Мембраны из сшитого полидецилметилсилоксана для выделения летучих органических соединений: Влияние количества сшивающего агента

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Мембранная рекуперация паров летучих органических соединений (ЛОС) – перспективный разделительный процесс как с точки зрения снижения экологической нагрузки производств, так и с точки зрения ресурсосбережения. Для задачи выделения ЛОС из газовых сред традиционно применяют мембраны на основе силоксановых каучуков. В данной работе рассмотрены мембраны на основе высокоселективного полидецилметилсилоксана (С10) и впервые изучено влияние степени его сшивки (путем варьирования соотношения 1-децен/1,7-октадиен (ОД)) на транспортные и разделительные свойства. Определено влияние степени сшивки на сорбционные свойства С10. На основании данных спектроскопической эллипсометрии определены параметры взаимодействия Флори – Хаггинса (χ0, χ1), константы Генри (S0) и коэффициент набухания тонкой пленки сшитого С10 в насыщенных парах ЛОС (н-октан, изооктан, толуол, бутилацетат). Наибольшие значения сорбции наблюдаются для изооктана, что коррелирует с данными, полученными ранее для полидиметилсилоксанов. Обнаружено, что прямой корреляции сорбционных свойств С10 и переноса паров ЛОС через мембраны на основе С10 нет. Наиболее подходящим параметром для предсказания изменения коэффициентов проницаемости паров ЛОС в исследуемом ряду сшитых С10 оказался параметр взаимодействия χ1 – параметр, определяющий изменение растворимости с ростом концентрации сорбата. При разделении бинарной смеси ЛОС/N2 проницаемость и селективность уменьшаются с ростом степени сшивки, что особенно характерно для изооктана и связано с уменьшением свободного объема полимерной сетки. Наименьшее (4–12%) относительное изменение проницаемости азота (изменение коэффициента проницаемости при переходе от индивидуальных газов к парогазовой смеси) демонстрировали С10 с меньшей степенью сшивки, что может быть связано с изменением структуры мембраны при высокой концентрации ОД.

Об авторах

П. О. Токарев

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Email: tokarevpo@ips.ac.ru
Ленинский пр., 29, Москва, 119991, Россия

С. Е. Соколов

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Ленинский пр., 29, Москва, 119991, Россия

В. К. Грудковская

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Ленинский пр., 29, Москва, 119991, Россия

А. А. Козлова

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Ленинский пр., 29, Москва, 119991, Россия

М. Г. Шалыгин

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Ленинский пр., 29, Москва, 119991, Россия

Е. А. Грушевенко

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Ленинский пр., 29, Москва, 119991, Россия

Список литературы

  1. Официальный сайт Росприроднадзора. Статистические отчеты по охране атмосферного воздуха. URL: https://rpn.gov.ru/open-service/analytic-data/statistic-reports/air-protect/
  2. Zheng H., Zhang Y., Liu L., Wang Y., Liu Y., Li J. Compositions, sources and health risks of ambient volatile organic compounds (VOCs) at a petrochemical industrial park along the Yangtze River // Science of the Total Environment. 2020. V. 703. P. 135505.
  3. Новицкий Э.Г., Токарев П.О., Матвеева Ю.И., Волков В.В., Грушевенко Е.А. Улавливание и рекуперация паров легколетучих органических соединений мембранными методами // Мембраны и мембранные технологии. 2024. Т. 14. № 4. С. 249–262.
  4. Petrusová Z., Uchytil P., Setničková K., Řezníčková J. Separation of organic compounds from gaseous mixtures by vapor permeation // Separation and Purification Technology. 2019. V. 217. P. 95–107.
  5. Alqaheem Y., Alomair A., Vinoba M., Pérez A. Polymeric gas-separation membranes for petroleum refining // International Journal of Polymer Science. 2017. V. 2017. P. 4250927.
  6. Zhou H., Zhang Y., Zhang X., Liu Y., Qu J. Microporous polyamide membranes for molecular sieving of nitrogen from volatile organic compounds // Angewandte Chemie International Edition. 2017. V. 56. № 21. P. 5755–5759.
  7. Shen B., Zhang Y., Liu Y., Qu J. Relation between permeate pressure and operational parameters in VOC/nitrogen separation by a PDMS composite membrane // Separation and Purification Technology. 2022. V. 280. P. 119974.
  8. Lin D., Ding Z., Liu L., Ma R. Experimental study of vapor permeation of C5–C7 alkane through PDMS membrane // Chemical Engineering Research and Design. 2012. V. 90. № 11. P. 2023–2033.
  9. Zhmakin V.V., Teplyakov V.V. The evaluation of the C1–C4 hydrocarbon permeability parameters in the thin film composite membranes // Separation and Purification Technology. 2017. V. 186. P. 145–155.
  10. Khan F.I., Ghoshal A.K. Removal of volatile organic compounds from polluted air // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2000. V. 13. № 6. P. 527–545.
  11. Sohn W.I., Ryu D.H., Oh S.J., Koo J.K. A study on the development of composite membranes for the separation of organic vapors // Journal of Membrane Science. 2000. V. 175. № 2. P. 163–170.
  12. Gales L., Mendes A., Costa C. Removal of acetone, ethyl acetate and ethanol vapors from air using a hollow fiber PDMS membrane module // Journal of Membrane Science. 2002. V. 197. № 1–2. P. 211–222.
  13. Lue S.J., Chen W.W., Wang S.F. Vapor permeation of toluene, m-xylene, and methanol vapors on poly(dimethylsiloxane) membranes // Separation Science and Technology. 2009. V. 44. № 14. P. 3412–3434.
  14. Yeom C.K., Lee S.H., Song H.Y., Lee J.M. Vapor permeations of a series of VOCs/N2 mixtures through PDMS membrane // Journal of Membrane Science. 2002. V. 198. № 1. P. 129–143.
  15. Jirsakova K., Setnickova K., Uchytil P. Organic vapour permeation in amorphous and semi-crystalline rubbery membranes: Experimental data versus prediction by solubility parameters // Journal of Membrane Science. 2021. V. 627. P. 119211.
  16. Raharjo R.D., Freeman B.D., Paul D.R., Sarti G.C., Sanders E.S. Pure and mixed gas CH4 and n-C4H10 permeability and diffusivity in poly(dimethylsiloxane) // Journal of Membrane Science. 2007. V. 306. № 1–2. P. 75–92.
  17. Stern S.A., Shah V.M., Hardy B.J. Structure-permeability relationships in silicone polymers // Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 1987. V. 25. № 6. P. 1263–1298.
  18. Lue S.J., Chen W.W., Wang S.F. Vapor permeation of toluene, m-xylene, and methanol vapors on poly(dimethylsiloxane) membranes // Separation Science and Technology. 2009. V. 44. № 14. P. 3412–3434.
  19. Berean K., Ou J.Z., Nour M., Latham K., McSweeney C., Paull D., Halim A., Kentish S., Doherty C.M., Hill A.J., Kalantar-zadeh K. The effect of crosslinking temperature on the permeability of PDMS membranes: Evidence of extraordinary CO2 and CH4 gas permeation // Separation and Purification Technology. 2014. V. 122. P. 96–104.
  20. Rao H.X., Liu F.N., Zhang Z.Y. Preparation and Oxygen/Nitrogen Permeability of PDMS Crosslinked Membrane and PDMS/Tetraethoxysilicone Hybrid Membrane // Journal of Membrane Science. 2007. V. 303. P. 1–2.
  21. Zhan X., Li J., Huang J., Chen C. Enhanced pervaporation performance of multi-layer PDMS/PVDF composite membrane for ethanol recovery from aqueous solution // Applied Microbiology and Biotechnology. 2010. V. 160. P. 632–642.
  22. Gu J., Bai Y., Zhang L., Deng L., Zhang C., Sun Y., Chen H. VTOS cross-linked PDMS membranes for recovery of ethanol from aqueous solution by pervaporation // International Journal of Polymer Science. 2013. V. 2013. P. 529474.
  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 // Separation and Purification Technology. 2020. V. 241. 116696.
  24. Borisov I.L., Grushevenko E.A., Volkov A.V. Effect of Crosslinking Agent Length on the Transport Properties of Polydecylmethylsiloxane-Based Membranes // Membranes and Membrane Technologies. 2020. V. 2. № 5. P. 318–324.
  25. Grushevenko E., Rokhmanka T., Sokolov S., Basko A., Borisov I., Pochivalov K., Volkov A. Influence of Type of Cross-Linking Agent on Structure and Transport Properties of Polydecylmethylsiloxane // Polymers. 2023. V. 15. № 22. P. 4436.
  26. Борисов И.Л., Грушевенко Е.А., Волков А.В., Волков В.В. Способ получения композиционной мембраны и композиционная мембрана, полученная этим способом. Патент РФ № 2652228 от 25.04.2018 г. Бюл. № 12.
  27. Yushkin A., Grekhov A., Matson S., Bermeshev M., Khotimsky V., Finkelstein E., Budd P.M., Volkov V., Vlugt T.J.H., Volkov A. Study of Glassy Polymers Fractional Accessible Volume (FAV) by Extended Method of Hydrostatic Weighing: Effect of Porous Structure on Liquid Transport // Reactive and Functional Polymers. 2015. V. 86. P. 1–10.
  28. Bokobza L. Some New Developments in Rubber Reinforcement // Composite Interfaces. 2006. V. 13. P. 1–20.
  29. Flory P.J. Statistical Mechanics of Swelling of Network Structures // The Journal of Chemical Physics. 1950. V. 18. P. 108–118.
  30. Ogieglo W., Wormeester H., Wessling M., Benes N.E. In situ ellipsometry studies on swelling of thin polymer films: A review // Progress in Polymer Science. 2015. V. 42. P. 42–78.
  31. Sirard S.M., Green P.F., Johnston K.P. Spectroscopic ellipsometry investigation of the swelling of poly(dimethylsiloxane) thin films with high pressure carbon dioxide // The Journal of Physical Chemistry B. 2001. V. 105. № 4. P. 766–772.
  32. Sokolov S.E., Smirnova S., Rokhmanka T.S., Grushevenko E.A. Determination of the Sorption Capacity and Swelling of Poly(n-Decyl Methyl Siloxane) in the Atmosphere of Hydrocarbons by the Ellipsometry Method // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2024. V. 97. № 6. P. 1618–1627.
  33. Ogieglo W., Wormeester H., Wessling M., Benes N.E. How do organic vapors swell ultrathin films of polymer of intrinsic microporosity PIM-1? // The Journal of Physical Chemistry B. 2017. V. 121. № 29. P. 7210–7220.
  34. Kappert E.J., Ogieglo W., Benes N.E. Swelling of 9 polymers commonly employed for solvent-resistant nanofiltration membranes: A comprehensive dataset // Journal of Membrane Science. 2019. V. 569. P. 177–199.
  35. Fujiwara H. Spectroscopic Ellipsometry: Principles and Applications. Wiley, 2007. 83 p.
  36. Ржанов А.В. (ред.). Эллипсометрия – метод исследования поверхности. Наука, Сиб. отд-ние, 1983.
  37. Jin L., Kasuga S., Kondoh E. General window correction method for ellipsometry measurements // Optics Express. 2014. V. 22. № 23. P. 27811–27820.
  38. McCrackin F.L. Analyses and corrections of instrumental errors in ellipsometry // Journal of the Optical Society of America. 1970. V. 60. № 1. P. 57–63.
  39. Johs B.D., Herzinger C.M., Dinan J.H., Cornfeld A., Benson J.D. Recent developments in spectroscopic ellipsometry for in-situ applications // Optical Metrology Roadmap for the Semiconductor, Optical, and Data Storage Industries II. 2001. V. 4449. P. 41–57.
  40. McCrackin F.L. Analyses and corrections of instrumental errors in ellipsometry // Journal of the Optical Society of America. 1970. V. 60. № 1. P. 57–63.
  41. Elbs H., Krausch G. Ellipsometric determination of Flory – Huggins interaction parameters in solution // Polymer. 2004. V. 45. № 23. P. 7935–7942.
  42. Sirard S.M., Green P.F., Johnston K.P. Spectroscopic ellipsometry investigation of the swelling of poly(dimethylsiloxane) thin films with high pressure carbon dioxide // The Journal of Physical Chemistry B. 2001. V. 105. № 4. P. 766–772.
  43. Де Векки Д.А., Скворцов Н.К. Каталитическое гидросилилирование в силоксановых системах // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2009. Т. 32. № 6. С. 13-29.
  44. Li Y., Zhang X., Wang H., Liu Y. A molecular-dynamics-based model for the rate-and crosslink-density-dependent deformation of silicone rubber // Computational Materials Science. 2024. V. 231. P. 112609.
  45. Liu M., Seeger A., Guo R. Cross-linked polymer membranes for energy-efficient gas separation: innovations and perspectives // Macromolecules. 2023. V. 56. № 18. P. 7230–7246.
  46. Mark J.E. Physical Properties of Polymers Handbook. 2nd ed. New York: Springer, 2007. 1073 p. ISBN 978-0-387-69002-5
  47. 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 // Materials Today Chemistry. 2021. V. 22. P. 100598.
  48. Rim P.B., Nelson C.J., Mark J.E. Rheological and thermal properties of poly(methylalkylsiloxane) // Macromolecules. 1987. V. 20. № 1. P. 208–211.
  49. Kim B.G., Lee J.H., Kim S.Y., Lee S.H. Polysiloxanes containing alkyl side groups: synthesis and mesomorphic behavior // Macromolecular Research. 2008. V. 16. P. 36–44.
  50. Favre E., Schaetzel P., Nguygen Q.T., Clement R., Neel J. Sorption, diffusion and vapor permeation of various penetrants through dense poly(dimethylsiloxane) membranes: a transport analysis // Journal of Membrane Science. 1994. V. 92. № 2. P. 169–184.
  51. Chandak M.V., Lin Y.S., Ji W., Higgins R.J. Sorption and diffusion of volatile organic compounds in polydimethylsiloxane membranes // Journal of Applied Polymer Science. 1998. V. 67. № 1. P. 165–175.
  52. Zhen H., Jang S., Teo W.K. Sorption studies of volatile organic compounds in a divinyl-terminated poly(dimethylsiloxane)–oligo polymer // Journal of Applied Polymer Science. 2004. V. 92. № 2. P. 920–927.
  53. Mahomed A., Hukins D.W., Kukureka S.N. Swelling of medical grade silicones in liquids and calculation of their cross-link densities // Medical Engineering & Physics. 2010. V. 32. № 4. P. 298–303.
  54. Favre E. Swelling of crosslinked polydimethylsiloxane networks by pure solvents: influence of temperature // European Polymer Journal. 1996. V. 32. № 10. P. 1183–1188.
  55. Mahomed A., Hukins D.W., Kukureka S.N. Swelling of medical grade silicones in liquids and calculation of their cross-link densities // Medical Engineering & Physics. 2010. V. 32. № 4. P. 298–303.
  56. Mogri Z., Paul D.R. Gas sorption and transport in poly(alkyl(meth)acrylate)s. II. Sorption and diffusion properties // Polymer. 2001. V. 42. № 18. P. 7781–7789.
  57. Kamiya Y., Naito Y., Terada K., Mizoguchi K., Tsuboi A. Volumetric properties and interaction parameters of dissolved gases in poly(dimethylsiloxane) and polyethylene // Macromolecules. 2000. V. 33. № 8. P. 3111–3119.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025

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».