будущей дорожной карты инноваций для опреснения. Опреснение 368 , 181–192 (2015).

    КАС Google ученый

86. Грегори К.Б., Видич Р.Д. и Дзомбак Д.А. Проблемы управления водными ресурсами, связанные с добычей сланцевого газа путем гидроразрыва пласта. Элементы 7 , 181–186 (2011).

    Google ученый

87. Ким И.К. и Ли, К.Х. Получение композитных полиамидных нанофильтрационных мембран с поверхностным синтезом и силиконовым покрытием с высокими эксплуатационными характеристиками. Индивидуальный инж. хим. Рез. 41 , 5523–5528 (2002).

    КАС Google ученый

88. Хименес Соломон, М. Ф., Бхоле, Ю. и Ливингстон, А. Г. Высокопоточные гидрофобные мембраны для нанофильтрации органических растворителей (OSN) — межфазная полимеризация, модификация поверхности и активация растворителя. J. Член. науч. 434 , 193–203 (2013).

    КАС Google ученый

89. Хименес-Соломон М.Ф., Сонг К., Джелфс К.Е., Муньос-Ибанез М. и Ливингстон А.Г. Полимерные нанопленки с повышенной микропористостью за счет межфазной полимеризации. Нац. Матер. 15 , 760–767 (2016).

    КАС Google ученый

90. Koh, D.Y., McCool, B.A., Deckman, H.W. & Lively, R.P. Молекулярная дифференциация органических жидкостей методом обратного осмоса с использованием мембран углеродных молекулярных сит. Наука 353 , 804–807 (2016).

    КАС Google ученый

91. Дженкинс, Г. М. и Кавамура, К. Полимерный углерод: углеродное волокно, стекло и уголь (Cambridge Univ. Press, 1976).

    Google ученый

92. Qiu, W., Zhang, K., Li, F. S., Zhang, K. & Koros, W. J. Газоразделительные характеристики мембран углеродных молекулярных сит на основе полиимида 6FDA-mPDA/DABA (3:2). ChemSusChem 7 , 1186–1194 (2014).

    КАС Google ученый

93. Каррутерс, С. Б., Рамос, Г. Л. и Корос, В. Дж. Морфология слоев цельной оболочки в половолоконных газоразделительных мембранах. J. Appl. Полим. науч. 90 , 399–411 (2003).

    КАС Google ученый

94. Се, В. и др. Полиамидные межфазные композитные мембраны, изготовленные из m -фенилендиамин, тримезоилхлорид и новый дисульфированный диамин. Дж. Мембр. науч. 403 , 152–161 (2012).

    Google ученый

Скачать ссылки

Будущее процессов мембранного разделения: перспективный анализ

1 Введение: мембранное разделение сегодня

вспомогательные фазовые процессы (например, абсорбция, жидкостная экстракция, адсорбция), являющиеся соответственно первым и вторым (Кинг, 1980; Корос, 2001). Промышленное развитие мембран действительно потребовало производства современных тонкослойных материалов в больших масштабах; ранние попытки изготовления микропористых мембран (с размером пор менее микрона) можно отнести к 1920 г., в то время как тонкопленочные плотные мембраны не могли быть получены до 1960 г. (Hwang and Kammermeyer, 1975).

Основные проблемы производства мембран, которые остаются актуальными и сегодня, были вскоре выявлены: во-первых, материал с высокой проницаемостью, одновременно демонстрирующий достаточно высокую селективность, абсолютно необходим. Антагонизм между этими двумя характеристиками создает так называемую кривую компромисса, эмпирический предел, основанный на экспериментальных данных, который получен для разделения газовых и жидких смесей (Robeson, 2008). Возможность преодоления соответствующей верхней связи между перманентностью и селективностью является одной из ключевых задач мембранной науки (Park et al., 2017).

На втором этапе крупномасштабные процессы производства мембран и модулей должны быть разработаны с нулевыми стандартами по умолчанию.

Наконец, мембранный процесс должен быть внедрен в наилучшем месте промышленного процесса с эффективными операциями предварительной обработки, чтобы обеспечить максимально длительный срок службы мембранного материала.

Таким образом, разработка мембранных процессов требует сочетания 1) высокоэффективных материалов (ключевой дисциплиной является химия), 2) надежных и надежных технологий производства модулей и 3) инструментов проектирования и проектирования процессов (Prasad et al. , 19).94; Бейкер, 2004 г.; Фавр и др., 2017).

Эти три ключевых шага (материал, модуль, система) показаны на Рисунке 1 как вклад в развитие науки, а структура приложения и ограничения соответствуют отраслевым инициативам. Принимая во внимание колоссальные достижения, достигнутые в последнее время в различных направлениях, показанных на рис. 1, можно ожидать, что место и роль мембранных процессов в широком спектре промышленных приложений в ближайшем будущем значительно расширится. Это перспективное заявление вместе с соответствующими проблемами подробно описано ниже.

РИСУНОК 1 . Краткий обзор структуры промышленного развития мембранных процессов: научные достижения (инновационные материалы, новые технологии производства и методологии разработки процессов) могут синергетически способствовать удовлетворению текущих и будущих потребностей промышленности.

2 Будущее мембранных процессов: проблемы и перспективы

2.1 Мембранные материалы

Полимеры сегодня в значительной степени представляют доминирующее семейство материалов для процессов мембранного разделения (Baker and Low, 2014). Это утверждение относится к пористым (микрофильтрация, ультрафильтрация, диализ) или плотным (обратный осмос, газоразделение и первапорация) промышленным мембранам. Полимеры эффективно предлагают уникальные возможности с точки зрения производства тонкого разделительного слоя благодаря дешевым, масштабируемым и надежным технологиям обработки (инверсия фаз, экструзия, прядение полых волокон и покрытие) (Nunes et al., 2020). В целом, компромисс между проницаемостью и селективностью достигается на основе статистических данных о пористых структурах: распределение пор по размерам в диапазоне от нанометров до мкм для пористых мембран, статистическое распределение свободного объема в субнанометровом диапазоне для плотных полимерных мембран (рис. 2). То же самое относится и к неорганическим мембранам (например, из оксида алюминия, углерода, оксидов металлов, кремнезема…), которые производятся путем спекания/экструзии и в основном используются для операций микрофильтрации и ультрафильтрации.

РИСУНОК 2 . Примеры современных промышленных мембранных материалов. (A) Асимметричная полимерная мембрана с плотной оболочкой (обратный осмос, газоразделение). Ограничения по производительности требуют очень тонкого плотного слоя, поддерживаемого пористой структурой. Характеристики разделения зависят от растворимости и диффузии частиц в субнанометровую матрицу распределения свободного объема. (B) Пористая мембрана (ультрафильтрация, микрофильтрация, диализ, мембранные контакторы и трансмембранная дистилляция). Пористый разделительный слой имеет распределение пор по размерам в диапазоне от нанометров до микрометров, в зависимости от обрабатываемой жидкой смеси и подлежащих разделению видов. Этот тип структуры может быть основан на полимерных или неорганических материалах.

С появлением революции в области наноструктурированных материалов сегодня можно добиться прорывных характеристик мембранных материалов, в основном в лабораторных масштабах (Koros and Zhang, 2017). Например, классический предел компромисса между проницаемостью и селективностью полимеров для разделения газов и, в последнее время, жидкостей, может быть полностью преодолен с помощью материалов, демонстрирующих квазиидеальный размер монодисперсных пор, таких как цеолиты (Young et al., 2017). углеродные нанотрубки (Skoulidas et al., 2002), углеродные молекулярные сита (CMS) (Koh et al., 2016), графены (Geim, 2009), металлооксидные каркасы (MOF) (Gascon and Kapteijn, 2010) и другие.

Сочетание сверхтонкой структуры (вплоть до атомарного уровня для графеновых пленок) вместе с идеальной структурой решетки открывает путь к очень высоким характеристикам разделения. Более того, большинство упомянутых выше неорганических наноструктурированных материалов обладают высокой термостойкостью и совместимостью с очень широким спектром химических веществ. Ограничения полимеров с верхней рабочей температурой обычно около 100 C и чувствительностью к химическим веществам (например, хлору для ультрафильтрации и обратного осмоса в биотехнологии и очистке воды, тяжелым углеводородам для разделения газов, растворителям для нанофильтрации органических растворителей) сегодня эффективно ограничивают выбор мембранные процессы для промышленного использования. В частности, возможность эксплуатации мембранных модулей в условиях высоких температур может открыть доступ к новым гибридным процессам, таким как мембранные реакторы. Действительно известно, что объединение функции катализа и разделения в одном устройстве часто обеспечивает более высокие характеристики (Agrawal, 2001; Van Kampen et al., 2021). Многочисленные исследования были посвящены этому типу процесса на протяжении десятилетий, например, для производства водорода с помощью высокотемпературных разделительных мембран на основе палладия или неорганических мембран. Успех мембранных биореакторов (Shannon et al., 2008), который был достигнут с полимерными материалами при низкотемпературном рабочем уровне (около 30 C), затем, возможно, может быть применен к новому набору химических реакторов.

2.2 Технологии производства

Помимо разработки новых материалов, ожидаются серьезные изменения в производстве мембранных модулей. Известно, что разработка нового индивидуального модуля для нового материала мембраны утомительна, длительна и дорогостояща. Кроме того, в промышленном производстве модулей/мембран чаще всего используются органические растворители (например, для растворения полимеров), что может привести к проблемам с окружающей средой. Зеленые растворители (вода, сверхкритический CO ₂ .) были предложены для ограничения этих проблем, но их использование далеко не применимо к любому типу полимера. Тем не менее, следует подчеркнуть большие усилия и значительный прогресс, достигнутые в последнее время в производстве более устойчивых мембран с использованием экологически чистых растворителей и материалов на биологической основе путем замены традиционных токсичных и вредных соединений (Nunes et al., 2020). В то же время недавно были разработаны устойчивые к растворителям мембраны, такие как фторированные полимеры и тонкопленочные полимеры, демонстрирующие впечатляющую механическую стойкость, что открывает новые перспективы для полимерных мембран (Karan et al., 2015). Помимо использования растворителя, проблемой также могут быть заливочные и облицовочные материалы, например, с трудностями с точки зрения совместимости материалов и бездефектной адгезии при заливке смолой. Производство модулей часто опирается на секретные ноу-хау. Проблемы производства модулей также объясняют, почему количество поставщиков мембранного оборудования остается ограниченным.

С появлением методов 3D-печати может появиться совершенно новая область развития. Прямое производство мембранного модуля с помощью 3D-печати вместо классических производственных технологий (например, формование полых волокон + заливка смолой) пока невозможно, но это может стать реальностью в ближайшем будущем. Например, недавно сообщалось о производстве ультратонких образцов композитных мембран с плотными поверхностными слоями до 20 нм, что открывает огромные перспективы для развития (Chowdhury et al., 2018). Недавно в нескольких исследованиях сообщалось о трехмерных возможностях для различных типов мембранных материалов и процессов (Bara et al., 2013; Bram et al., 2015; Nguyen et al., 2019).). Следует подчеркнуть, что основные ограничения для крупномасштабных модулей остаются. Тем не менее, прямая 3D-печать мембранного модуля на основе полимерных или неорганических материалов может полностью изменить правила игры. Может быть достигнуто быстрое эффективное производство модулей с совершенно новыми возможностями, предлагаемыми с точки зрения структуры.

Производственные ограничения мембраны, будь то плоское или полое волокно, обязательно выражаются в модульных структурах типа 1D. При 3D-печати сложная геометрия (например, фрактальная или конструктивная), возможно, включая in situ промоторы турбулентности (вместо распорок), возможны анизотропные мембранные или модульные конструкции. Важно подчеркнуть, что живые системы используют мембраны для многочисленных применений (например, легкие, почки…) на основе сложных структур, далеких от потока жидкости с постоянным поперечным сечением 1D. Это, конечно, не случайно, но это может отражать улучшенные характеристики (энергоэффективность, интенсификация), которые в настоящее время в значительной степени не изучены в науке о мембранах с синтетическими полимерами.

2.3 Методы проектирования процессов

Синергия между материалами и технологическими исследованиями всегда была ключевым требованием при применении мембран. Подобно любой цели химической инженерии, инструменты Process Systems Engineering (PSE) сегодня очень эффективны для целей проектирования мембранных процессов с различными программными средами (Biegler et al., 1997). Выбор наиболее эффективного мембранного материала вместе с лучшим местом, лучшей конструкцией и оптимальными условиями эксплуатации был достигнут для большого количества промышленных применений (Bozorg et al., 2019).). Тем не менее, сложные процессы, такие как многоступенчатые или гибридные системы, по-прежнему решают некоторые важные и частично нерешенные проблемы оптимизации. В последнее время в этом направлении был достигнут значительный прогресс, но в настоящее время происходит важный сдвиг парадигмы.

2.4 Мембранные процессы в новой промышленной среде

В связи с прогнозируемым сокращением использования ископаемого топлива совершенно новый промышленный ландшафт станет реальностью в ближайшем будущем. Ожидается, что с точки зрения сырья возобновляемые источники энергии заменят ископаемые углеводороды (Agrawal and Mallapragada, 2010; Favre, 2020). Это сильно повлияет на тип процессов разделения, которые классически используются на нефтеперерабатывающих заводах, с преобладающей ролью дистилляции. Высокоэффективные мембранные материалы могут значительно повысить энергоэффективность процессов разделения (Sholl and Lively, 2016; Castel and Favre, 2018).

Для биоперерабатывающих заводов потребуются эффективные процессы разделения, достаточные для работы с водными разбавленными смесями, содержащими термочувствительные биомолекулы. Мембранные процессы, которые дают возможность разделять сложные смеси без подачи тепла и требуют электричества вместо тепловой движущей силы, считаются ключевой технологией для биоперерабатывающих заводов.

Более того, помимо классического решения, основанного на силе давления, может представлять интерес использование альтернативных движущих сил. Разница температур (например, при трансмембранной дистилляции или термопервапорации), операция продувки (которая в некоторых случаях может заменить вакуумную откачку) или более экзотические движущие силы, такие как свет (Gérardin et al. , 2021) или электрические поля (Wilcox, 2020). в основном отброшены до сих пор. Возможно, эти новые подходы в некоторых случаях пересматриваются в устойчивой промышленной структуре, особенно в интегрированной, энергоэффективной сети.

3 Обсуждение

Ожидается, что объединенная быстрая эволюция передовых наноструктурированных материалов, технологий производства модулей и инструментов технологического проектирования, обсуждавшихся в предыдущих разделах, приведет к значительным изменениям в производстве, месте и роли мембранных процессов в промышленности.

— Мембранные материалы нового поколения, в значительной степени основанные на неорганических монодисперсных структурах, вероятно, расширят область применения мембран благодаря улучшенным характеристикам разделения и/или новым применениям в условиях высоких температур или агрессивных сред. Однако для тщательной оценки этих новых перспектив абсолютно необходимо надежное сотрудничество между материаловедами и инженерами-технологами.

— Возможности, предлагаемые новыми технологиями производства материалов, особенно 3D-печатью, могут привести к прорыву в производстве мембранных модулей. Эта область исследований очень обширна, и необходимо решить множество проблем, связанных с развитием, но существует производственный инструмент с впечатляющими разработками в области материаловедения и технологических устройств.

— Помимо традиционной функции разделения, выполняемой мембранами на протяжении десятилетий, ожидается появление новых возможностей, когда мембраны одновременно выполняют несколько задач (фильтрация, катализ, поддержка и теплообмен) (Liu et al., 2016). ). Ожидается, что разработка биомиметических и чувствительных к раздражителям мембранных материалов (таких как самовосстанавливающиеся структуры) также приведет к новым применениям (di Vincenzo et al., 2021).

— Разработка современных инструментов типа искусственного интеллекта (нейронные сети, суррогатные модели, подходы к надстройке и генетические алгоритмы…) в области проектирования технологических систем позволяет сегодня очень быстро идентифицировать оптимальную мембрану, конструкцию процесса и условия эксплуатации (Castel et др. , 2020). Совместные улучшения алгоритмов оптимизации и вычислительных мощностей открывают путь для инновационных процессов, в которых может быть строго реализован дизайн многомембранных многоступенчатых процессов.

Кроме того, переход многих промышленных секторов от ископаемых к возобновляемым источникам сырья и энергии открывает многообещающие перспективы для применения мембран. Рациональное проектирование последующих процессов для биоперерабатывающих заводов, которые, как ожидается, постепенно заменят нефтеперерабатывающие заводы, работающие на ископаемом топливе, потребует разумного сочетания технологических блоков, ключевую роль в которых, несомненно, будут играть мембраны (Huang et al., 2008; Favre and Brunetti, 2022).

Различные аспекты, перечисленные в этом проспективном анализе, предварительно сведены в общую таблицу (дополнительный материал).

Заявление о доступности данных

Первоначальные материалы, представленные в исследовании, включены в статью/дополнительный материал. Дальнейшие запросы можно направлять соответствующему автору.

Вклад авторов

EF: Концепция и написание.

Конфликт интересов

Автор заявляет, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Примечание издателя

Все утверждения, изложенные в этой статье, принадлежат исключительно авторам и не обязательно представляют претензии их дочерних организаций или издателя, редакторов и рецензентов. Любой продукт, который может быть оценен в этой статье, или претензии, которые могут быть сделаны его производителем, не гарантируются и не поддерживаются издателем.

Дополнительный материал

Дополнительный материал к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fceng.2022.

4/full#supplementary-material

Ссылки

Агравал Р. и Маллапрагада Д. (2010). Химическая инженерия в устойчивом будущем, основанном на солнечной энергии. Айше Дж. 56 (11), 2762–2768. doi:10.1002/aic.12435

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Агравал, Р. (2001). Разделения: взгляд разработчика/дизайнера процессов. Айше Дж. 47 (5), 967–971. doi:10.1002/aic.6503

Полный текст CrossRef | Академия Google

Бейкер, Р. В., и Лоу, Б. Т. (2014). Материалы для газоразделительных мембран: перспектива. Макромолекулы 47, 6999–7013. doi:10.1021/ma501488s

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Бейкер, Р. В. (2004). Мембранная технология и применение . Чичестер, Нью-Йорк: Дж. Уайли.

Google Scholar

Бара, Дж. Э., Хокинс, К. И., Нойбергер, Д. Т., и Поппелл, С. В. (2013). 3D-печать для улавливания CO2 и проектирования в области химической инженерии. наноматер. Энергия 2 (5), 235–243. doi:10.1680/nme/13.00021

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Биглер Л. , Гроссманн И. и Вестерберг А. (1997). Систематические методы проектирования химических процессов . Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис-Холл.

Google Scholar

Бозорг М., Аддис В., Пиччалли А., Рамирес-Сантос К., Кастель И. и др. (2019). Полимерные мембранные материалы для производства азота из воздуха: исследование синтеза процесса. Хим. англ. науч. 207, 1196–1213. doi:10.1016/j.ces.2019.07.029

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Брэм М., Дорнзайффер Дж., Хоффманн Дж., Гестель Т., Меуленберг В. А. и Стевер Д. (2015). Струйная печать микропористых газоразделительных мембран из диоксида кремния. Дж. Ам. Керам. соц. 98 (8), 2388–2394. doi:10.1111/jace.13657

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Кастель, К., Бунасер, Р., и Фавр, Э. (2020). Разработка процессов мембранного газоразделения: состояние и перспективы. Дж. Мембр. науч. Рез. 6 (3), 295–303.

Google Scholar

Кастель, К. , и Фавр, Э. (2018). Мембранные разделения и энергоэффективность. J. Член. науч. 548, 345–357. doi:10.1016/j.memsci.2017.11.035

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Чоудхури, М. Р., Стеффес, Дж., Хьюи, Б. Д., и Маккатчен, Дж. Р. (2018). 3D-печатные полиамидные мембраны для опреснения. Наука 361, 682–686. doi:10.1126/science.aar2122

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Ди Винченцо М., Тираферри А., Мустеата В.-Э., Чиска С., Суграт Р., Хуанг Л.-Б. и др. (2021). Биомиметические мембраны искусственных водных каналов для усиленного опреснения. Нац. нанотехнологии. 16, 190. doi:10.1038/s41565-020-00796-x

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Фавр, Э. (2017). Полимерные мембраны для разделения газов. Комплексная мембранная наука и технология . Редакторы Э. Дриоли и Л. Джорно (Нью-Йорк: Elsevier), Vol. II, стр. 155–212.

Google Scholar

Фавр, Э. , и Брунетти, А. (2022). «Влияние мембранной инженерии на экономику замкнутого цикла», в Мембранная инженерия в экономике замкнутого цикла: Повышение стоимости возобновляемых источников энергии и переработка в агропродовольственной промышленности . 1-е издание (Elsevier), Vol. 1. глава 2. doi:10.1016/b978-0-323-85253-1.00013-7

CrossRef Full Text | Академия Google

Фавр, Э. (2020). Специальность Грандиозные задачи в процессах разделения. Фронт. хим. англ. 2, 1. doi:10.3389/fceng.2020.00001

CrossRef Full Text | Google Scholar

Гаскон, Дж., и Каптейн, Ф. (2010). Металлоорганические каркасные мембраны – высокий потенциал, светлое будущее? Анжю. хим. Междунар. Эд. 49, 15:30–15:32. doi:10.1002/anie.200₁

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Гейм А.К. (2009). Графен: состояние и перспективы. Наука 324, 1530–1534. doi:10.1126/science.1158877

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Жерарден Ф. , Клото А., Симар Дж. и Фавр Э. (2021). Фотоуправляемый энергосберегающий мембранный процесс для удаления следов летучих органических соединений из воздуха: первый шаг к разумному подходу. Хим. англ. J. 419. doi:10.1016/j.cej.2021.129566

CrossRef Full Text | Google Scholar

Хуанг Х. Дж., Рамасвами С., Чирнер У. В. и Рамарао Б. В. (2008). Обзор технологий разделения на существующих и будущих биоперерабатывающих заводах. сент. Очищение. Технол. 62, 1–21. doi:10.1016/j.seppur.2007.12.011

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Хван С. Т. и Каммермейер К. (1975). Мембраны в сепарациях . Уайли.

Google Scholar

Каран С., Цзян З. и Ливингстон А. В. (2015). Полиамидные нанопленки размером менее 10 нм со сверхбыстрым переносом растворителя для молекулярного разделения. Наука 348, 6241–1347. doi:10.1126/science.aaa5058

Полный текст CrossRef | Академия Google

Кинг, CJ (1980). Процессы разделения . 2-е изд. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл.

Google Scholar

Кох, Д.-Ю., МакКул, Б.А., Декман, Х.В., и Лайвли, Р.П. (2016). Обратноосмотическая молекулярная дифференциация органических жидкостей с использованием мембран углеродных молекулярных сит. Наука 353, 804–807. doi:10.1126/science.aaf1343

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Корос, В. Дж. (2001). «Третья волна. J. Член. науч. 187 (1–2), 1. doi:10.1016/s0376-7388(01)00425-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Корос, В. Дж., и Чжан, К. (2017). Материалы для молекулярно-селективных синтетических мембран следующего поколения. Нац. Матер 16, 289–297. doi:10.1038/nmat4805

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Liu, Z., Wang, W., Xie, R., Ju, X.J., and Chu, L.Y. (2016). Мембраны Smart Gating, реагирующие на стимулы. Хим. соц. 45, 460. doi:10.1039/c5cs00692a

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Нгуен Д. Т., Хорнбостель К., Муриальдо М. Р., Йе К., Смит В., Бейкер С. и др. (2019). 3D-печатные полимерные композиты для улавливания CO2. Промышленный инж. хим. Рез. 58 (48), 22015–22020. doi:10.1021/acs.iecr.9b04375

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Nunes, S.P., Culfaz-Emecen, P.Z., Ramon, G.Z., Visser, T., Koops, G.H., Jin, W., et al. (2020). Думая о будущем мембран: перспективы передовых и новых мембранных материалов и производственных процессов. Дж. Мембр. науч. 598, 117761. doi:10.1016/j.memsci.2019.117761

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Парк Х. Б., Камцев Дж., Робсон Л. М., Элимелех М. и Фримен Б. Д. (2017). Максимизация правильного материала: компромисс между проницаемостью мембраны и селективностью. Science 356, 1137. doi:10.1126/science.aab0530

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Прасад Р., Шанер Р. Л. и Доши К. Дж. (1994). «Сравнение мембран с другими технологиями газоразделения», в Полимерные газоразделительные мембраны . Редакторы Д.Р. Пол и Ю.П. Ямпольский (Бока-Ратон, Флорида: CRC Press), 531–614.

Google Scholar

Робсон, Л. М. (2008). Вернемся к верхней границе. J. Член. науч. 320, 390.

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шеннон, М. А., Бон, П. В., Элимелех, М., Георгиадис, Дж. Г., Мариньяс, Б. Дж., и Майес, А. М. (2008). Наука и технологии для очистки воды в ближайшие десятилетия. Природа 452, 301–310. doi:10.1038/nature06599

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Шолл, Д. С., и Лайвли, Р. П. (2016). Семь химических разделений, которые изменят мир. Природа 532, 435–437. doi:10.1038/532435a

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Скулидас А.И., Акерман Д.М., Джонсон Дж.К. и Шолл Д.С. (2002). Быстрый транспорт газов в углеродных нанотрубках. Физ. Преподобный Летт. 89, 185901. doi:10.1103/physrevlett.89.185901

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Ван Кампен, Дж. , Бун, Дж., и ван Синт Анналанд, М. (2021). Синтез метанола и диметилового эфира с улучшенным разделением. Дж. Матер. хим. А 9, 14627–14629. doi:10.1039/D1TA03405G

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Уилкокс, Дж. (2020). Электросвинговый подход. Нац. Энергия 5, 121–122. doi:10.1038/s41560-020-0554-4

CrossRef Full Text | Академия Google

Янг, Дж. М., Ким, Д., Кумар, П., Ли, П. С., Рангнекар, Н., Бай, П., и др. (2017). Ультраселективные высокопоточные мембраны из нанолистов прямого синтеза цеолита. Nature 543, 690.

PubMed Abstract | Google Scholar

Мембранная фильтрация: выбор правильного типа фильтра

Совместимость фильтрующих материалов, как правило, упускается из виду при обычной фильтрации проб. Исследователи часто могут выбирать фильтровальную бумагу или устройства, исходя из удобства, и пересматривать свое решение только в случае сбоя или устранения неполадок с неожиданным результатом.

Существует широкий выбор доступных материалов для фильтрующих мембран, включая стекло или натуральные и синтетические полимеры, каждый из которых обладает уникальными свойствами, делающими их совместимыми практически с любым образцом.

Понимание этих свойств и использование превентивного, а не реактивного подхода к фильтрации и совместимости мембраны с образцом может минимизировать время, затрачиваемое на поиск и устранение неисправностей, и максимально повысить эффективность фильтрации.

Различия между гидрофильными мембранами и гидрофобными мембранами

Гидрофобная мембрана, такая как политетрафторэтилен (ПТФЭ), будет сопротивляться любому водному образцу, создавая противодавление. Хотя иногда можно преодолеть это противодавление дополнительным усилием, существует риск разрыва мембраны и неполной фильтрации.

Если альтернативы нет, предварительное смачивание мембраны спиртом может уменьшить этот эффект противодавления.

ПТФЭ и другие гидрофобные материалы хорошо подходят для органических образцов и растворителей, что не приводит к сопротивлению или обратному давлению. Однако некоторые органические растворители могут впитываться в материал мембраны, особенно при длительном контакте.

Это поглощение приводит к набуханию материала, уменьшению размера пор и снижению эффективности фильтра. Некоторые растворители могут также химически воздействовать на материал, высвобождая экстрагируемые вещества в фильтрат. В редких случаях растворитель может частично или полностью растворить мембрану, что приведет к прорыву и возможному загрязнению образца.

Водные образцы вряд ли могут повредить большинство мембранных материалов, особенно гидрофильных. Однако рН является важным фактором в определении совместимости с мембраной.

Сильнокислотные или щелочные растворители не могут сразу повредить мембрану, но могут оказать влияние с течением времени. Таким образом, только высокоинертные мембраны, такие как ПТФЭ, подходят для образцов с высоким и низким pH.

Глубинная фильтрация

С точки зрения удержания частиц фильтры делятся на две категории: поверхностные фильтры и глубинные фильтры. Поверхностные фильтры, обычно называемые мембранами, задерживают частицы исключительно на верхней поверхности. Эти фильтры хорошо подходят для проб с низким содержанием твердых частиц. Однако высокое содержание твердых частиц приводит к быстрому засорению поверхности фильтра.

Проталкивание образца с высоким содержанием твердых частиц через поверхностный фильтр, такой как полиэстер с травлением, может привести к нарастанию противодавления и возможному прорыву с достаточной силой. Глубинные фильтры, с другой стороны, хорошо подходят для приложений с высоким содержанием твердых частиц, улавливая частицы в своей волокнистой матрице.

Асимметричные глубинные фильтры, изготовленные из таких материалов, как полиэфирсульфон (ПЭС), имеют открытую матричную структуру в верхней части и более мелкую матричную структуру в нижней части. Этот градиент пористости изначально улавливает крупные частицы и действует как предварительный фильтр для более плотного материала под ним, поддерживая поток.

Для трудно фильтруемых образцов с высоким содержанием твердых частиц, таких как образцы почвы, фильтры с нетканой матрицей обеспечивают мощную тонкую фильтрацию. Например, нетканый полипропилен (NWPP) обеспечивает долговечность и высокую способность выдерживать твердые частицы.

Эти нетканые матрицы обычно представляют собой толстые прокладки со слоистой структурой для минимизации засорения. Другие варианты материалов для фильтров с нетканой матрицей включают стекловолокно и целлюлозу.

Связывающие белки и экстрагируемые образцы

Помимо сопротивления и засорения, совместимость мембраны с образцом влияет на состав фильтрата. Несовместимость здесь может привести к тому, что растворенные вещества пробы неожиданно задерживаются фильтром (связывание с белками) или нежелательные растворенные вещества высвобождаются в пробу (экстрагируемые вещества) из материала фильтра или корпуса.

Некоторые гидрофильные материалы, такие как нейлон (NYL) и нитрат целлюлозы (CN), обладают высокой способностью связывать белок. Это свойство делает их непригодными для извлечения и анализа белков, где их использование может привести к противоречивым или неожиданным результатам.

Однако регенерированная целлюлоза (RC) и ацетат целлюлозы (CA) практически не связывают белок, что делает их хорошо подходящими для фильтрации растворов, содержащих белок. RC также имеет широкую совместимость с растворителями. Вместе с ПТФЭ RC является полезной универсальной опцией, которую нужно иметь под рукой.

Экстрагируемые вещества являются частым признаком несовместимости мембраны и образца и влияют на чувствительные последующие аналитические методы, такие как сверхвысокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) и высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ). ПТФЭ, поливинилидендифторид (ПВДФ) и RC совместимы с широким спектром растворителей, обычно используемых в ВЭЖХ, но при этом содержат мало экстрагируемых веществ.

Мы составили таблицы совместимости, в которых указана устойчивость материалов к обычным растворителям, что делает их полезными для быстрой справки. Выбор фильтрующего материала на основе совместимости сводит к минимуму вероятность таких проблем, как медленная или неэффективная фильтрация или загрязнение образца экстрагируемыми веществами, и максимально повышает эффективность фильтрации.

За консультацией по свойствам и совместимости фильтрующих материалов обращайтесь в службу поддержки Cytiva. В качестве альтернативы используйте селектор фильтров Whatman, чтобы определить подходящий фильтрующий материал для вашего применения. Нажмите, чтобы связаться с представителем Cytiva или заказать пробный визит.

Выбор правильной мембраны » Membrane Specialists LLC

Дэвид Пирсон, специалист по мембранам, LLC

Когда инженерам-технологам необходимо разделить, осветлить или фракционировать технологические потоки — и когда им требуется надежная и воспроизводимая производительность — системы мембранной фильтрации чаще становятся их первым выбором.

На самом базовом уровне мембранная фильтрация включает разделение одного потока на два потока, один из которых более концентрированный, чем другой, путем использования давления для селективного прохождения материала через полупроницаемый физический барьер — мембрану. Затем отдельные потоки могут либо пройти дальнейшую обработку, либо, в случае потока отходов, быть отведены к соответствующему выходу.

Обладая способностью отделять твердые частицы от растворенных частиц и отделять сами растворенные частицы, мембранную систему можно использовать для получения более концентрированного или очищенного конечного продукта. При правильном выборе мембраны процесс фильтрации может изолировать растворенные вещества определенных размеров, позволяя другим растворенным компонентам проникать через мембрану.

Одним из основных решающих факторов при выборе подходящей мембраны является характер технологической жидкости. Знание содержания растворенных твердых веществ, молекулярной массы растворенных частиц, а также природы и загрузки любого взвешенного материала поможет инженеру правильно выбрать мембрану и ее геометрию. pH и температура поступающего технологического потока также являются важными факторами при принятии окончательного решения.

Фильтрация для всех молекулярных масс

Спектр мембранной фильтрации начинается на самом низком молекулярном уровне с обратным осмосом (RO), процессом, обеспечивающим самую тонкую степень разделения. Больше растворенных частиц будет проходить через мембрану по мере того, как вы проходите диапазон фильтрации от обезвоживания или очистки воды с помощью очень «плотного» обратного осмоса до нанофильтрации, ультрафильтрации и, наконец, микрофильтрации, которая по существу представляет собой отделение субмикронных частиц от растворенного материала. Между их, эти процессы могут разделять частицы, которые отличаются по размеру от нескольких ангстрем до нескольких микрон. Различные уровни мембранной фильтрации требуют внутреннего давления в диапазоне от 1000 фунтов на квадратный дюйм (70 бар) в системах высокого давления до менее 15 фунтов на квадратный дюйм (1 бар) в устройствах микрофильтрации низкого давления.

Спектр мембранной фильтрации варьируется от обратного осмоса (RO), обеспечивающего тончайшую степень разделения, до нанофильтрации, ультрафильтрации и, наконец, микрофильтрации, которая отделяет субмикронные частицы от растворенного материала.

RO использует плотную мембрану, которая удерживает почти все растворенные вещества, включая сахара и соли. Давление в этой системе должно превышать естественное осмотическое давление растворенной воды или другого растворителя через полупроницаемую мембрану. Системы обратного осмоса особенно полезны для концентрирования низкоконцентрированных фруктовых соков, чая, кофе и растворов сахара, и эта технология также часто используется для концентрирования потоков сточных вод, таких как фильтрат из полигонов.

Нанофильтрация, следующий уровень фильтрации, ликвидирует разрыв между обратноосмотическим осмосом и ультрафильтрацией. Его часто используют для обессоливания жидких красителей или концентрирования антибиотиков. Ультрафильтрация используется в широком спектре промышленных применений, поскольку ее универсальный характер позволяет разделять такие разнообразные потоки, как потоки сточных вод красильных цехов и целлюлозно-бумажных комбинатов, концентрирование белка в молочной промышленности и осветление сока. Его также можно использовать в качестве предварительной обработки, чтобы избежать загрязнения колонн смолы твердыми частицами 9. 0003

Верхний предел диапазона размеров частиц требует микрофильтрации. Здесь керамические и полимерные мембраны часто используются для обеспечения широкого диапазона размеров пор для обработки жидкостей в пищевой, фармацевтической и химической промышленности, а также для разделения сточных вод.

Конфигурации мембран и материалы

Технология мембранной фильтрации развивалась как в плане упаковки мембран, так и в отношении типа используемого мембранного материала. Результатом является широкий диапазон конфигураций модулей и геометрий мембран, подходящих для различных применений. Мембраны обычно поставляются в виде трубчатых, спиральных, плоских или полых волокон с другими более современными новыми конфигурациями, которые вызывают вибрацию или используют вращающиеся лопасти для увеличения скорости фильтрации за счет уменьшения эффектов поляризации поверхностной концентрации мембраны (эти новые подходы не всегда экономичны). Однако).

Конфигурации мембран (слева направо): спирально-навитые, полимерные трубчатые, керамические трубчатые и полые волокна.

Трубчатые мембраны, например, имеют ряд преимуществ. Они могут работать с вязкими жидкостями с высоким содержанием взвешенных частиц и могут подвергаться химической или механической очистке. Трубчатые полимерные мембраны обычно размещают в модулях из нержавеющей стали или пластика.

Спиральные мембраны, как следует из названия, состоят из плотно упакованного фильтрующего материала, зажатого между сетчатыми прокладками и обернутого в трубку малого диаметра. Такая высокая плотность упаковки означает, что в данной фильтрующей установке площадь поверхности значительно больше, чем может быть обеспечена трубчатыми мембранами. Однако, если в технологическом потоке присутствуют взвешенные твердые частицы, спиральные мембраны требуют тщательной предварительной фильтрации, чтобы избежать блокировки и засорения. Развитие размеров и конструкций сетчатых прокладок помогает увеличить число областей применения, для которых подходят спирали.

Мембраны Hollow Fiber также плотно упакованы и состоят из экструдированных волокон с небольшой полой частью. Фильтрация может происходить изнутри волокна наружу или в обратном направлении снаружи волокна внутрь, что позволяет осуществлять цикл обратной промывки. Хотя полые волокна более устойчивы к мелким частицам, чем спиральные, они также часто требуют предварительной фильтрации, если в исходном материале присутствуют более крупные частицы или волокна. Большинство половолоконных мембран нельзя использовать при давлении выше 30 фунтов на кв. дюйм (2 бар) без разрушения.

Мембранные материалы обычно имеют полимерную или керамическую основу. Полимерные спиральные мембраны обычно используются, когда требуется высокая пропускная способность, в то время как полимерные трубчатые мембраны, которые часто поддаются механической очистке, больше подходят для операций с низким уровнем обслуживания, высоковязких продуктов или жидкостей с взвешенным веществом.

Неблагоприятные условия окружающей среды, высокое содержание растворителей, широкий диапазон pH и другие технологические факторы могут диктовать использование керамических мембран. Эта технология, обычно применяемая для ультрафильтрации и микрофильтрации, обычно использует покрытие из оксида алюминия или циркония, которое наносится на внутреннюю поверхность керамической подложки. Капитальные затраты на керамические мембраны намного выше, чем на обычные полимерные мембраны, но в некоторых случаях они являются единственным жизнеспособным предложением. Однако высокие первоначальные затраты компенсируются тем фактом, что керамические мембраны часто обеспечивают более длительный срок службы. Однако керамика не устойчива к истиранию, хотя полимеры могут быть стойкими.

Позвоните специалисту по номеру

Выбор правильной мембраны для каждого применения имеет жизненно важное значение, и фирмы, имеющие опыт мембранной фильтрации (например, Membrane Specialists), могут помочь инженерам принять правильное решение. Для многих применений эти компании могут предоставить блоки мембранной фильтрации в стандартной конструкции, требующие минимального тестирования. В других ситуациях инженерам-конструкторам может потребоваться всестороннее тестирование процесса на месте. В таких ситуациях такие специалисты, как Membrane Specialists, могут быть особенно полезны, потому что они накопили опыт и собственные знания для решения проблем фильтрации в самых разных отраслях промышленности и работают с потенциальными клиентами над проектированием и оптимизацией мембраны. фильтрационный раствор.

Прежде чем поручить специалисту определить подходящую мембранную систему для применения, важно провести предварительную финансовую оценку, чтобы понять, может ли установка такой фильтрационной установки быть жизнеспособным предложением. Соответственно, необходимо определить некоторые критерии проектирования, такие как:

• мощность завода;
• эксплуатационные расходы; и
• характер и требуемый состав «пермеата» (жидкая фракция, проходящая через мембрану) и «ретентата» (концентрированная фракция, удерживаемая мембраной).

Как правило, специалисты по мембранам помогают определить критерии проектирования, проводя короткие пилотные испытания на месте или в собственной лаборатории с использованием образца технологического потока, чтобы сузить выбор мембран.

Пилотные установки, подобные этой, позволяют инженерам оценивать различные мембраны и проводить реалистичные испытания мембранных загрязнений, скорости проникновения, перепада давления, уровней удерживания, эффективности режима очистки и качества конечного продукта.

Затем на заводе устанавливается испытательный стенд или экспериментальная установка. Это проверит эффективность выбранной мембранной системы в более крупном масштабе, используя до 161,45 футов ² (15 м2) общей площади мембраны. В начальных испытаниях важно собрать как можно больше полезных данных, потому что окончательные параметры дизайна будут основаны на этой информации. Также важно ответить на следующие вопросы: Будет ли система использоваться на периодической или непрерывной основе? На какое время установка может быть отключена для очистки? Каковы основные критерии оценки успеха? Эти первоначальные испытания обычно длятся 2–3 недели, но могут занять и больше времени, если состав или объем технологической жидкости со временем меняются. Хорошо продуманная процедура тестирования сэкономит время и силы в дальнейшем.

С помощью испытательного стенда инженеры могут проводить реалистичные измерения, включая степень загрязнения мембраны, скорость проникновения («поток»), перепад давления, уровни удерживания при увеличении концентрации, эффективность режима очистки и качество конечного продукта. На основе этих данных разрабатывается окончательный проект системы. В случаях, когда стандартная мембрана не подходит для рассматриваемого применения, может потребоваться новая конфигурация мембранной системы. Также на этом экспериментальном этапе инженеры-конструкторы Membrane Specialists могут оценить вероятный срок службы мембраны, и это можно принять во внимание при рассмотрении общих затрат на срок службы системы.

Membrane Specialists LLC применяет беспристрастный подход к выбору мембраны для поперечного потока, обеспечивая действительно независимое решение, идеально подходящее для каждого применения. Membrane Specialists предлагает полный спектр геометрий мембран, включая спирально-навитые, половолоконные, а также керамические и полимерные трубчатые мембраны.