FSBEI HE «Kazan National Research Technological University» (Associate Professor)
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
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.
immobilized membranes, membrane gas separation, hydrogen sulfide, ionic liquid, selectivity.
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.
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.
