REMOVAL OF HYDROGEN SULFIDE FROM GAS MIXTURES USING MEMBRANES IMPREGNATED WITH IONIC LIQUIDS
Abstract and keywords
Abstract (English):
In this paper have been considered gas transport properties of porous membranes immobilized by 1-butyl‑3-methylimidazolium tetrafluoroborate (bmim [BF4]) and 1-butyl‑3-methylimidazolium acetate (bmim [ace]) toward CH4, CO2 and H2S. Have been investigated transport features of individual gases as well as theirs binary mixtures CO2/CH4 and H2S/CH4. It has been stated that for binary gas mixtures the highest efficiency of acidic gases separation is achieved on membranes containing bmim [ace]. It has been shown experimentally that for a membrane operating according to mechanism of simplified transport, the separation factor increases with diminishing of concentration for penetrant fixed by ionic liquid.

Keywords:
immobilized membranes, membrane gas separation, hydrogen sulfide, ionic liquid, selectivity.
Text

1. Введение
Разработка экологически безопасных, ресурсо- и энергосберегающих технологий, внедряемых в различные сферы человеческой деятельности, является одной из приоритетных задач науки и технологии. В особенности это важно для производственной деятельности, в которой невнимательное отношение к требованиям безопасности и мерам по охране природных ресурсов может привести к серьезным экологическим проблемам. Минимизация отходов производства и выбор наиболее безопасных технологических решений с этой точки зрения представляются наиболее рациональными способами решения данной задачи. Производство газообразного топлива, а именно метана, который на сегодняшний момент относится к наиболее экономичным видам энергоресурсов, является сложным, многостадийным и трудоемким процессом [1]. Так, природный газ, один из источников метана, наряду с попутными нефтяными газами и биогазом, содержит, помимо целевого компонента, множество примесей, наличие которых в готовом продукте недопустимо. Состав примесей варьируется в зависимости от месторождения природного газа; к наиболее распространенным их видам относятся диоксид углерода, сероводород, гомологи метана, инертные газы и др. Сероводород и диоксид углерода относятся к так называемым кислым газам, которые при взаимодействии с водой образуют кислоты, вызывающие коррозию оборудования и трубопроводов. Кроме того, диоксид углерода способен вызывать «парниковый эффект», а сероводород является крайне токсичным и опасным соединением. Поэтому в ходе подготовки природного газа для потребительских нужд его очищают от кислых газов. Проблема очистки природного газа и попутных нефтяных газов от сероводорода является актуальной по настоящее время в силу того, что существующие технологии десульфуризации с использованием аминной очистки или процесса Клауса требуют значительных капитальных и эксплуатационных расходов, а это рентабельно только при больших объемах добычи газа. Для средних и малых нефтегазовых месторождений, а также при производстве биометана приоритетными при выборе технологии десульфуризации становятся как высокая эффективность разделения, так и компактность аппаратурного оформления, ее масштабируемость, надежность, отсутствие энергозатрат на фазовые переходы разделяемых веществ и адаптируемость к широкому концентрационному диапазону примесей [2, 3]. Вследствие этого мембранные методы разделения, отвечающие всем вышеперечисленным критериям, являются оптимальным вариантом решения проблемы десульфуризации газа, и в настоящее время применяются в нефтегазовой отрасли. Однако следует признать, что главным недостатком технологии является материаловедческий аспект, заключающийся в том, что наблюдается антибатная зависимость между проницаемостью мембран и их селективностью [4]. Это значит, что невозможно достичь высоких показателей проницаемости и селективности одновременно, что существенно ограничивает технологические режимы эксплуатации газоразделительных мембран.

References

1. Sridhar S. Separation of carbon dioxide from natural gas mixtures through polymeric membranes — a review / S. Sridhar, B. Smitha, T. M. Aminabhavi // Sep. Purif. Rev., 2007. — V.36. — P. 113–174.

2. Noble R. D. Membrane Separations Technology: Principles and Applications / R. D. Noble, S. A. Stern. — Amsterdam: Elsevier Science, 1995. — 783 p.

3. Mondal M. K. Progress and trends in CO2 capture/separation technologies: a review / M. K. Mondal, H. K. Balsora, P. Varshney // Energy, 2012. — V. 46. P. 431–441.

4. Handbook of Membrane Separations: Chemical, Pharmaceutical, Food, and Biotechnological Applications / pod red. A. K. Pabby, S.S.H. Rizvi, A. M. Sastre. — Boca Raton: CRC Press, 2009. — P. 269–323.

5. Noble R. D. Perspective on ionic liquids and ionic liquid membranes / R. D. Noble, D. L. Gin // J. Membr. Sci., 2011. V. 369. — P. 1–4.

6. Akhmetshina A. The Effect of Microporous Polymeric Support Modification on Surface and Gas Transport Properties of Supported Ionic Liquid Membranes / A. Akhmetshina, I. Davletbaeva, E. Grebenschikova, T. Sazanova, A. Petukhov, A. Atlaskin, E. Razov, I. Zaripov, C. Martins, L. Neves, I. Vorotyntsev // Membranes, 2015. V. 6. — P. 4–8.

7. Baltus R. E., Counce R. M., Culbertson B. H., Luo H., De Paoli D. W., DaiS., Duckworth D. C. Examination of the potential of ionic liquids for gas separations / R. E. Baltus, R. M. Counce, B. H. Culbertson, H. Luo, D. W. De Paoli, S. Dai, D. C. Duckworth // Sep. Sci. Technol., 2005. — V.40. — P. 525–541.

8. Iarikov D. D. Supported room temperature ionic liquid membranes for CO2/CH4 separation / D. D. Iarikov, P. Hacarlioglu, S. T. Oyama // Chem. Eng. J., 2011. — V.166. — P. 401–406.

9. Althuluth M. Natural gas purification using supported ionic liquid membrane / M. Althuluth, J. P. Overbeek, H.J. van Wees, L. F. Zubeir, W. G. Haije, A. Berrouk, C. J. Peters, M. C. Kroon // J. Membr. Sci., 2015. — V. 484. P. 80–86.

10. Ansaloni L. Solvent-Templated Block Ionomers for Base- and Acid-Gas separations: Effect of Humidity on Ammonia and Carbon Dioxide Permeation / L. Ansaloni, Z. Dai, J. J. Ryan, K. P. Mineart, Q. Yu, K. T. Saud, M. — B. Hägg, R. J. Spontak, L. Deng // Advanced Materials Interfaces, 2017. — P. 1700854.

11. Quinn R. New facilitated transport membranes for the separation of carbon dioxide from hydrogen and methane / R. Quinn, J. B. Appleby, G. P. Pez // J. Membr. Sci., 1995. — V. 104. — P. 139–146.

12. Hanioka S. Rapid communication. CO2separation facilitated by task-specific ionic liquids using a supported liquid membrane / S. Hanioka, T. Maruyama, T. Sotani, M. Teramoto, H. Matsuyama, K. Nakashima, M. Hanaki, F. Kubota, M. Goto // J. Membr. Sci., 2008. — V. 314. — P. 1–4.

13. Fukumoto K. Room temperature ionic liquids from 20 natural amino acids / K. Fukumoto, M. Yoshizawa, H. Ohno //J. Am. Chem. Soc., 2005. — V. 127. — P. 2398–2399.;

14. Chiarotto I. First direct evidence of N-heterocyclic carbene in BMIm acetate ionic liquids. An electrochemical and chemical study on the role of temperature / I. Chiarotto, M. Feroci, A. Inesi // New J. Chem., 2017. — V. 41. — P. 7840–7843.

15. Santos E. Acetate based Supported Ionic Liquid Membranes (SILMs) for CO2 separation: Influence of the temperature / E. Santos, J. Albo, A. Irabien //J. Membr. Sci., 2014. — V. 452. — P. 277–283.

16. Albo J. Thin Ionic Liquid Membranes Based on Inorganic Supports with Different Pore Sizes / J. Albo, T. Tsuru // Ind. Eng. Chem. Res., 2014. — V. 53. P. 8045–8056.

17. Tian Y. Densities and Viscosities of 1-Butyl‑3-methylimidazolium Tetrafluoroborate + Molecular Solvent Binary Mixtures / Y. Tian, X. Wang, J. Wang // J. Chem. Eng. Data, 2008. — V. 53. — P. 2056–2059.

18. Bogolitsyn K. G. Physicochemical proper ties of 1-butyl‑3-methylimidazolium acetate / K. G. Bogolitsyn, T. E. Skrebets, T. A. Makhova // Russ. J. Gen. Chem., 2009. — V. 79. — P. 695–697.

19. Akhmetshina A.I. Permeability and selectivity of acid gases in supported conventional and novel imidazolium-based ionic liquid membranes / A. I. Akhmetshina, O. R. Gumerova,A. A. Atlaskin, A. N. Petukhov, T. S. Sazanova, N. R. Yanbikov, A. V. Nyuchev, E. N. Razov, I. V. Vorotyntsev // Sep. Purif. Technol., 2017. — V.176. — P. 92–106.

20. Zhang X. Selective separation of H2S and CO2 from CH4 by supported ionic liquid membranes / X. Zhang, Z. Tu, H. Li, K. Huang, X. Hu, Y. Wu, D. R. MacFarlane //J. Membr. Sci., 2017. — V. 543. — P. 282–287.

21. Park Y. I. Preparation of supported ionic liquid membranes (SILMs) for the removal of acidic gases from crude natural gas / Y. I. Park, B. S. Kim, Y. H. Byun, S. H. Lee, E. W. Lee, J. M. Lee // Desalination, 2009. — V. 236. P. 342–348.