Tamices moleculares de carbono de celulosa para la separación de hidrógeno

La producción de hidrógeno (H2) a partir de gas natural se considera una de las tecnologías más potenciales para la energía baja en carbono en el futuro y la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. En comparación con las tecnologías convencionales de purificación de H, las tecnologías de separación basadas en membranas han recibido una amplia atención debido a su mayor eficiencia energética y respeto al medio ambiente. Sin embargo, las membranas de separación de H2 y CO2 de uso común en la actualidad generalmente sufren de bajo rendimiento de separación, alto costo y baja estabilidad a alta temperatura y alta presión. Por lo tanto, sigue siendo un desafío preparar membranas de purificación de H2 comercialmente viables. Las membranas de tamiz molecular de carbono (CMS) se fabrican mediante la carbonización controlada de precursores de polímeros a altas temperaturas y tienen estructuras de poros rígidos. Cuando la membrana CMS se convierte en una fibra hueca adecuada para un módulo de membrana, se espera que tenga las propiedades de alta temperatura y resistencia a alta presión.
La celulosa tiene fuertes enlaces de hidrógeno entre cadenas e intracadenas, lo que la hace poco soluble en la mayoría de los solventes, con solo unos pocos solventes como N-metilmorfolina-N-óxido (NMMO), líquidos iónicos y sales inorgánicas que pueden interrumpir efectivamente su red de enlaces de hidrógeno. Sin embargo, obtener un diagrama preciso de fase ternaria celulosa / solvente / no solvente sigue siendo un desafío debido a la enorme viscosidad de este sistema.
Basándose en esto, Xuezhong He et al. de la Universidad Noruega de Tecnología prepararon membranas de fibra hueca de carbono (CHFM) ajustando la temperatura de solidificación y la temperatura de carbonización final del sistema de celulosa / líquido iónico / agua y las utilizaron para la separación de H2.
Los investigadores prepararon precursores asimétricos de fibra hueca de celulosa a través de un proceso de hilado seco y húmedo, y luego los intercambiaron con agua para eliminar el disolvente original EmimAc y DMSO, y finalmente obtuvieron la estructura microporosa correspondiente a través de la carbonización a alta temperatura. A partir de las imágenes SEM, se puede encontrar que las estructuras asimétricas de la capa selectiva externa y la capa de soporte interior porosa de aproximadamente 3 μm todavía se mantienen cuando se utilizan diferentes temperaturas de carbonización. CHFM-550 a la temperatura de carbonización más baja tiene la dureza más baja y el módulo de Young. Con el aumento de la temperatura de carbonización, la dureza y el módulo de Young aumentan gradualmente. El aumento de la dureza y el módulo se puede atribuir a los cambios estructurales internos causados por el aumento de la temperatura de carbonización. Al mismo tiempo, con el aumento de la temperatura de carbonización, los picos de poro >5 Å se debilitaron, mientras que los picos de poro Las membranas preparadas a temperaturas de carbonización más altas tienen una mayor selectividad de H2 / CO2, pero una menor permeabilidad de H2, lo que indica que la permeabilidad al gas está determinada principalmente por el diámetro de movimiento de las moléculas de gas, es decir, el mecanismo de transporte de transporte del tamiz molecular. Cuando la relación sp3/sp2 disminuyó de 0.73 a 0.36, la permeabilidad H2 disminuyó de 466.8 GPU a 148.2 GPU, mientras que la selectividad H2/CO2 aumentó de 11.1 a 83.9, lo que también sugirió que el rendimiento de separación de gases se puede ajustar ajustando la estructura de carbono. Debido a la presencia simultánea de tamiz molecular y el transporte de difusión superficial de moléculas de CO2, la energía de activación aparente de CO2 es relativamente menor en comparación con H2, lo que indica que la temperatura tiene un mayor efecto sobre la permeabilidad de H2, por lo que una menor adsorción de CO2 a temperaturas más altas conduce a un aumento en la selectividad de H2 / CO2. Cuando la membrana se expuso a la atmósfera de laboratorio durante 50 días, su permeabilidad al H2 y la selectividad H2/CO2 disminuyeron en aproximadamente un 40% y un 10%, respectivamente, y la permeabilidad al gas y la permeabilidad al gas se restauraron efectivamente después del tratamiento térmico y la purga de helio. Opcional.
CHFM exhibe una excelente selectividad de H2 / CO2 y una alta permeabilidad de H2 en comparación con otras membranas, de las cuales CHFM-850 muestra el mayor rendimiento general de separación de gases con una selectividad ideal de H2 / CO2 de 83.9 a 130 ° C, superando las películas no poliméricas. Al mismo tiempo, la selectividad de CHFM-850 a H2/N2 es de >800 y la selectividad de H2/CH4 es de >5700, lo que proporciona la posibilidad de purificación de H2 en algunos procesos.
En resumen, este trabajo produjo un material asimétrico de fibra hueca de celulosa mediante el hilado de celulosa microcristalina y EmimAc. Las fibras huecas de celulosa obtenidas se carbonizan a alta temperatura para obtener membranas de fibra hueca asimétrica cuya estructura microporosa les ayuda a separar el H2 de otros gases.