Кіріспе

Газ қоспаларын полиамид, целлюлоза ацетаты сияқты полимерлерден немесе керамикалық материалдардан жасалған синтетикалық мембраналар арқылы тиімді бөлуге болады. Бұл шектеу диоксид көміртегін (CO2) түтін газдарынан бөлу үшін полимерлік мембраналарды қолдануға әсер етеді, себебі массалық тасымалдау шектеледі және төмен өтімділікке байланысты CO2-ні бөлу өте қымбатқа түседі. Мембраналық материалдардың қолданылу аясы кремний диоксидіне, цеолиттерге, металл-органикалық құрылымдарға және перовскиттерге дейін кеңейді, олардың жоғары жылулық және химиялық тұрақтылығымен қатар, өте өзгертілуге және функционалдық қасиеттерге бейімділігі (тонталдығы) бар, бұл өтімділікті және селективтілікті арттырады. Мембраналар газ қоспаларын бөлу үшін қолданылады, олар әртүрлі қосылыстардың әртүрлі жылдамдықпен немесе мүлдем қозғалмайтын өткізгіш кедергі ретінде қызмет етеді. Мембраналар нанокеуекті, полимерлік және т.б. болуы мүмкін, ал газ молекулалары олардың мөлшеріне, диффузиялық қабілетіне немесе ерігіштігіне сәйкес еніп өтеді.

Түтін газдар ағынында көміртегін ұстауға арналған мембраналық материалдар

Мембрананың материалы оның қажетті өнімділік сипаттамаларын қамтамасыз ету қабілеті үшін маңызды рөл атқарады. Жоғары өткізгіштігі және жеткілікті таңдау қабілеті бар мембрана болуы тиімді, сонымен қатар мембрананың қасиеттерін жүйе жұмыс жағдайларына (мысалы, қысым мен газ құрамы) сәйкес келтіру де маңызды. Синтетикалық мембраналар полиэтилен, полиамидтер, полиимидтер, целлюлоза ацетаты, полисульфон және полидиметилсилоксан сияқты әртүрлі полимерлерден жасалады.

Полимерлі мембраналар

Полимерлі мембраналар – күйдіргі газбен шығатын CO2-ны ұстау үшін жиі қолданылатын нұсқа, себебі технология мұнай-химия саласы сияқты түрлі салаларда жетілді. Идеал полимерлік мембрана жоғары таңдау қабілетіне де, өткізгіштікке де ие. Полимерлік мембраналар – ерітінділік диффузия механизмімен жұмыс істейтін жүйелердің мысалы. Мембранада газдың ерітілуіне (ерігіштік) және молекулалардың бір қуыстан екіншісіне қозғалуына (диффузия) мүмкіндік беретін тесіктер бар деп есептеледі. Зерттеушілер Робсон шегін бұзу үшін екі тәсіл қолданады: біріншісі – шыны тәрізді полимерлерді пайдалану, олардың фазалық өтуі мен механикалық қасиеттерінің өзгеруі материалдың молекулаларды сіңіріп алып, жоғарғы шектен асып түсетінін көрсетеді. Робсон шегінің шекарасын кеңейтудің екінші тәсілі – жеңілдетілген тасымалдау әдісі. Бұрын айтқанымыздай, полимерлердің ерігіштігі көбінесе тұрақты болады, бірақ жеңілдетілген тасымалдау әдісі химиялық реакция арқылы бір компоненттің өткізгіштігін арттырады, ал таңдау қабілетін өзгертеді.

Нанопорозды мембраналар

Нанопорозды мембраналар полимерлік мембраналардан химиялық құрамымен ерекшеленеді және түрлі себептерге байланысты Робсон шегінен асып түседі. Нанопорозды мембрананың схемалық кескіні – қуыстар мен терезелері бар мембрана құрылымының шағын бөлігін көрсетеді. Ақ бөлік молекуланың қозғала алатын аймағын, ал көк түсті көлеңкеленген аймақтар – құрылымның қабырғаларын білдіреді. Мұндай мембраналарды жасау кезінде, қуыстың (Lcy x Lcz) және терезе аймағының (Lwy x Lwz) мөлшерін қажетті өткізгіштікке жету үшін өзгертуге болады. Мембрананың өткізгіштігі – адсорбция мен диффузияның көбейтіндісі болып табылады. Төмен жүктеме жағдайында адсорбцияны Генри коэффициенті арқылы есептеуге болады. Бұрын кремнийлі мембраналар техникалық өндіріс масштабы мен құнына байланысты қолдануға қолайлы емес еді (оларды үлкен көлемде экономикалық тұрғыдан өндіру өте қиын болды), бірақ қазір қуыс полимерлік тіректе кремнийлі мембраналарды өндірудің қарапайым әдісі көрсетілді. Бұл көрсетулер экономикалық материалдар мен әдістердің CO2 және N2 газдарын тиімді бөлуге мүмкіндік беретінін дәлелдейді. Реттелген мезопорозды кремнийлі мембраналар CO2-ні оңай бөлуге мүмкіндік беретін беттік модификацияға жоғары бейімділік танытады. Аминдермен бетін функционалдау CO2 ағыны кезінде карбаматтардың қайтымды түзілуіне әкеледі, бұл CO2-нің таңдамалылығын едәуір арттырады. Жалпы алғанда, CO2 ең жоғары адсорбциялық энергияға ие, себебі оның төртполюстік моменті ең үлкен, соның салдарынан зарядталған немесе полярлы цеолит тесіктеріне деген сәйкестігі артады. Төмен температурада цеолиттің адсорбциялық сыйымдылығы жоғары, ал адсорбцияланған CO2 молекулаларының жоғары концентрациясы басқа газдардың ағынын тоқтатады. Сондықтан төмен температурада CO2 цеолит тесіктері арқылы таңдамалы түрде өтеді. Соңғы зерттеулер CO2 таңдамалылығын арттыру үшін төмен температурадағы тоқтату құбылысын пайдаланатын жаңа цеолиттік мембраналарды әзірлеуге бағытталған. Зерттеушілер Y типіндегі (Si:Al>3) цеолиттік мембраналарды синтездеді, олар бөлме температурасында CO2/N2 және CO2/CH4 қоспалары үшін 100 және 21 бөліну коэффициенттерін қамтамасыз етеді. DDR және SAPO 34 типтегі мембраналар да әртүрлі қысымда және қоректік құрамда CO2 және CH4 газдарын бөлуде үміткерлік танытады. SAPO 34 мембраналары азотқа таңдамалы келіп, табиғи газды тазарту процесінде де перспективалы. Зерттеушілер сондай-ақ көмірсутектерден H2-ні бөлу үшін цеолиттік мембраналарды қолдануға тырысты. Сутегін C4H10 сияқты ірі көмірсутектерден жоғары таңдамалылықпен бөлуге болады. Бұл молекулалық ілгіштік эффектісіне байланысты, себебі цеолиттерде H2-ден әлдеқайда үлкен, бірақ осы ірі көмірсутектерден кіші тесіктер бар. CH4, C2H6 және C3H8 сияқты кіші көмірсутектер молекулалық ілгіштік арқылы бөлінбейтіндей кішкентай. Зерттеушілер жоғары температурада бөлу кезінде сутегінің жоғары таңдамалылығына қол жеткізді, бұл бәсекелестік адсорбция эффектісінің төмендеуімен байланысты болуы мүмкін.

Металл-органикалық қаңқалы (MOF) мембраналар

Цеолитті имидазолат каркастары (ZIF), металл-органикалық каркастардың (MOF) бір түрі, көмірқышқыл газын түтін газдарынан бөлуге пайдалы болуына мүмкіндік берген жаңа жетістіктерге қол жеткізді. MOF материалдарын мембрана ретінде қолданудың тиімділігін көрсету үшін кең ауқымды модельдеу жүргізілді. MOF материалдары адсорбцияға негізделген, сондықтан оларды қажетті селективтілікке ие етуге болады. MOF жүйелерінің кемшілігі – су және түтін газдары құрамында кездесетін басқа да қосылыстардағы тұрақсыздығы. ZIF 8 сияқты таңдалған материалдар су мен бензолда тұрақты екенін көрсетті, бұл заттар түтін газдары қоспаларында жиі кездеседі. ZIF 8 кеуекті алюминий тірегіне мембрана ретінде синтезделуі мүмкін және түтін газдарынан CO2-ні бөлуде өте тиімді екені дәлелденді. Y типіндегі цеолиттік мембраналармен салыстырылатын CO2/CH4 селективтілігіне ие ZIF 8 мембраналары бұрынғы стандарттан екі рет жоғары CO2 өткізгіштігіне қол жеткізеді.

Перовскит мембраналары

Перовскиттер – жақсы анықталған кубтық құрылымы және ABO3 деген жалпы формуласы бар қоспалы металл оксидтері, мұнда А – сілтілік жер немесе лантаноид элементі, ал В – өтпелі металл. Бұл материалдар металдық орындардың реттелу мүмкіндігі және жоғары температурадағы тұрақтылығының арқасында CO2-ні бөлу үшін тартымды. BaTiO3-пен сіңдірілген α-алюминийлі мембрана арқылы CO2 мен N2-нің бөлінуі зерттелді. CO2 мен материал арасындағы эндотермиялық өзара әрекеттесудің нәтижесінде CO2-нің адсорбциясы жоғары температурада тиімді екені анықталды, бұл CO2 адсорбциясы-десорбция жылдамдығын және беттік диффузияны арттыратын жылдам CO2-ні қозғалысқа келтіреді. 100 °C-тан 500 °C-қа дейінгі температурада CO2-ні N2-ге бөлудің эксперименталдық коэффициенті 1,1–1,2 құрады, бұл Кнудсен диффузиясымен болжанған 0,8 бөлу коэффициентінің шегінен жоғары. Мембранада байқалған тесіктердің салдарынан бөлу коэффициенті төмен болғанымен, бұл перовскит материалдарының CO2-ні бөлудегі таңдамалы беттік химиясының әлеуетін көрсетеді.

Басқа мембраналық технологиялар

Арнайы жағдайларда басқа материалдар қолданылуы мүмкін; мысалы, палладий мембраналары тек сутекті тасымалдауға рұқсат береді. Палладий мембраналарынан (әдетте, палладий-күміс қорытпалары, төмен температурада қорытпаның қатайып сынуын болдырмау үшін) басқа, бағалы емес металлдардан балама табуға қатысты маңызды зерттеулер де жүргізілуде. Мембрана бетіндегі алмасудың баяу жылдамдығы және мембраналардың бірнеше пайдалану циклынан кейін немесе салқындату кезінде жарылуы немесе бұзылуы әлі толық шешілмеген мәселелер болып табылады.

Ауаны бөлу

Оттегімен байытылған ауа химиялық және жану процестері сияқты медициналық және өнеркәсіптік қолданыстарда кеңінен қажетті. Криогендік айыру – жоғары тазалықтағы оттегі мен азотты көп көлемде өндіру үшін коммерциялық ауаны бөлудің толыққанды дамыған технологиясы. Дегенмен, бұл күрделі процесс, энергияны көп жұмсайды және көбінесе шағын масштабты өндіріс үшін қолайлы емес. Қысымды ауыстырып-қосқан адсорбция да ауаны бөлу үшін жиі қолданылады және орташа өндіріс деңгейінде жоғары тазалықтағы оттегін өндіре алады, бірақ ол әлі де көп орын, жоғары инвестиция және энергия тұтынуды талап етеді. Мембраналық газды бөлу әдісі – салыстырмалы түрде экологиялық зияндылығы аз және тұрақты процесс, үздіксіз өндіріс, қарапайым пайдалану, төмен қысым/температура талаптары және ықшам кеңістік сияқты артықшылықтарды ұсынады.

Мембраналармен CO2 жинаудың қазіргі жағдайы

Түтін газдары ағынынан көміртегіні алу үшін сіңіру немесе адсорбциялаудың орнына мембраналарды пайдалануға қатысты көптеген зерттеулер жүргізілді, бірақ мембраналарды қолданатын ағымдағы жобалар жоқ. Процесс инженерлерінің жұмысы және материалдар саласындағы жаңа жетістіктер мембраналардың бәсекелес технологиялармен салыстырғанда энергияны аз жұмсау және төмен шығындар тұрғысынан ең жоғары әлеуетке ие екенін көрсетті. Бір сатылы мембраналық операциялар бір селективтілік мәніне ие бір мембрананы қамтиды. Бір сатылы мембраналар алғаш рет табиғи газды тазартуда, CO2-ні метаннан бөлу үшін қолданылды. Мембраналық пропираттағы өнімнің жоғалуына қарсы күресу үшін инженерлер "каскадтық процестерді" пайдаланады, онда пропират қайта қысылады және жоғары селективті мембраналармен байланысады. Әдетте мембраналар бұрыннан бар процестерге енгізіледі, осылайша оларды бұрыннан бар көміртегіні жинау жүйелеріне қайта орнатуға болады. MTR, Membrane Technology and Research Inc., және UT Austin CO2-ні жинау үшін сіңіру және мембраналарды қолданатын гибридтік процестерді жасау үшін жұмыс істеді. Біріншіден, пиперазин еріткіш ретінде қолданылатын сіңіру бағанасы түтін газдарындағы көмірқышқыл газдың шамамен жартысын сіңіреді, содан кейін мембрананы қолдану 90% көміртегіні жинауға мүмкіндік береді. Мембраналық және сіңіру процестерінің параллельдік орналасуы да бар. Әдетте, бұл процестер ең тиімді болады, егер көмірқышқыл газдың ең жоғары концентрациясы аминмен сіңіру бағанасына түссе. Гибридтік жобалау процестерін енгізу арқылы фоссилді отынмен жұмыс істейтін электр станцияларын қайта жабдықтауға болады. Мысалы, сутегі мен көмірқышқыл газын алдымен криогендік газды бөлу арқылы бөлуге болады, онда көмірқышқыл газдың көп бөлігі алдымен шығарылады, содан кейін қалған көмірқышқыл газын бөлу үшін мембраналық процестер қолданылады, одан кейін ол криогендік бөлудің қосымша әрекеттері үшін қайта өңделеді. Жақында жүргізілген зерттеулер көрсеткендей, мембраналарды пайдаланатын көп сатылы CO2 жинау/бөлу процестері аминге негізделген сіңіру сияқты ескі және кең таралған технологиялармен экономикалық жағынан бәсекелесе алады. Орташа 600 МВт көмірмен жұмыс істейтін электр стансасында аминге негізделген сіңіруді пайдалану арқылы CO2-ні жинау құны шамамен 40–100 АҚШ доллары/тонна CO2 құрайды, ал қазіргі мембраналық технологияны пайдалану арқылы CO2-ні жинау құны (қазіргі процестерді жобалау схемаларын қоса алғанда) шамамен 23 АҚШ доллары/тонна CO2-ге бағаланады. Сонымен қатар, 600 МВт-тық көмірмен жұмыс істейтін электр стансасында аминге негізделген сіңіру процесін жүргізу үшін электр стансасы өндіретін энергияның шамамен 30% қажет, ал мембраналық процесті жүргізу үшін өндірілген энергияның шамамен 16% жұмсалады. CO2 тасымалдау (мысалы, геологиялық жинақтау орындарына немесе EOR үшін) құны CO2 тоннасына шамамен 2–5 долларға бағаланады. Бұл шығын мембраналық бөлу және сіңіру сияқты барлық типтегі CO2 жинау/бөлу процестері үшін бірдей. Доллармен тоннаға шаққанда ең арзан мембраналық процестер қазіргі уақытта зерттелген көп сатылы қарсы ағымды/ауысу процестері болып табылады.