Method of Liquid-Phase Fluorination of Polymers to Increase the Selectivity of the Air Separation

D. A. Syrtsova; Сырцова Д. А.; A. Yu. Alentiev; Алентьев А. Ю.; S. V. Chirkov; Чирков С. В.; D. A. Bezgin; Безгин Д. А.; R. Yu. Nikiforov; Никифоров Р. Ю.; I. A. Levin; Левин И. С.; N. A. Belov; Белов Н. А.

doi:10.31857/S2218117223010066

Метод жидкофазного фторирования полимеров как способ увеличения селективности разделения O₂/N₂

Авторы: Сырцова Д.А.¹, Алентьев А.Ю.¹, Чирков С.В.¹, Безгин Д.А.¹, Никифоров Р.Ю.¹, Левин И.С.¹, Белов Н.А.¹
Учреждения:
1. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН
Выпуск: Том 13, № 1 (2023)
Страницы: 42-55
Раздел: Статьи
URL: https://journals.rcsi.science/2218-1172/article/view/137990
DOI: https://doi.org/10.31857/S2218117223010066
EDN: https://elibrary.ru/HISSUE
ID: 137990

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

В работе проведена односторонняя модификация гомогенных полимерных пленок из поливинилтриметилсилана (ПВТМС), поли(2,6-диметилфениленоксида-1,4) (ПФО) и полибензодиоксана (PIM-1) методом жидкофазного фторирования фтор-азотной смесью в перфтордекалине. Время фторирования составляло от 10 до 60 мин. Для образцов ПФО методом рентгенофазового анализа показано, что исходные образцы включают, помимо аморфной, β-нанокристаллическую фазу (48%) и установлено, что фторирование не оказывает существенного влияния на степень кристалличности исследуемых пленок. Изучено влияние времени фторирования на эффективные коэффициенты проницаемости, диффузии и растворимости кислорода и азота. Установлено, что модификация приводит к снижению как эффективных коэффициентов диффузии, так и эффективных коэффициентов растворимости газов, при этом результирующий рост селективности проницаемости составил от 30% для ПВТМС до увеличения в 2 раза в случае ПФО и PIM-1. Установлено, что такое улучшение показателей по селективности проницаемости достигается преимущественно за счет увеличения селективности растворимости. Получены значения эффективных коэффициентов проницаемости газов для смеси O₂/N₂. Найдено, что достигнутые значения факторов разделения для модифицированных образцов близки к идеальной селективности пленок. Полученные результаты демонстрируют возможности эффективного применения данного метода не только для модификации гомогенных полимерных пленок исследуемых полимеров, но и мембран с селективным непористым слоем на их основе.

Ключевые слова

мембранное газоразделение, полимерные мембраны, жидкофазное фторирование, модификация мембран

Список литературы

Membrane technology and applications // Richard W. Baker. 3rd ed. 1. Membranes (Technology) 583 p.
Chong K.C., Lai O., Thiam S., Teoh C., Heng L. // J. Engineering Science and Technology. 2016. V. 11. № 7. P. 1016.
Thomas S., Pinnau I., Du N., Guiver M.D. // J. Membrane Science. 2009. V. 333(1–2). P. 125.
https://www.separel.com/en/about/.
https://www.generon.com/product_type/membrane-modules/.
https://www.parker.com/Literature/Hiross%20Zander %20Division/PDF%20Files/PIS/K3.1.333_Technology_ overview_membrane_modules_for_nitrogen_and_oxygen_systems_EN.pdf.
https://www.membrane-separation.com/en/nitrogen-generation-with-sepuran-n2/product-overview.
https://www.ube.com/contents/en/chemical/separation/n2_separator.html.
https://www.biogeneral.com/teflon-af/.
http://www.airproducts.ru/supply-modes/prism-membranes.
Pinnau I., Koros W.J. // J. Appl. Polym. Sci. 1991. V. 43. P. 1491.
Shishatskiy S., Nistor C., Popa M., Pereira Nunes S., Peinemann K.V. // Adv. Eng. Mater. 2006. V. 8. № 5. P. 390.
Zhang Y., Musselman I.H., Ferraris J.P., Balkus K.J., Jr. // J. Membrane. Sci. 2008. V. 313. P. 170.
Budd P.M., McKeown N.B., Ghanem B.S., Msayib K.J., Fritsch D., Starannikova L., Belov N., Sanfirova O., Yampolskii Y., Shantarovich V. // J. Membrane. Sci. 2008. V. 325. P. 851.
Lopez C., Wilkes G.L., Stricklen P.M., White S.A. // J. Macromolecular Science, Part C. 1992. P. 301.
Тепляков В.В., Дургарьян С.Г. // Высокомолекулярные соединения. 1984. Т. 26. № 7. С. 1498.
Wright T., Paul D.R. // J. Appl. Polym. Sci. 1998. V. 67. P. 875.
Polotskaya G.A., Agranova S.A., Gazdina N.V., Kuznetsov Yu.P., Nesterov V.V. // J. Appl. Polymer Science. 1996. V. 62. P. 2215.
Song K.W., Ka K.R., Kim C.K. // Industrial and Engineering Chemistry Research. 2010. V. 49. P. 6587.
Tong H., Hu C., Yang S., Ma Y., Guo H., Fan L. // Polymer. 2015. V. 69. P. 138.
Luo S., Liu Q., Zhang B., Wiegand J.R., Freeman B.D., Guo R. // J. Membrane Sci. 2015. V. 480. P. 20.
Sterescu D.M., Stamatialis D.F., Mendes E., Kruse J., Ra1tzke K., Faupel F., Wessling M. // Macromolecules. 2007. V. 40. P. 5400.
Singh-Ghosal A., Koros W.J. // J. Membrane Sci. 2000. V. 174. P. 177.
Pinnau I., Koros W.J. // Ind. Eng. Chem. Res. 1991. P. 30.
Niwa M., Kawakami H., Nagaoka S., Kanamori T., Shinbo T. // J. Membrane Sci. 2000. V. 17. P. 253.
Chung T.S., Teoh S.K., Hu X. // J. Membrane Sci. 1997. V. 133. P. 161.
Pesek S.C., Koros W.J. // J. Membrane Sci. 1993. V. 81. P. 71.
Ismail A.F., Dunkin I.R., Gallivan S.L., Shilton S.J. // Polymer. 1999. V. 40. P. 6499.
Zarshenas K., Raisi A., Aroujalian A. // RSC Adv. 2015. V. 5. P. 19760.
Lin X., Chen J., Xu J. // J. Membrane Sci. 1994. V. 90(1–2). P. 81.
Matsuyama H., Teramoto M., Hirai K. // J. Membrane Sci. 1995. V. 99(2). P. 139.
.Borisov S., Khotimskiy V.S., Rebrov A.I., Rykov S.V., Slovetskiy D.I., Pashunin Yu.M. // J. Membrane Sci. 1997. V. 125. P. 319.
Tressaud A., Durand E., Labrugère C., Kharitonov A.P., Kharitonova L.N. // J. Fluorine Chemistry. 2007. V. 128(4). P. 378.
Susanta B. Handbook of Specialty Fluorinated Polymers: Preparation, Properties, and Application // Elsevier Inc. 2015. 329 p.
Peyroux J., Duboi M., Tomasella E., Batisse N., Kharitonov A.P., Flahaut D., Romana L., Thomas F. // Surface & Coatings Technology. 2016. V. 292. P. 144.
Le Roux J.D., Paul D.R., Kampa J., Lagow R.J. // J. Membrane Science. 1994. V. 90(1–2). P. 21.
Kharitonov A.P., Kharitonova L.N. // Pure Appl. Chem. 2009. V. 81. № 3. P. 451.
Le Roux J.D., Paul D.R., Arendt M.F., Yuan Y., Cabasso I. // J. Membrane Sci. 1994. V. (1–2). P. 37.
Kharitonov A.P., Moskvin Yu.L., Teplyakov V.V., Le Roux J.D. // J. Fluorine Chemistry. 1999. V. 93. P. 129.
Langsam M. // Patent CA 1320804 C. 1993.
Le Roux J.D., Teplyakov V.V., Paul D.R. // J. Membrane Sci. 1994. V. 90. P. 55.
Langsam M., Anand M., Karwacki E.J. // Gas Separation and Purification. 1988. V. 2(4). P. 162.
Kharitonov P., Taege R., Ferrier G., Teplyakov V.V., Syrtsova D.A., Koops G.-H. // J. Fluorine Chem. 2005. V. 126(2). P. 251.
Сырцова Д.А. Автореферат диссертации на соискание степени к. х. н. 2001.
Srobel M., Corn S., Lyons C.S., Korba G.A. // J. Polym. Sci.: Part A: Polymer Chem. 1987. V. 25. P. 1295.
Das P.S., Adhikari B., Maiti S. // Macromleculare Chemie. 1991. V. 188. P. 27.
Blinov I.A., Mukhortov D.A., Yampolskii Yu.P., Belov N.A., Alentiev A.Yu., Chirkov S.V., Bondarenko G.N., Kostina Yu.V., Legkov S.A., Perepuchov A.M., Kambur M.P., Kambur P.S., Kapustin V.V., Vozniuk O.N., Kurapova E.S. // J. Fluorine Chemistry. 2020. V. 234. P. 109526.
Ma X., Li K., Zhu Zh., Dong H., Lv J., Wang Y., Pinnau I., Li J., Chen B., Han Y. // J. Mater. Chem. A. 2021. V. 9. P. 18 313.
Fuoco A., Satilmis B., Uyar T., Monteleone M., Esposito E., Muzzi C., Tocci E., Longo M., Santo M, Lanč M., Friess K, Vopička O., Izak P., Jansen J. // J. Membrane Sci. 2019. V. 594. P. 117460.
Belov N.A., Pashkevich D.S., Alentiev A.Y., Tressaud A. // Membranes. 2021. V. 11(9). P. 713.
Wojdyr M. // J. Appl. Crystallogr. 2010. V. 43(5). P. 1126.
Alentiev A.Yu., Levin I.S., Buzin M.I., Belov N.A., Nikiforov R.Yu., Chirkov S.V., Blagodatskikh I.V., Kechekyan A.S., Kechekyan P.A., Bekeshev V.G., Ryzhikh V.E., Yampolskii Yu.P // Polymer. 2021. V. 226. P. 123804.
Nagendra B., Cozzolino A., Daniel C., Rizzo P., Guerra G., De Rosa C., D’Alterio M., Tarallo O., Nuzzo A. // Macromolecules. 2019. V. 52. P. 9646.
Ruland W. // Acta Crystallographica. 1961. V. 14(11). P. 1180.
Безгин Д.А., Никифоров Р.Ю., Белов Н.А., Миленин С., Ямпольский Ю.П., Музафаров А.М. // Мембраны и мембранные технологии. 2021. V. 11. № 1. P. 3.
Sievert A.C., Tong W.R., Nappa M.J. // J. Fluorine Chemistry. 1991. V. 53(3). P. 397.
Белов Н.А., Блинов И.А., Суворов А.В., Никифоров Р.Ю., Чирков С.В., Алентьев А.Ю., Камбур М.П., Костина Ю.В., Левин И.С., Шапагин А.В., Ямпольский Ю.П. // Мембраны и мембранные технологии. 2021. Т. 11. № 2. С. 127.
Назаров В.Г. // Рос. хим. журн. 2006. Т. 50. С. 77.
Харитонов А.П. // Изв. Рос. Акад. наук. Энергетика. 2008. № 2. С. 149.
Peyroux J., Dubois M., Tomasella E., Petit E., Flahaut D. // Appl. Surf. Sci. 2014. V. 315. P. 426.
Starannikova L.E., Alentiev A.Yu., Nikiforov R.Yu., Ponomarev I.I., Blagodatskikh I.V., Nikolaev A.Yu., Shantarovich V.P., Yampolskii Yu.P. // Polymer. 2021. V. 212. P. 123 371.
Schultz J., Peinemann K.V. // J. Membrane Science. 1996. V. 110. № 1. P. 37.
Sridhar S., Veerapur R.S., Patil M.B., Gudasi K.B., Aminabhavi T.M. // J. Appl. Polymer Sci. 2007. V. 106. № 3. P. 1585.
Donohue M.D., Minhas B.S., Lee S.Y. // J. Membrane Sci. 1989. V. 42. № 3. P. 197.
Yeom C.K., Lee S.H., Lee J.M. // J. Appl. Polymer Science. 2000. V. 78. № 1. P. 179.
Falbo F., Tasselli F., Brunetti A., Drioli E., Barbieri G. // J. Chemical Engineering. 2014. V. 31. P. 4.
Robeson L.M. // J. Membrane. Sci. 2008. V. 320(1–2), 390.
Comesana-Gandara B., Chen J., Bezzu C.G., Carta M., Rose I., Ferrari M.-C., Esposito E., Fuoco A., Jansen J.C., McKeown N.B. // Energy Environ. Sci. 2019. V. 12. P. 2733.