Cellulose-Kohlenstoff-Molekularsiebe zur Wasserstofftrennung

Die Wasserstoff (H2)-Produktion aus Erdgas gilt als eine der vielversprechendsten Technologien für kohlenstoffarme Energie in der Zukunft und zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen. Im Vergleich zu herkömmlichen H-Reinigungstechnologien haben membranbasierte Trenntechnologien aufgrund ihrer höheren Energieeffizienz und Umweltfreundlichkeit umfangreiche Aufmerksamkeit erhalten. Derzeit gebräuchliche H2- und CO2-Trennmembranen leiden jedoch in der Regel unter einer geringen Abscheideleistung, hohen Kosten und geringer Stabilität bei hohen Temperaturen und hohem Druck. Daher ist es immer noch eine Herausforderung, kommerziell rentable H2-Reinigungsmembranen herzustellen. Carbon-Molekularsieb-Membranen (CMS) werden durch kontrollierte Karbonisierung von Polymervorläufern bei hohen Temperaturen hergestellt und weisen starre Porenstrukturen auf. Wenn die CMS-Membran zu einer Hohlfaser verarbeitet wird, die für ein Membranmodul geeignet ist, wird erwartet, dass sie die Eigenschaften einer hohen Temperatur- und Druckbeständigkeit aufweist.
Cellulose hat starke interkettige und intrakettenförmige Wasserstoffbrückenbindungen, was sie in den meisten Lösungsmitteln schlecht löslich macht, wobei nur wenige Lösungsmittel wie N-Methylmorpholin-N-oxid (NMMO), ionische Flüssigkeiten und anorganische Salze ihr Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerk effektiv stören können. Die Gewinnung eines genauen Cellulose-/Lösungsmittel-/Nichtlösungsmittel-ternären Phasendiagramms ist jedoch aufgrund der enormen Viskosität dieses Systems immer noch eine Herausforderung.
Auf dieser Grundlage haben Xuezhong He et al. von der Norwegischen Technischen Universität Kohlenstoffhohlfasermembranen (CHFMs) durch Anpassung der Erstarrungstemperatur und der Endverkokungstemperatur des Zellulose/ionischen Flüssig/Wasser-Systems hergestellt und für die H2-Trennung verwendet.
Die Forscher bereiteten asymmetrische Zellulose-Hohlfaservorläufer durch einen trockenen und nassen Spinnprozess vor, tauschten sie dann mit Wasser aus, um das ursprüngliche Lösungsmittel EmimAc und DMSO zu entfernen, und erhielten schließlich die entsprechende mikroporöse Struktur durch Hochtemperaturkarbonisierung. Aus den REM-Bildern geht hervor, dass die asymmetrischen Strukturen der äußeren selektiven Schicht und der porösen inneren Stützschicht von etwa 3 μm bei Verwendung unterschiedlicher Karbonisierungstemperaturen noch erhalten bleiben. CHFM-550 bei der niedrigsten Karbonisierungstemperatur hat die niedrigste Härte und den niedrigsten Elastizitätsmodul. Mit der Erhöhung der Karbonisierungstemperatur steigen die Härte und der Elastizitätsmodul allmählich an. Die Zunahme der Härte und des Moduls kann auf die internen strukturellen Veränderungen zurückgeführt werden, die durch den Anstieg der Karbonisierungstemperatur verursacht werden. Gleichzeitig schwächten sich mit der Erhöhung der Karbonisierungstemperatur die Porenpeaks >5 Å ab, während die Porenpeaks Die bei höheren Karbonisierungstemperaturen hergestellten Membranen haben eine höhere H2/CO2-Selektivität, aber eine geringere H2-Permeabilität, was darauf hindeutet, dass die Gasdurchlässigkeit hauptsächlich durch den Bewegungsdurchmesser von Gasmolekülen, d.h. den Molekularsiebtransportmechanismus, bestimmt wird. Als das sp3/sp2-Verhältnis von 0,73 auf 0,36 sank, sank die H2-Permeabilität von 466,8 GPU auf 148,2 GPU, während die H2/CO2-Selektivität von 11,1 auf 83,9 stieg, was auch darauf hindeutete, dass die Gasabscheideleistung durch Anpassung der Kohlenstoffstruktur eingestellt werden kann. Aufgrund des gleichzeitigen Vorhandenseins von Molekularsieb und Oberflächendiffusionstransport von CO2-Molekülen ist die scheinbare Aktivierungsenergie von CO2 im Vergleich zu H2 relativ niedriger, was darauf hindeutet, dass die Temperatur einen größeren Einfluss auf die H2-Permeabilität hat, so dass die CO2-Adsorption bei höheren Temperaturen geringer ist Dies führt zu einer Erhöhung der H2 / CO2-Selektivität. Wenn die Membran 50 Tage lang der Laboratmosphäre ausgesetzt wurde, verringerten sich ihre H2-Permeabilität und H2 / CO2-Selektivität um etwa 40% bzw. 10%, und die Gaspermeabilität und Gaspermeabilität wurden nach Wärmebehandlung und Heliumspülung effektiv wiederhergestellt. Wahlfrei.
CHFM weist im Vergleich zu anderen Membranen eine ausgezeichnete H2/CO2-Selektivität und eine hohe H2-Permeabilität auf, von denen CHFM-850 die höchste Gesamtgasabscheideleistung mit einer idealen H2/CO2-Selektivität von 83,9 bei 130 °C aufweist und damit Nicht-Polymer-Folien übertrifft. Gleichzeitig beträgt die Selektivität von CHFM-850 bis H2/N2 >800 und die Selektivität von H2/CH4 >5700, was die Möglichkeit einer H2-Reinigung in einigen Prozessen bietet.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit ein asymmetrisches Cellulose-Hohlfasermaterial durch Spinnen von mikrokristalliner Cellulose und EmimAc erzeugte. Die erhaltenen Cellulose-Hohlfasern werden bei hoher Temperatur karbonisiert, um asymmetrische Hohlfasermembranen zu erhalten, deren mikroporöse Struktur ihnen hilft, H2 von anderen Gasen zu trennen.