Polyimidmembraner til rensning af naturgas

Naturgas, der indeholder større mængder hydrogensulfid (H ₂ S) og kuldioxid (CO ₂ ) kaldes sur gas. Før det kan komme ind i en pipeline, det skal "sødes" ved at fjerne dets sure urenheder. Gennem finjustering af forholdet mellem to molekylære komponenter, det er muligt at fremstille skræddersyede polyimidmembraner, der kan rense sur gas med en bred vifte af sammensætninger, som rapporteret af forskere i tidsskriftet Angewandte Chemie .

Hovedbestanddelen af ​​naturgas er metan (CH ₄ ). H ₂ S og CO ₂ i sur gas reagere surt med fugt, gør dem meget ætsende. Ud over, H ₂ S er meget giftig og udgør en sikkerhedsrisiko. I dag, sødning opnås normalt gennem meget energikrævende kemisk skrubning, som ikke er økonomisk rentabel for gas med høje koncentrationer af H ₂ S og CO ₂ . Ud over, denne proces kræver en stor, komplekst apparat, der er umuligt at bruge i fjerntliggende eller offshorefaciliteter. Skalerbar, økonomiske membranadskillelser repræsenterer et glimrende alternativ.

Membraner baseret på glasagtige polyimidpolymerer fremstillet af en speciel nitrogen- og oxygenholdig gruppe viser god adskillelseseffektivitet. Imidlertid, en grundlæggende forståelse af sammenhængen mellem strukturerne af polyimider og deres gastransportegenskaber i nærvær af H ₂ S har manglet, hindrer design af avancerede membraner. Et hold ledet af William J. Koros ved Georgia Institute of Technology (Atlanta, U.S.) har nu taget dette emne op.

Membranseparationer er baseret på, at gasser med højere opløselighed lettere passerer gennem membranmaterialer; imidlertid, mindre gasmolekyler kan også lettere diffundere gennem membraner. Udfordringen for sødning ligger i, at udskillelsen af ​​CO ₂ baserer sig primært på en størrelsesforskel (CO ₂ er mindre end CH ₄ ), mens adskillelsen af ​​den tilsvarende størrelse H ₂ S og CH ₄ afhænger af forskelle i opløselighed. Ud over, glasagtige polyimidmembraner begynder at blive bløde, da de absorberer mere opløst gas. Dette er gunstigt for adskillelsen af ​​H ₂ S men ugunstig for udskillelsen af ​​CO ₂ .

For deres eksperimenter, forskerne producerede polyimider baseret på 6FDA (4, 4'-(hexafluorisopropyliden)diphthalsyreanhydrid. De brugte to forskellige 6FDA byggeklodser, som de polymeriserede i en række forskellige forhold. En byggesten (DAM) introducerer en voluminøs trimethylbenzengruppe, hvilket forhindrer polymerkæderne i at blive tæt pakket. Dette øger både gaspermeabiliteten og tendensen til at blive blødgjort. Den anden byggesten (DABA) indeholder en polær benzoesyregruppe. Dette strammer pakningen af ​​kæderne, faldende permeabilitet, men øger H ₂ S opløselighed.

Højere andele af DAM øger permeabiliteten over for CO ₂ , men også CH ₄ , hvilket mindsker selektiviteten. I modsætning, selektiviteten med hensyn til H ₂ S er knapt nok påvirket. Jo mere DAM inkluderet, jo mere polymeren blødgør, hvilket er ugunstigt for CO ₂ men gunstig for H ₂ S. Ved omhyggeligt at justere de relative mængder af byggeklodserne, pakningen af ​​polymerkæderne og tendensen til at blødgøre kan afbalanceres for at producere membraner, der samtidigt og effektivt adskiller både H ₂ S og CO ₂ . Dette gør det muligt at skræddersy membraner til forskellige naturgassammensætninger.