Regenerasi Solusi Alkanolamine dalam Berbasis Kontaktor Membran di Novel Polynorbornene

Regenerasi Solusi Alkanolamine dalam Berbasis Kontaktor Membran di Novel Polynorbornene

2 HASIL DAN PEMBAHASAN 

2.1 Permeabilitas Gas 

Tahap pertama dari pekerjaan ini difokuskan pada studi tentang karakteristik transportasi gas membran PBTMST (N2, O2 dan CO2) pada tekanan tinggi hingga 40 bar dan pada suhu kamar (23±2 C); NS hasil penelitian ini tercantum dalam Tabel 2. Dapat disimpulkan bahwa, dibandingkan dengan semua bahan polimer yang dikenal, polimer kaca yang dipilih dicirikan oleh tinggi koefisien permeabilitas. Untuk menggambarkan hal ini CO2 koefisien permeabilitas Poli[DiMetilSiloksan] (PDMS), Poli[VinylTriMethylSilane] (PVTMS) dan Poli[PhenyleneOxide] (PPO), yang secara tradisional digunakan sebagai lapisan padat dalam membran untuk membran kontaktor, tampaknya jauh lebih rendah: 3 230, 190, dan 57 Penghalang, masing-masing. Karakteristik transportasi gas yang tinggi dari polimer yang dipilih dapat dikaitkan dengan fraksi volume bebas, yang sama dengan hampir 19% untuk PBTMST (Tab. 3). 

2.2 Resistansi Termal 

Dalam industri, regenerasi penyerap kimia membutuhkan: tempat pada suhu 100 C atau lebih tinggi. Dalam hubungan ini, ketahanan termal bahan membran adalah parameter kunci, yang dapat mengamankan layanan umur panjang pengoperasian gas-cair bertekanan tinggi/suhu kontaktor membran [9, 10]. Sebagai berikut dari data literatur, transportasi gas karakteristik polimer kaca dengan fraksi volume bebas yang tinggi cenderung menurun seiring waktu, terutama, pada suhu tinggi.

Penurunan ini dapat dijelaskan oleh beberapa faktor: di antaranya adalah "fisik" penuaan" polimer (relaksasi non-ekuilibrium gratis volume), degradasi kimia polimer, dan adanya berbagai campuran dalam bahan (adsorpsi) dari berbagai zat). Dalam hubungan ini, kami mempelajari perubahan gas karakteristik transportasi membran PBTMST dengan waktu pada suhu tinggi yang secara tradisional digunakan untuk regenerasi absorben. Gambar 2 menyajikan ketergantungan waktu dari koefisien permeabilitas P sampel untuk tiga gas (N2, O2, dan CO2) pada a suhu 100C Sebagai berikut dari Gambar 2, koefisien permeabilitas gas P(N2), P(O2) dan P(CO2) cenderung menurun seiring waktu ketika sampel terpapar pada 100 C Pada saat yang sama, perubahan ini terjadi dalam 6-8 jam pertama. Mempertimbangkan fakta bahwa pada tahap selanjutnya karakteristik transportasi gas tampaknya tidak berubah, orang dapat menyimpulkan bahwa fenomena ini terutama disebabkan oleh relaksasi parsial volume bebas dalam polimer (disebut "penuaan fisik" bahan) daripada oleh degradasi kimia polimer. Untuk membuktikan asumsi ini, kami mempelajari perubahan dalam kepadatan bahan membran sebelum dan sesudah anil pada 100 C selama 30 jam (Tab. 3). 

Membandingkan ini hasil dengan data untuk sampel awal, orang dapat menyimpulkan bahwa, setelah anil, kerapatan geometrik dari membran (kepadatan seluruh sampel termasuk microvoids) meningkat sedangkan kepadatan piknometrik (kepadatan daerah terpadat dari media mikroheterogen) tetap tidak berubah. Sebagai konsekuensi, fraksi volume bebas W yang tidak direlaksasi berkurang dari 19 hingga 17%. 

Yang perlu diperhatikan adalah bahwa anil tidak menyebabkan tanda perubahan karakteristik transportasi PBTMST dengan hanya ikatan jenuh. Seperti yang ditunjukkan dalam studi sebelumnya, untuk PTMSP, P(O2) menurun dengan urutan besarnya setelah pemanasan pada 100 C selama 15 jam dan dua urutan besarnya setelah pemanasan pada 120 C selama 8 jam. Pada saat yang sama, permeabilitas oksigen dari penambahan Poli[5-(TriMethylSilyl)Norborn-7-ene] (PTMSN) menurun hanya dari 980 hingga 900 Barrer setelah anil di udara pada 80 C selama 16 jam. 

Tidak adanya degradasi kimia dan oksidasi PBTMST pada suhu tinggi telah dibuktikan dengan pengukuran spektral IR. Gambar 3 menampilkan IR spektrum sampel membran sebelum anil (1) dan setelah dikondisikan di udara selama 4 jam pada 150 C. 

Sebagai berikut dari Gambar 3, spektrum IR dari PBTMST membran tampak hampir sama: khususnya, mereka tidak mengungkapkan adanya oksigen yang mengandung kelompok (misalnya, C-O dan C=O) dalam struktur yang dapat membuktikan terjadinya oksidasi dan degradasi polimer pada suhu tinggi. Oleh karena itu, ini hasil memungkinkan untuk menyimpulkan bahwa tidak ada degradasi kimia bahan pada perlakuan termal pada 150 C untuk, setidaknya, 4 jam terjadi. 

2.3. Ketahanan Kimia dalam Penyerap 

Kriteria yang diperlukan untuk bahan yang digunakan dalam gas-cair kontaktor membran berkaitan dengan ketahanannya ke cairan penyerapan (media yang agresif secara kimia) pada suhu tinggi selama periode operasi yang lama. 

Dalam hubungan ini, percobaan skala laboratorium jangka panjang (hingga 265 jam) dilakukan ketika Sampel PBTMST dibiarkan tetap pada suhu 100 C di media dari berbagai chemisorbents (30 wt% dari air larutan alkanolamina). Tabel 4 mencantumkan hasil dari inspeksi visual membran seperti perubahan dalam warna, morfologi, dimensi, dan karakteristik kekuatan sampel serta kemungkinan pembengkakannya atau pembubaran. Yang perlu diperhatikan adalah durasi keseluruhan kontak membran / penyerap tiga kali lebih tinggi daripada nilai yang tercantum dalam Tabel 3 karena sampel uji disimpan dalam cairan yang sesuai semalaman di kamar suhu. Sebagai berikut dari Tabel 4, membran menunjukkan ketahanan kimia yang tinggi dalam cairan penyerapan pada 100 C, dan tidak ada perubahan nyata dalam makroskopiknya karakteristik yang diamati. 

Ketahanan bahan kimia juga terbukti oleh spektroskopi IR. Gambar 4 menunjukkan spektrum IR sampel sebelum (1) dan setelah penyimpanan jangka panjang dalam cairan penyerapan (2-7) pada suhu di bawah 100 C Menurut data analisis IR, IR spektrum bahan tampaknya hampir tidak berubah. Oleh karena itu, hasil kami memungkinkan untuk menyimpulkan bahwa kontak jangka panjang dari membran PBTMST dengan cairan penyerapan kimia di bawah kondisi khas dari proses regenerasi tidak memerlukan apapun perubahan nyata dalam struktur kimianya.

2.4 Aliran Cairan melintasi Membran 

Persyaratan utama lainnya yang menyediakan operasi yang sukses dari kontaktor membran gas-cair berkaitan dengan: tidak adanya transpor cairan melintasi membran pada tekanan dan temperatur yang tinggi. Tidak adanya aliran penyerap apa pun selama, setidaknya, 30 jam terbukti dengan percobaan filtrasi pada trans-membran tekanan 40 bar dan suhu 100 C. Bahan membran terbukti menunjukkan sifat penghalang yang baik sehubungan dengan penyerapan yang dipilih cairan – 30% berat larutan berair yang berbeda alkanolamina; pada saat yang sama PBTMST tetap permeabel untuk karbon dioksida. 

2.5 Desorpsi Membran CO2 pada Tekanan Tinggi dan Suhu 

Gambar 5 menyajikan fluks karbon dioksida yang terdesorbsi melalui membran PBTMST padat dengan ketebalan dari 31 lm diplot sebagai fungsi dari kecepatan linier cairan 30% berat larutan DEA berair. Dalam karya ini, pemuatan CO2 dari larutan kaya adalah 0,96 mol CO2 per satu mol dari DEA, dan nilai ini sesuai dengan keseimbangan kapasitas penyerapan pada 10 bar dan 24 C. Desorpsi dilakukan pada tekanan 10 bar di bagian cair desorber membran, dan tekanan CO2 dalam gas bagian dari 1 batang. 

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, semua kurva dapat dibagi menjadi: dua wilayah. Di wilayah pertama yang sesuai dengan kecepatan linier rendah, fluks gas diserap melalui membran meningkat dengan meningkatnya linier cair kecepatan. Kemudian, fluks karbon dioksida yang terdesorbsi cenderung mendatar tetapi kecepatan linier cairan meningkat. 

Perilaku ini dapat dijelaskan dengan laju reaksi kimia reversibel yang terbatas antara CO2 dan DEA serta oleh resistensi difusi terhadap pengangkutan karbon dioksida dari curah cair ke membran cair antarmuka, di lapisan batas dan transportasi lebih lanjut melintasi membran. Seperti yang ditunjukkan oleh Li dan Teo dan oleh Simons et al., membran dengan lapisan selektif padat menunjukkan resistensi yang nyata terhadap perpindahan massa; Akibatnya, kontribusi dari resistensi membran terhadap resistensi keseluruhan kontaktor gas-cair untuk pengangkutan CO2 meningkat. 

Seperti halnya permeabilitas gas, karakteristik transpor gas dari membran cenderung menurun dengan waktu karena relaksasi parsial dari non-ekuilibrium volume bebas (Gbr. 5). Namun, penurunan terjadi hanya dalam beberapa jam pertama operasi pada membran desorpsi gas; maka, karakteristik transportasi gas dari membran mendekati tingkat keadaan tunaknya. Meskipun kelemahan ini, membran PBTMST masih menunjukkan fluks karbon dioksida yang tinggi. Dibandingkan dengan kolom desorpsi konvensional, keuntungan dari padat membran berdasarkan polimer kaca yang sangat permeabel juga terkait dengan tidak adanya tetesan penyerap entrainment. Kehilangan sebenarnya dari penyerap selama regenerasi 30% berat DEA melalui PBTMST pada 100 C diperkirakan pada level 2-8,10 4 kg/m2 .H, yang setidaknya tiga kali lipat lebih rendah dibandingkan dengan fluks CO2 0,6-1,3 kg/m2 .h (lihat hari kelima dari operasi, Gambar. 5). 

Harus ditunjukkan bahwa seperti itu kehilangan penyerap adalah karena penguapan pelarut melalui membran, dan tidak ada transpor cairan yang terjadi melintasi membran. Memang, analisis titrometri dari kondensat yang dikumpulkan dari aliran CO2 yang terdesorbsi mengungkapkan bahwa komposisinya berkorelasi dengan komposisi kesetimbangan fase uap lebih dari 30% berair solusi DEA. Seperti disebutkan di atas, penggantian membran berpori konvensional oleh membran dengan a lapisan selektif padat menyebabkan resistensi tambahan untuk transfer massa, resistensi membran seperti itu bisa dimainkan peran penting dalam ketahanan proses secara keseluruhan. Karena itu, kinerja kontaktor membran bertekanan tinggi dapat ditingkatkan dengan pengurangan lebih lanjut dalam ketebalan dari lapisan selektif. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6, penurunan ketebalan membran dari 31 ke 21 lm meningkatkan regenerasi DEA berair pada kecepatan linier yang sama. Akibatnya, membran PBTMST padat dengan ketebalan 21 lm dapat memberikan pengurangan pemuatan CO2 untuk 0,05-0,34 mol/mol dengan sekali jalan penyerap melalui desorber membran yang dioperasikan pada 100 C. Perlu dicatat bahwa untuk industri proses pemanis, perbedaan dalam pemuatan CO2 antara solusi reach dan lean biasanya tidak melebihi 0,2-0,4 mol/mol 

Sebagai berikut dari Gambar 6, proses desorpsi pada kontaktor membran berdasarkan PBTMST terutama diatur: oleh perpindahan massa dalam fase cair karena penurunan ketebalan membran sebesar 50% (dari 31 menjadi 21 lm) mengarah pada peningkatan regenerasi DEA hanya dengan 1,5-8,5%. Seperti yang diharapkan, kontak yang lebih lama antara a cair dan membran memberikan perbedaan yang lebih besar dalam kinerja dua membran dengan berbeda ketebalan. Pembatasan oleh fase cair ini dapat dijelaskan oleh resistensi perpindahan massa dalam cairan dan laju reaksi reversibel antara CO2 dan air solusi DEA .

Penurunan tekanan parsial karbon dioksida di garis aliran gas dari desorber membran dengan menerapkan vakum atau gas pengupasan memungkinkan peningkatan lebih lanjut dari regenerasi DEA; namun, pendekatan ini melampaui lingkup pekerjaan ini karena untuk transportasi dan penyimpanan geologis karbon dioksida murni diperlukan untuk kompresi lebih lanjut. Studi yang sedang berlangsung adalah berfokus pada pengembangan komposit fluks tinggi membran berdasarkan PBTMST dan tahan pelarut dukungan berpori.

KESIMPULAN 

Untuk pertama kalinya, membran padat berdasarkan penambahan PBTMST digunakan untuk regenerasi cairan penyerapan CO2 khas (30 wt% DEA dalam air) di kontaktor membran bertekanan tinggi/suhu di 100 C PBTMST terbukti menunjukkan karakteristik penghalang tinggi sehubungan dengan larutan berair dari berbagai alkanolamina pada tekanan trans-membran 40 bar dan pada 100 C Paparan PBTMST jangka panjang ke penyerap di atas pada 100 C tidak memerlukan degradasi kimia (sebagaimana dibuktikan oleh spektroskopi IR). 

Beberapa penurunan karakteristik transportasi gas pada ketinggian suhu dapat dikaitkan dengan relaksasi parsial fraksi volume bebas tinggi di PBTMST. PBTMST padat membran dapat memberikan pengurangan pemuatan CO2 untuk 0,05-0,34 mol/mol sehubungan dengan linier cair yang digunakan kecepatan dengan satu lintasan penyerap melalui desorber membran dioperasikan pada 100 C dan ditinggikan tekanan. Tampaknya tingkat desorpsi di sini terutama dikendalikan oleh perpindahan massa fase cair karena penurunan ketebalan membran sebesar 50% (dari 31 menjadi 21 lm) hanya mengarah pada peningkatan regenerasi DEA sebesar 1,5-8,5%. Seperti yang diharapkan, waktu kontak yang lebih lama dari cairan dengan membran bertanggung jawab untuk yang lebih besar perbedaan kinerja dua membran dengan ketebalan yang berbeda.