Цеолитовая мембрана
Цеолитовая мембрана представляет собой синтетическую мембрану , изготовленную из кристаллических алюмосиликатных материалов, обычно алюминия , кремния и кислорода , с положительными противоионами, такими как Na. + и Ca 2+ внутри структуры. Цеолитовые мембраны служат низкоэнергетическим методом разделения. В последнее время они привлекли интерес благодаря своей высокой химической и термической стабильности. [ 1 ] и их высокая избирательность. В настоящее время цеолиты нашли применение в разделении газов , мембранных реакторах , опреснении воды и твердотельных батареях . [ 2 ] В настоящее время цеолитовые мембраны еще не получили широкого коммерческого внедрения из-за таких ключевых проблем, как низкий поток, высокая стоимость производства и дефекты кристаллической структуры.
Методы производства
[ редактировать ]Существует несколько методов формирования цеолитовых мембран.
Метод In Situ предполагает формирование цеолитовых мембран на микропористых носителях из различных материалов, обычно из оксида алюминия или нержавеющей стали. Затем эти опоры погружают в раствор алюминия и кремния в определенном стехиометрическом соотношении. Другие факторы этого раствора могут влиять на образование цеолитовой мембраны, включая: pH, ионную силу, температуру и добавление реагентов, определяющих структуру. При нагревании раствора на подложках начинают расти кристаллы мембраны.
В 2012 году был разработан «затравочный метод» производства цеолитовых мембран. В этом случае носитель перед погружением в раствор засевают предварительно сформированными кристаллами цеолита. Эти кристаллы позволяют формировать более тонкие мембраны, которые обычно содержат меньше дефектов, путем выращивания мембран из существующих структур. [ 3 ]
Характеристики
[ редактировать ]Цеолитовые мембраны вызвали первоначальный интерес как метод разделения из-за их высокой термической и химической стабильности. Кристаллическая структура цеолитовых мембран также создает однородный размер пор диаметром примерно 0,3–1,3 нм. Кристаллическая структура цеолитов также приводит к наличию ряда дефектов, которые часто могут создавать пробелы в структуре, большие, чем эти поры. Наличие дефектов может сделать эти мембраны гораздо менее эффективными, а производство цеолитовых мембран без дефектов затруднительно. [ 4 ]
Существует несколько механизмов транспорта, которые управляют разделением молекул цеолитными мембранами. Основными механизмами разделения цеолитовыми мембранами являются молекулярное просеивание, диффузия и адсорбция. Молекулярное просеивание предполагает отбраковку любых молекул, размер которых превышает размер пор мембраны. Это относительно простой процесс просеивания, позволяющий отделить очень большие молекулы. Адсорбция предполагает, что молекулы, проходящие через поры мембраны, адсорбируются на поверхности мембраны. Адсорбционные свойства мембран можно изменять, регулируя различные структурные свойства мембраны. [ 5 ]
Поверхностная диффузия — это процесс, при котором молекулы адсорбируются на стенках пор мембраны и медленно транспортируются через поры. Во время поверхностной диффузии молекулы, которые адсорбируются с более высокой скоростью, могут начать блокировать поры мембраны от других, менее адсорбированных молекул. Поверхностная диффузия может объяснить высокую селективность цеолитных мембран в отношении определенных молекул, таких как водород. [ 6 ] Поверхностная диффузия обычно играет большую роль в транспорте молекул при более низких температурах.
Диффузия Кнудсена также способствует различной селективности цеолитовых мембран по отношению к различным молекулам. Диффузия Кнудсена имеет место, когда молекулы на мгновение адсорбируются на стенках поры, а затем отражаются от поверхности в случайном направлении. Это случайное движение позволяет разделять молекулы в зависимости от их скоростей. Закон диффузии Грэма гласит, что более легкие молекулы будут иметь более высокую среднюю скорость, чем более тяжелые молекулы, что приводит к увеличению потока по сравнению с более легкими молекулами. Эти различия в потоке можно использовать для разделения различных молекул с помощью цеолитовых мембран. [ 3 ]
Приложения
[ редактировать ]Разделение газов
[ редактировать ]Цеолитовые мембраны оказались наиболее перспективными с точки зрения применения в разделении газов . Способность цеолитовых мембран адсорбировать на своей поверхности определенные молекулы в различных условиях позволяет исследователям выполнять высокоселективное разделение. Адсорбированные молекулы блокируют диффузионные поры и предотвращают диффузию других молекул через эти поры. Цеолиты обычно адсорбируют углекислый газ с максимальной скоростью, что позволяет использовать их для улавливания и отделения углекислого газа. Селективность диффузии определяет разделение молекул в цеолитовых мембранах при более высоких температурах. Селективность диффузии обеспечивает более быструю диффузию более мелких молекул через мембрану и более медленную диффузию крупных молекул через поры мембраны. [ 6 ]
В газовой промышленности были внедрены цеолитовые мембраны для разделения метана, углекислого газа и газообразных водорода. Цеолиты обеспечивают преимущество термической стабильности и более высокой селективности по сравнению с полимерными мембранами, которые обычно используются для этих целей. [ 7 ] Прежде чем они найдут широкое применение, необходимо усовершенствовать производство цеолитовых мембран, особенно в отношении стоимости.
Мембранные реакторы
[ редактировать ]Цеолитовые мембраны также используются в мембранных реакторах , поскольку их химическая и термическая стабильность позволяет им выдерживать условия реакции. Мембранные реакторы функционируют путем удаления продукта реакции по мере ее возникновения. Это удаление смещает равновесие реакции, позволяя образовывать больше продуктов, как указано в принципе Ле Шателье, создавая более эффективный процесс реакции. Высокая селективность цеолитовых мембран позволяет использовать их для удаления продуктов из реактора с высокими скоростями. [ 8 ]
Опреснение воды
[ редактировать ]Цеолитовые мембраны недавно изучались в качестве альтернативы энергоэффективному опреснению воды . В настоящее время опреснение воды в основном осуществляется с помощью фильтрации обратного осмоса , в которой для очистки воды используется плотная полимерная мембрана. Цеолитовые мембраны были протестированы как альтернативный метод очистки воды и способны отделять воду от примесей. Цеолиты не нашли применения для промышленного опреснения воды, прежде всего, из-за их высокой стоимости по сравнению с традиционными обратноосмотическими мембранами. [ 9 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Шеху, Хабиба; Окон, Эдидионг; Оракве, Ифейинва; Гобина, Эдвард (27 июня 2018 г.). Проектирование и оценка транспорта газа через цеолитовую мембрану на подложке из оксида алюминия . ИнтехОпен. ISBN 978-1-78923-343-8 .
- ^ Альджери, Катия; Дриоли, Энрико (01 декабря 2021 г.). «Цеолитовые мембраны: синтез и применение» . Технология разделения и очистки . 278 : 119295. doi : 10.1016/j.seppur.2021.119295 . ISSN 1383-5866 .
- ^ Перейти обратно: а б Бейкер, Ричард В. (2012). Мембранные технологии и их применение (3-е изд.). Чичестер, Западный Суссекс: Джон Вили и сыновья. ISBN 978-1-118-35971-6 . OCLC 785390224 .
- ^ Ю, Мяо; Благородный, Ричард; Фалконер, Джон (2 августа 2011 г.). «Цеолитовые мембраны: характеристика микроструктуры и механизмы проникновения» . Отчеты о химических исследованиях . 44 (11): 1196–1206. дои : 10.1021/ar200083e . ПМИД 21809809 . Проверено 19 апреля 2023 г.
- ^ Ваези, Мохаммед; Эльяси, Махди; Бейраг, Масуд; Бабалуо (июль 2019 г.). «Механизм транспорта и моделирование микропористых цеолитовых мембран» . Исследовательские ворота . Проверено 19 апреля 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б Косинов, Николай; Гаскон, Хорхе; Капитан, Урод; Хенсен, Эмиэль Дж. М. (01 февраля 2016 г.). «Последние разработки в области цеолитовых мембран для разделения газов» . Журнал мембранной науки . 499 : 65–79. дои : 10.1016/j.memsci.2015.10.049 . ISSN 0376-7388 .
- ^ Синаи Нобандегани, Моджтаба; Ю, Лян; Хедлунд, Йонас (15 октября 2022 г.). «Цеолитовый мембранный процесс промышленного разделения CO2/CH4» . Химико-технический журнал . 446 : 137223. doi : 10.1016/j.cej.2022.137223 . ISSN 1385-8947 .
- ^ Вентен, И.Г.; Хойруддин, К.; Мукти, Р.Р.; Рахма, В.; Ван, З.; Кави, С. (09 марта 2021 г.). «Цеолитовые мембранные реакторы: от приготовления до применения в гетерогенно-каталитических реакциях» . Реакционная химия и инженерия . 6 (3): 401–417. дои : 10.1039/D0RE00388C . ISSN 2058-9883 . S2CID 230566371 .
- ^ Фард, Ахмад; Маккей, Гордон; Букенхудт, Анита; Салати, Худа; Мотманс, Филип; Храйше, Марван; Атье, Муатаз (январь 2018 г.). «Неорганические мембраны: получение и применение для очистки и опреснения воды» . Материалы . 11 (1): 74. Бибкод : 2018Mate...11...74K . дои : 10.3390/ma11010074 . ПМЦ 5793572 . ПМИД 29304024 .