Composite Polysiloxane Membranes with High Selecty and Permeability for Monomer Recovery from Propylene Polymerization Purge Gases

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The transport properties of composite membranes based on polyalkylsiloxanes POMS/MFFK, PDMS/MFFK and acommercial membrane MDK-3 have been studied for individual gases N2, CO2, He, C3H6 and for a mixture of C3H6/N2 with a concentration ratio of 20/80%. It has been found that the selectivity of the membranes increases with an increase in the proportion of hydrocarbon fragments in the polymer. It has been shown that due to swelling of the selective layer material, it is necessary to study the transport properties during the separation of gas mixtures. It has been found that composite membranes based on polydecylmethylsiloxane surpass the studied polymer membranes in C3H6/N2 selectivity when separating a gas mixture simulating the propylene polymerization blowdown gas. The selectivity of the PDMS/MFFK membrane in a mixture of propylene/nitrogen gases was 21. At the same time, the permeance of the PDMS/MFFK membrane for propylene is at a high level, reaching 550 GPU. This result indicates the potential for using composite membranes with a PDMS-based selective layer for the recovery of monomers from polymerization blowdown gases.

About the authors

I. L. Borisov

Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis, Russian Academy of Sciences

29 Leninskii Prospect, Moscow, 119991 Russia

E. A. Grushevenko

Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis, Russian Academy of Sciences

29 Leninskii Prospect, Moscow, 119991 Russia

T. N. Rokhmanka

Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis, Russian Academy of Sciences

29 Leninskii Prospect, Moscow, 119991 Russia

O. L. Grishkov

Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis, Russian Academy of Sciences

29 Leninskii Prospect, Moscow, 119991 Russia

T. S. Anokhina

Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis, Russian Academy of Sciences

Email: tsanokhina@ips.ac.ru
29 Leninskii Prospect, Moscow, 119991 Russia

References

  1. Baker R.W., Lokhandwala K. Natural gas processing with membranes: an overview // Ind. Eng. Chem. Res. 2008. V. 47. № 7. P. 2109–2121.
  2. BP energy outlook 2030. London, UK. 2011. Т. 34.
  3. Грушевенко Д.А. Прогноз развития энергетики мира и России: в фокусе нефтяной рынок / Серия “Библиотека Национального исследовательского института мировой экономики и международных отношений имени Е.М. Примакова”. С. 66
  4. Maddah H.A. Polypropylene as a promising plastic: A review // Am. J. Polym. Sci. 2016. V. 6. № 1. P. 1–11.
  5. Рынок полипропилена в России 2017–2024 гг. Цифры, тенденции, прогноз. URL: https://tk-solutions.ru/demo/mi_polipropilena.pdf (дата обращения: 06.03.2025).
  6. Okolie J.A. Insights on production mechanism and industrial applications of renewable propylene glycol // Iscience. 2022. P. 104903.
  7. Pasternak G., Ormeno-Cano N., Rutkowski P. Recycled waste polypropylene composite ceramic membranes for extended lifetime of microbial fuel cells // Chem. Eng. J. 2021. V. 425. P. 130707.
  8. Sattler J.J.H.B., et al. Catalytic dehydrogenation of light alkanes on metals and metal oxides // Chem. Rev. 2014. V. 114. № 20. P. 10613–10653.
  9. Сергеев И.М. История и современное состояние индустрии производства полипропилена в России // НефтеГазоХимия. 2022. № 3. С. 34–39.
  10. Meier G.B., Weickert G., Van Swaaij W.P.M. Gas-phase polymerization of propylene: reaction kinetics and molecular weight distribution // J. Polym. Sci. A: Polym. Chem. 2001. V. 39. № 4. P. 500–513.
  11. Samson J.J.C., et al. Liquid phase polymerization of propylene with a highly active catalyst // AIChE J. 1998. Т. 44. № 6. С. 1424–1437.
  12. Юнак С., Анфилов К.Л., Чериканова Е.А. Некоторые вопросы при утилизации полипропилена // Наука, образование, производство в решении экологических проблем (Экология-2022). 2022. С. 225–230.
  13. U.S. Environmental Protection Agency. URL: https://www.epa.gov/air-emissions-inventories/2017-national-emissions-inventory-nei-data (дата обращения: 12.03.2023).
  14. Какарека С.В. Сравнительный анализ подходов к регулированию выбросов летучих органических соединений // Природные ресурсы. 2019. № 1. С. 109–117.
  15. Finexpertiza: исследование загрязнения воздуха. URL: https://finexpertiza.ru/press-service/researches/2023/kol-zagr-vozd-uvelich/ (дата обращения: 06.03.2025).
  16. Охрана окружающей среды в России. 2022: Стат. cб. M.: Росстат, 2022. C. 115.
  17. Sridhar S., et al. Coiflets, artificial neural networks and predictive coding based hybrid image compression methodology // 2014 2nd Int. Conf. on Devices, Circuits and Systems (ICDCS). IEEE, 2014. P. 1–6.
  18. Arzhakova O.V., Arzhakov M.S., Badamshina E.R., Bryuzgina E.B., Bryuzgin E.V., Bystrova A.V., et al. Polymers for the future // Russ. Chem. Rev. 2022. V. 91. № 12. P. RCR5062.
  19. Da Conceicao M., Nemetz L., Rivero J., Hornbostel K., Lipscomb G. Gas SeparationMembrane Module Modeling: A Comprehensive Review // Membranes. 2023. V. 13. P. 639.
  20. Grushevenko E.A., Borisov I.L., Volkov A.V. High-Selectivity Polysiloxane Membranes for Gases and Liquids Separation (A Review) // Petrol. Chem. 2021. V. 61. P. 959–976.
  21. De Sitter K., et al. Silica filled poly (1-trimethylsilyl-1-propyne) nanocomposite membranes: relation between the transport of gases and structural characteristics // J. Membr. Sci. 2006. V. 278. № 1–2. P. 83–91.
  22. Grushevenko E., Chechenov I., Rokhmanka T., Anokhina T., Bazhenov S., Borisov I. Effect of Side Substituent on Comblike Polysiloxane Membrane Pervaporation Properties During Recovery of Alcohols C2-C4 from Water // Polymers. 2024. V. 16. P. 3530.
  23. Grushevenko E.A., Borisov I.L., Knyazeva A.A., Volkov V.V., Volkov A.V. Polyalkylmethylsiloxanes composite membranes for hydrocarbon/methane separation: Eight component mixed-gas permeation properties // Sep. Purif. Technol. 2020. V. 241. P. 116696.
  24. Meshkov I.B., Kalinina A.A., Gorodov V.V., Bakirov A.V., Krasheninnikov S.V., Chvalun S.N., Muzafarov A.M. New Principles of Polymer Composite Preparation. MQ Copolymers as an Active Molecular Filler for Polydimethylsiloxane Rubbers // Polymers. 2021. V. 13. P. 2848.
  25. Hua J., et al. Improved C3H6/C3H8 separation performance on ZIF-8 membranes through enhancing PDMS contact-dependent confinement effect // J. Membr. Sci. 2021. V. 636. P. 119613.
  26. Fang M., et al. ZIF-8/PDMS mixed matrix membranes for propane/nitrogen mixture separation: Experimental result and permeation model validation // J. Membr. Sci. 2015. V. 474. P. 103–113.
  27. Pan Y., et al. Constructing superhydrophobic ZIF-8 layer with bud-like surface morphology on PDMS composite membrane for highly efficient ethanol/water separation // J. Environ. Chem. Eng. 2021. V. 9. № 1. P. 104977.
  28. Lv M.-Y., et al. Blending ZIF-67 into PDMS membranes to promote the separation performance of propylene/nitrogen mixed gas // J. Phys.: Conf. Ser. IOP Publishing. 2022. V. 2383. № 1. P. 012115.
  29. Khan A., et al. ZIF-67 filled PDMS mixed matrix membranes for recovery of ethanol via pervaporation // Sep. Purif. Technol. 2018. V. 206. P. 50–58.
  30. Rychlewska K., Kujawski W., Konieczny K. Pervaporative performance of PEBA and PDMS based commer-
  31. cial membranes in thiophene removal from its binary mixtures with hydrocarbons // Fuel Processing Technology. 2017. V. 165. P. 9–18.
  32. Arregoitia-Sarabia C., et al. PEBA/PDMS Composite Multilayer Hollow Fiber Membranes for the Selective Separation of Butanol by Pervaporation // Membranes. 2022. V. 12. № 10. P. 1007.
  33. Cao X., Lee H.S., Feng X. Extraction of dissolved methane from aqueous solutions by membranes: Modelling and parametric studies // J. Membr. Sci. 2020. V. 596. P. 117594.
  34. Henis J.M.S., Mary T.K. Composite hollow fiber membranes for gas separation: the resistance model approach // J. Membr. Sci. 1981. V. 8. № 3. P. 233–246.
  35. Wu F., et al. Transport study of pure and mixed gases through PDMS membrane // Chem. Eng. J. 2006. V. 117. № 1. P. 51–59.
  36. Li P., Chen H.Z., Chung T.S. The effects of substrate characteristics and pre-wetting agents on PAN–PDMS composite hollow fiber membranes for CO2/N2 and O2/N2 separation // J. Membr. Sci. 2013. V. 434. P. 18–25.
  37. Lv M.-Y., et al. Promoted propylene/nitrogen separation by direct incorporating 2-methylimidazole into PDMS membranes // J. Membr. Sci. 2022. V. 661. P. 120902.
  38. Fang M., et al. A facile approach to construct hierarchical dense membranes via polydopamine for enhanced propylene/nitrogen separation // J. Membr. Sci. 2016. V. 499. P. 290–300.
  39. Grushevenko E.A., Borisov I.L., Bakhtin D.S., Bondarenko G.N., Levin I.S., Volkov A.V. Silicone rubbers with alkyl side groups for C3+ hydrocarbon separation // React. Funct. Polym 2019. V. 134. P. 156–165.
  40. Borisov I.L., Grushevenko E.A., Anokhina T.S., Bakhtin D.S., Levin I.S., Bondarenko G.N., Volkov V.V., Volkov A.V. Influence of side chains assembly on the structure and transport properties of comb-like polysiloxanes in hydrocarbon separation // Mater. Today Chem. 2021. V. 22. P. 100598.
  41. Matveev D.N., Borisov I.L., Grushevenko E.A., Vasilevsky V.P., Anokhina T.S., Volkov V.V. Hollow fiber PSF fine porous supports with ultrahigh permeance for composite membrane fabrication: Novel inert bore liquid (IBL) spinning technique // Sep. Purif. Technol. 2024. V. 330. Pt. B. P. 125363.
  42. Fang M., Zhang H., Chen J., Wang T., Liu J., Li X., Li J., Cao X. A facile approach to construct hierarchical dense membranes via polydopamine for enhanced propylene/nitrogen separation // J. Membr. Sci. 2016. V. 499. P. 290–300.
  43. Merkel T.C., Bondar V.I., Nagai K., Freeman B.D., Pinnau I. Gas sorption, diffusion, and permeation in poly(dimethylsiloxane) // J. Polym. Sci. B: Polym. Phys. 2000. V. 38. P. 415–434.
  44. Yu L., Grahn M., Ye P., Hedlund J. Ultra-thin MFI membranes for olefin/nitrogen separation // J. Membr. Sci. 2017. V. 524. P. 428–435.
  45. Kim H., Kim H., Kim S., Kim S.S. PDMS-silica composite membranes with silane coupling for propylene separation // J. Membr. Sci. 2009. V. 344. P. 211.
  46. Fang M., Wu C., Yang Z., Wang T., Xia Y., Li J. ZIF-8/PDMS mixed matrix membranes for propane/nitrogen mixture separation: experimental result and permeation model validation // J. Membr. Sci. 2015. V. 474. P. 103–113.
  47. Giannakopoulos I.G., Nikolakis V. Recovery of hydrocarbons from mixtures containing C3H6, C3H8 and N2 using NaX membranes // J. Membr. Sci. 2007. V. 305. P. 332–337.
  48. Liu L., Chakma A., Feng X. Propylene separation from nitrogen by poly(ether block amide) composite membranes // J. Membr. Sci. 2006. V. 279. № 1–2. P. 645–654.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».