Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Создание модельной газовой смеси продуктов паровой конверсии метана с подтверждением её состава с помощью газохроматографического анализа. Газохроматографический анализ подтвердил точность приготовления пятикомпонентной модельной смеси волюмометрическим методом. Фактический состав смеси, использовавшийся во всех последующих экспериментах по разделению, составил (мол. %): H₂ – 74.6 %, CO₂ – 14.8 %, CO – 5.3 %, CH₄ – 5.0 %, N₂ – 0,3 %. Данный состав адекватно имитирует типичный очищаемый поток после установок конверсии с преобладанием водорода и значительной долей кислых газов. Отклонение от заданных номинальных концентраций не превысило 0.3% абс. для каждого компонента, что удовлетворяет требованиям к воспроизводимости экспериментов. 2. Изучение материала мембран (измерение толщины селективного слоя, внутреннего и внешнего диаметра половолоконных мембран) 2.1. Морфология и геометрические параметры половолоконных мембран Результаты СЭМ-анализа продемонстрировали типичную для полых волокон, полученных методом фазового инверсии, асимметричную структуру всех исследуемых образцов. Микрофотографии поперечных сколов выявили наличие плотного селективного слоя, расположенного на внешней стороне волокна, пористой поддерживающей подложки и внутреннего макропористого канала. Сводные данные измерений критических геометрических параметров представлены в Таблице 1. 3. Создание лабораторных мембранных модулей и расчет эффективной площади мембраны в каждом. Для исследования газотранспортных характеристик мембран были изготовлены мембранные модули на основе трубки из нержавеющей стали марки AISI 316 (Hy-lok, Корея). Длина модуля 17 см. Внутрь корпуса модуля помещаются полые волокна, а герметизация торцов осуществляется с помощью эпоксидного компаунда с глубиной заливки около 10 мм. В каждом модуле 10 половолоконных мембран. Изображения собранного мембранного модуля представлены на рисунке 7. 4. Определение газотранспортных характеристик методом онлайн-масс-спектрометрии, позволяющим выполнять in-situ определение эффективных газотранспортных свойств мембраны для каждого компонента газовой смеси. 4.1. Измерение проницаемости мембран для чистых газов Измерения проницаемости для чистых газов выявили ожидаемую зависимость от размера кинетического диаметра молекулы и конденсации газа. Для всех полимеров наблюдался классический порядок проницаемости: P(H₂) > P(CO₂) > P(CO) > P(CH₄) > P(N₂). Наибольшая проницаемость по водороду была зафиксирована для мембраны из пофениленоксида (≈ 214.4 GPU). Расчетная идеальная селективность для ключевых пар представлена в Таблице 2. Наибольшей селективностью обладает мембрана из полиэфиримида. Мембрана из полифениленоксида показала высокую проницаемость, но умеренную селективность по паре H₂/CO₂, порядка 2.6. Селективность H₂/N₂ для всех материалов была существенно выше (от 87.3 до 181.5). 4.2. Измерение проницаемости мембран для компонентов газовой смеси Результаты разделения реальной смеси выявили существенное влияние эффекта смеси на транспортные свойства. Для всех мембран наблюдалось значительное снижение проницаемости по водороду и увеличение проницаемости по диоксиду углерода по сравнению с данными для индивидуальных газов. Это объясняется конкурентной сорбцией и затрудненной диффузией компонентов в полимерной матрице. Как следствие, рабочая селективность H₂/CO₂ в смеси оказалась на 20-40% ниже идеальной, рассчитанной по чистым газам. Например, для мембраны из полиимида рабочая селективность достигла 1.8 против 2.3. Результаты представлены в таблице 2. Наиболее трудноотделимым компонентом, при выделении водорода, является диоксид углерода. Селективность по паре H2/CO2 варьируется от 2 (для мембраны из полисульфона) до 5.1 (для мембраны из полиэфиримида). Возможность эффективного разделения (степень извлечения > 90 %) водорода и диоксида углерода в настоящем процессе является лимитирующей, поэтому, в дополнение к проведенным исследованиям, было проведено математическое моделирование процесса выделения водорода из газовой смеси H2/CO2 с концентрациями 75 и 25 мол.%, соответственно.