І.А. Буртна

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

ВДОСКОНАЛЕННЯ СПОСОБУ ОДЕРЖАННЯ ДИФУЗІЙНИХ МЕМБРАН

Метод відноситься до хімічної промисловості, хімії органічного синтезу і може бути використаний для виготовлення полімерних мембран, зокрема, дифузійних. Дифузійні мембрани використовують переважно для розділення сумішей рідин шляхом випаровування крізь мембрану (первапорація). Крізь дифузійні мембрани розчинник та розчинені речовини (або компоненти суміші) вибірково дифундують (проникають) під дією градієнта концентрацій (молекулярна дифузія) і випаровуються з протилежної поверхні мембрани. Швидкість дифузії і, відповідно, продуктивність технологічного процесу визначається переважно фізико-хімічними властивостями матеріалу мембрани, оброблюваного середовища, зокрема, розмірами і формою молекул, їх молекулярною масою тощо. Дифузійні мембрани раціонально використовувати для розділення компонентів, які мають практично однакові властивості, але з різною формою і масою молекул, наприклад, суміші компонентів з близькими температурами кипіння (спирти, газові конденсати, прямогонні бензини тощо). Оскільки швидкість дифузії підвищується при послабленні зв'язку між молекулами полімерного ланцюга матеріалу мембрани, сировиною для виготовлення дифузійних мембран бажано вибирати ліофільні матеріали, зокрема полімери, одержані реакціями поліконденсації. Асортимент таких полімерів достатній, а спосіб одержання дозволяє забезпечувати їх різні технологічні властивості в широкому діапазоні умов його здійснення, розширюється діапазон застосування мембран.

Поставлена задача вирішується тим, що за способом одержання дифузійних мембран, який включає підготовку сировини, формування, витримку в хімічних речовинах, промивання і просушування мембрани, відповідно до винаходу, мембрану додатково піддають обробленню, що складається з нагрівання, витримування і охолодження, при цьому температуру нагрівання встановлюють не більше 70°С, а кратність оброблення не менше трьох і послідовно витримують в триетиламіні, 0,3...0,8%-ному розчині гідрокарбонату натрію та 1 ...1,5%-ному розчині пероксиду гідрогену, температуру яких підтримують не менше 40°С, а промивання і просушування здійснюють гарячим повітрям при температурі не менше 60°С після кожного витримування.

Відміною запропонованого способу одержання дифузійних мембран від відомих способів є певні технологічні особливості, пов'язані з вибором хімічних реагентів, в яких витримують мембрани, та послідовністю їх використання. Зокрема, дію триетиламіну на матеріал мембрани можна пов'язати зі здатністю розчиняти окремі компоненти матеріалу, завдяки чому змінюється структура дифузійної мембрани. Як виявив структурний аналіз матеріалу мембрани за допомогою електронного мікроскопа, проведений авторами, внаслідок витримування в триетиламіні, в об'ємі мембрани утворюються комірки. Вони розділені ультратонкими перегородками, саме крізь які відбуваються масообміні процеси при розділенні компонентів оброблюваних речовин. Подальше оброблювання мембран у 0,3...0,8%-ному розчині гідрокарбонату натрію та 1...1,5%-ному розчині пероксиду гідрогену, температуру яких підтримують не менше 40°С, дозволяє підвищити енергію активації радикалів полімерного ланцюга матеріалу мембрани, підвищити їх реакційну здатність для дифузійних процесів. Швидкість дифузії, як відомо, залежить не лише від властивостей матеріалу мембрани і оброблюваної речовини, але від енергії активації при взаємодії молекул, що переносяться крізь мембрану, з молекулами матеріалу мембрани. Фіксації утвореної структури мембрани сприяє також промивання водою та її просушування гарячим повітрям після кожного витримування в зазначених розчинах хімічних речовин. Запропоновані хімічні речовини і послідовність їх використання, а також умови здійснення способу (кратність оброблення, робочі температури тощо) досліджені авторами експериментальне. Встановлено, що саме за таких умов досягається найбільш оптимальна селективність мембран і швидкість процесу молекулярної дифузії в широкому діапазоні властивостей оброблюваних технологічних середовищ.

Ефективність реалізації запропонованого способу одержання дифузійних мембран ілюструється прикладами використання мембран при обробленні модельних розчинів хімічних речовин з різними хімічними властивостями. Температуру процесу первапорації підтримували 30±3°С, тривалість - 2 год. Для порівняння наведено також приклади оброблення зазначених технологічних середовищ за аналогічних умов за допомогою мембран, виготовлених за відомим способом

Зформували трубчасту дифузійну мембрану з товщиною стінки 0,6мм, яку нагрівали до температури 70°С, витримували протягом 20 хв і охолоджували до 20±2°С. Зазначений цикл проводили тричі. В подальшому мембрану послідовно витримували в триетиламіні, в 2,5%-ному розчині гідрокарбонату натрію і 1,5%-му розчині пероксиду гідрогену по 30 хв в кожному. Температуру середовищ підтримували 40°С. Після кожного витримування мембрану промивали водою і просушували гарячим повітрям при температурі 65...70°С протягом 20 хв.

За способом-прототипом з підготовленої сировини (полісульфона) зформували трубчасту дифузійну мембрану з товщиною стінки 0,6 мм, яку витримували в ізометиловому спирті при температурі 40°С протягом 30 хв і промивали водою. Просушування мембрани здійснювали гарячим повітрям при температурі 65..70°С протягом 20 хв.

Аналіз технологічних середовищ здійснювали хроматографічне з попереднім концентруванням за допомогою хроматографа "НемІей-РаскагсІ" (модель 5890) з полуменево-іонізаційним детектором та інтегратором. Для розділення компонентів використовували капілярну колонку, температуру середовища вибирали в діапазоні 30...220°С з програмуванням 5°С/хв. Кількісний аналіз проводили методом абсолютного калібрування. Одержані результати наведено в таблиці.

Назва компонентів суміші	Мембрана, виготовлена запропонованим способом		Мембрана, виготовлена за відомим способом
	Вміст сполук у модельному середовищі, мас.%
	До оброблення	Після оброблення	До оброблення	Після оброблення
Ацетон	20	0,1	20	5
Фенол *	1	0,02	1	1
Метиленхлорид	40	0,1	40	3
Триетиламін	4	0,05	4	0,5
Вода	35	99,73	35	91,5
Хлорбензол	60	0,2	60	10
Діметилсульфоксид	20	0,1	20	3
Вода	20	99,7	20	87
Етиловий спирт	92	95,5	92	90
Сивушні речовини	1	0,01	1	0,8
Альдегіди	1	0,01	1	0,8
Кетони	1	0,01	1	0,8
Вода	5	4,47	5	7,6
Широка фракція легко-киплячих вуглеводнів	80	0,3	80	80
Машинне мастило	20	99,7	20	20

Як свідчать порівняльні результати, наведені в таблиці, дифузійні мембрани, одержані за способом, що пропонується, мають суттєві переваги перед дифузійними мембранами, одержаними за відомими раніше способами. Зокрема, вони ефективні при розділенні різних за фізико-хімічними властивостями сполук, які мають різну будову і молекулярну масу, дозволяють більш повно вилучати компоненти з оброблюваних середовищ, що свідчить про високу ефективність молекулярної дифузії. Це, в свою чергу, характеризує їх високу продуктивність.