DE1544041A1 - Verfahren und Vorrichtung zur AEnderung der Zusammensetzung von Gasen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur AEnderung der Zusammensetzung von Gasen

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DE1544041A1 DE19661544041 DE1544041A DE1544041A1 DE 1544041 A1 DE1544041 A1 DE 1544041A1 DE 19661544041 DE19661544041 DE 19661544041 DE 1544041 A DE1544041 A DE 1544041A DE 1544041 A1 DE1544041 A1 DE 1544041A1
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Description

Die vorliegende iSrfindung bazieht sich auf die Auftrennung von Gasen bzw. Gasgemischen, durch unterschied lic'.; j Durchdringung von flüssigen ocisr quasi-flüssigen fil:.:en, die al Polyrnerfilme wirken.
is ist bekannt, dass r^an dünne, nicht poröse ^olyrr.er^exj (z.B. aus Silikonkautschuk, Polykarbon&tharzen, Athylcsllulose und Gellulosepropionat) zur Trennung von Gasen verwenden kann, unter Ausnützung der Tatsache, dass gewisse Gasa rascher durch die Membranen wandern als andere Gaskosponenten einer Gasmi2chung.
Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglich"
κ Cia -J t> J/ ί 1 ■-
(Diffusion eines aufgelösten Gases durch eine ;.ler.üran) einer Gasaischung durch den i.ianibrankörper, wobei Oe,vi33ä Gase bedeutend rascher auf diese ^eise durch die :.^r:.;jran ν,-αη;^.··.:η als andere Gase, von denen eine abtrennung bewirkt .rirc: .
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Im allgemeinen wird das Abtrennverfahren dadurch ausgeführt, dass man kontinuierlich einen Strom aus der aufzutrennenden Gasmischung mit einer Seite dar Membran in Berührung bringt, unter gleichzeitiger Einhaltung eines völligen oder teilweisen Druckabfalls auf der anderen Seite der Membran, wodurch einem Teil der Gasmischung ermöglicht wird, von der liochdruckseite auf die Niederdruckseite der Membran zu wandern; von der Niederdruckseite wird dabei kontinuierlich eine bezüglich einer od«r-— mehrerer gewisser Komponenten angereichertes Gas abgezogen.
Durch, vorliegende Erfindung wird ein Verfahren zur .änderung der Zusammensetzung von Gasmischung geschaffen, bei dem die Gaskomponenten der Mischung mit verschiedenen Diffusionsgeschwindigkeiten durch die permeable Membran wandern und die bezüglich ihrer Zusammensetzung veränderte Gasmischung auf der anderen Seite der Membran gesammelt wird; der wirksame, bezüglich seiner Permeabilität selektive .Film ist dabei ein flüssiger oder quasi-flüssiger Film, der sich auf einer Unterlage befindet.
Die Stabilisierung und die Unterstützung dieses flüssigen .Films kann auf zahlreiche Art und V/eise durchgeführt werden. So kann die dünne J1IUssigmembran von einer porösen und nicht benetzbaren Unterlage getragen v/erden, die solch feine Löcher aufweist, dass die Flüssigkeit nicht durch das poröse Material flieset; der Flüssigfilm kann ferner auch von einem selbst nicht mitwirkenden Polymerfilm getragen sein, der derart ausgewählt ist, dass das Verhältnis der Durchtrittsgeschwindigkeit zur Dicke bezüglich des Polymers wesentlich grosser ist als bezüglich ' des Flüssigfilms, wodurch sichergestellt ist, dass der Flüssigfilm den kontrollierenden Durchtrittsfaktor darstellt.
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Der hier verwendete Auedruck'"quasi-Flüssigfilm" bedeutet ein File aus einer sogenannten immobilisierten Flüssigkeit, wie sie in vielerlei Ausführung durch Quellung eines Polymerfilme mittels der Flüssigkeit, mit der die Trennung bewirkt werden soll, herstellbar ist; die Quellung wird dabei bis BU einen solchen Grad vorangetrieben, dass die Flüssigkeit selbst das eigentliche Kontrollwiderstandsmittel bezüglich der Gaswanderung darstellt.
Bine andere Möglichkeit zur Stabilisierung von Flüssigfilmen ist die Bildung eines Gels unter Verwendung der gewünschten Flüssigkeit.
Sie vorliegende firfindung ist allgemein auf die Verwendung eines PlUssigfilms als Mittel zur Gastrennung abgestellt; dit Ürfiüdung ist nicht auf die Trennung bestimmter Gaskonponenten unter Verwendung bestimmter Flüßsigfilraa begrenzt. £a gibt Jedocif gewisse Gastrennungen, wie beispielsweise die Trennung von CO« und O2, die von besonderem Interesse ist, beispielsweise zur Aufrechterhaltung einer lebensfördernden Umgebung in einem Krankenhaus-Sauerstoff-Zelt, in einem Weltrauefahrzeug oder in Unterwasser-Fahrzeugen.
Bei den permeablen Membranen des Standes der Technik beträgt der höchste Trennfaktor von CO2 und O2 bei 250C (= Permeabilität von COg / Permeabilität von O2 oder Partialdrucicü0 / JartialdruclcQ )* den Wert 9; ungünstigerweise oezieht sich dieser Trennfaktor 2 auf einen Polymerfilm, bei dem die Gase eine relativ geringe Wanderungegeschwindigkeit (Diffusionsgesch.vindigkeit) aufweisen.
Bei Silikonkautschuk beträgt der Trennfaktor (Partialdruck,-,- /
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f, ) bei gewöhnlicher Temperatur etwa 5f5. Während U2
Trennfaktoren solcher Gröss.e bei gewissen Anwendungsmöglichkeiten brauchbar sein mögen, sind Trennfaktoren mit .beträchtlich höheren ./ertan insbesondere bei den vorgenannten Anwendungsweisen sehr wünschenswert.
Als Beispiel für die Wirksamkeit und Fortschrittlichkeit vorliegender Erfindung sei angegeben, dass Tests ergeben haben, dass ein ii'ilm aus Wasser, der von einein sehr dünnen 3ilikonkautscliukf ilm getragen wird, einen Trennfaktor bezüglich uüp/Op von 3'J besitzt. Überdies ist die Durchdringungsgeschwindigkeit bei einer solchen iiln-Kociposition sehr hoch; Koniendioxyd hat bei «asssr etwa die gleiche Durchdringungsgescliwindigkeit v;ie bei Silikonkautschuk. Wann also eine ivIambran-Komposition, bei der die »lasserschicht 10 mal dicker ist als die Silikonkautschuk-ochicht, verwendet wird, ist der Trennfaktor der Komposition vorherrschend erweise gleich dan des i.assers, 'uo v/urds festgestellt, dass ein Wasserfilm gegenüber COg 20 nial parcaablör ist als gegenüber Hg» dies bedeutet einen höheren Trennfaktor als der für jeden polymeren Film gelassen wuro«.
Jie Angabe der Tremuaktoren für UOp» Op und **? durc1a einGn iiüsserfils: sind lediglich representativ für die JTahigkeiten Giaes i'lüssigfilsis, der als Permeabilitätsschranke eingesetzt .vird.
Der H_iU_,tvurteil voriiegender xirfindung liegt in eier Tatsache, Jas; nur^ehr -2Ln .(eg aufgezeigt v/urde, geaäss des: ein viel Orosssrer Bereich chemischer Verbindungen als rerxeaiilitiits-'schranken-Uatariul verwencJo&r ist, ale bisher, da r.an nun nicht ro'.ir auf solche .^atörialien beschränkt ist, die bereits in der j polyaerer /ilr.o vcrliögen.
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Es ist daher ein Hauptzweck vorliegender Erfindung, Permeabilitätsmittel zu schaffen, die auf der Durchwanderung einer ZLüssigschranke als Hauptmechanismus der Gastrennung beruhen.
Sin weiterer Zweck vorliegander Erfindung ist die Schaffung einer Komposition, die zu einem hohen Prozentsatz aus ircmobilisierter Flüssigkeit besteht, zum Zwecke der Erreichung von. Trennfaktoren für GQ2ZO2I die über dem V/ert 20 liegen.
Ein weiterer Zweck vorliegender Erfindung ist die Schaffung ■ quasi-flüssiger Filme, die Permeabilitätscharakteristika aufweisen, die denen reiner .Flüssigkeiten vergleichbar sind.
Die Zwecke vorliegender Erfindung werden dadurch erreicht, dass man die Auftrennung von Gasgemischen durch eine solche selektiv permeable Membran durchführt, die entweder aus einer Unterlagemembran, die einen dünnen Flüssigkeitsfilm trägt, besteht oder aus einem stabilisierenden Medium,- das einen grossen Prozentsatz an immobilisierter Flüssigkeit enthält.
Die Erfindung soll nun anhand der beiliegenden figuren 1 bis 4, die bevorzugte Ausführungsformen darstellen, weiterhin erläutert werden.
Figur 1 ist eine dreidimensionale, teilwaise aufgeschnittene, Darstellung einer Trennvorrichtung, die eine Permeabilitätsflüssigkeitsschranke gemäss vorliegender Erfindung enthält, durch die die Gasauftrennung bewirkt wird.
Figur 2 ist ein Querschnitt durch die Filmkompositioii, die sich in dar Vorrichtung gamäss Figur 1 befindet, wobei eine permeable Flüssigmembran von einer Unterlage getragen wird.
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Figur 3 ist eine Ansicht ähnlich wie Figur 2 und zeigt eine zweite Ausführungsform der Unterlage einer perraeablen Flüssigmembran .
Figur 4 ist ebenfalls eine Ansicht ähnlich der Figur 2 und zeigt wiederum eine andere Ausführungeform der Unterlage eines Flüssigfilms, wobei dieser diesmal aus einer immobilisierten Flüssigkeit besteht.
Y/ie man aus Figur 1 ersieht, ist die Vorrichtung 10, die zur Auftrennung des Gases durch selektive Durchdringung einer !.iembran verwendbar ist, relativ einfach. Das Verfahren wird dadurch ausgeführt, dass - beispielsweise duroh die Puape 11 - ein kontinuierlicher Strom der-aufzutrennenden Gasmischung herangeführt wird, die sodann mit einer Seite der selektiv permeablen Membran 12 in Berührung kommt, wobei man ein Druckgefälle diesseits und jenseits der Membran 12 aufrechterhält, wobei auf der Seite, auf der sich das zu trennende Gasgemisch befindet, der höhere Druck herrscht. Gleichzeitig wird das Gas, das durch die Membran 12 hindurchgewandort ist, von der Niederdruckseite der Vorrichtung abgeführt. Die aufzutrennende Gasmischung wird also zunächst in die Kammer.13 eingeführt, diejenigen Gaskomponenten, die durch die Membran-Komposition 12 hindurchgewandert sind, werden aus der Kammer 16 durch eine Säugpumpe 14 abgeführt, wobei der Druck in der Kammer 13 grosser gewählt ist als der in der Kammer 16. Die Membran-Komposition 12 besteht dabei aus einer Flüssigkeitsschicht, die auf verschiedene Art und Weise getragen sein kannι einige Ausführungsformen hiervon sind in den Figuren 2, 3 und 4 dargestellt. '
Bei der Ausführungsform gemäss Figur 2 besteht eine Schichtkomposition 12 aus einem Flüssigkeitsfilm 21, der von r^.ner trockenen, porösen Platte 22 getragen ist, die beiapieltw i.a
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aus einer porösen Poly tetrafluoräthylenmembran, aus fein gewobenem Papier, aus Tuch, aus einem Gitter oder aus einer gesinterten Platte bestehen kann, welche Unterlagen mit einem nicht benetzenden Kittel, wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen behandelt sind.
Da die Platte 22 durch den, Flüssigkeltsf um 21 nicht benetzbar ist und die Löcher 23 nur einen sehr geringen Durchmesser be sitzen, reicht die Oberflächenspannung der Flüssigkeit aus, sioh in Gestalt eines Filmes über die einzelnen Löcher zu spannen, so dass kein Gas ohne weiteres durch die Löcher gehen kann. Nur das Gas, das durch den Film 21 hindurohgewandert ist, strönt duroh die Löcher 23 zur darunter befind liehen Kassier ab.
Bei der Ausführungsform gemäse Figur 3 besteht die sltion 12 aus einem FlüssigkeitsfilBi 31, die sioi; auf einer dünnen permeablen Membran 32, die beispielsweise ümb Silikon- kautschuk: besteht, befindet« Gegebenenfalls kann, eins mechanische Stützfläche vorhanden sein, die aue einem perfötisriiör flächigen Körper beeteht, beispielsweise aus einea Sitte? ;?% Vcrzu^c-v^ise' ist die Dicke des Flüssigkeitefilras in einas colohen Verhältnis zur Dicke der liembran 32, class die Permeabilität der i?ils- komposition 12 praktisch von der Permeabilität üg-2 ^lüssig^ni.ts« films 31 kontrolliert wird.
In dem Fall, be'i dem die Filcikoacposition aus WaKsc-r iiM csispielsweise Silikonkautschuk susafsaengesetst ±i:-t:. lsi üis relative Dicke des Viasserfilas und diejeiiige cew ?:".Iitonχ-av.--^.chu^s derart bemessen, dass öle Wasserechicht ζ%·ιη±ηύύΰ diok iet wie βίβ SilikonkButsctoiksuriiolitjöSi=Qc T weis® nur 0,0025 mn betragon kami| fcicrduroli ο^
ste
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der Trennfaktor der Komposition praktisch hauptsächlich gleich dem Trennfaktor des V/assers ist.
Bei solch einer Anordnung haben Tests ergeben, dass die Membran-Komposition 12 einen Trennfaktor für COg/Og von 22-30 besitzt. Bezüglich der Gase 00« und H« wurde gefunden, dass COp 20 mal leichter hindurchwandert als Hp.
Die hier angegebenen Werte für beide Gas-Systeme sind wesentlich höher als alle bisher gemessenen Trennfaktoren aller Polymerfilme, gleich auf welcher Temperatur sich das System befand.
Vorteilhafterweise besitzt der Wasserfilra eine sehr hohe Permeabilitätsgeschwindigkeit; beispielsweise ist die Durchdringungsgeschwindigkeit von CO« durch einen Wasserfilm genau so gross wie durch einen Silikonkautschukfilm, der die höchste Yi'anderungsgeschwindigkei.t für CO« von allen polymeren Materialien besitzt.
3ei Tests, die mit einem JiIm aus flüssigem Diäthylenglykol, das von einer perceablen Membran getragen war, durchgeführt wurden, wurde die Permeabilität von Diäthylenglykol als besondere wertvoll bestimmt bezüglich der Trennung von COg von Og t Ng oder H2, wie sich aus der folgenden Tabelle I ergibt:
TABuLIjD I
Durchwanderung des Diäthylenftlvkol-Pilns bei gewöhnlicher Temperatur
nr Gas NTP, Die ice in cm
Druck sec, cm*, es Hg.
-9
1,6 χ ΙΟ"9
1 x 10~^
CO2 14 x 10
C; $ χ io9
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Wenn auch das Verhältnis Partialdruckco /PartialdruekQ bei Diäthylenglykol kleiner ist als bei Wasser, übersteigt er dennoch den ftert "jedes bekannten polymeren Materials bei gewöhnlichen Temperaturen. Ausserdem besitzt dieses Glykol einsn viel niedrigeren Dampfdruck als Wasser, wodurch sich eine leichtere Handhabbarkeit ergibt.
Es gibt viele Anwendungsweisen, bei denen es zu bevorzugen ist, den Plüssigfilm im sogenannten immobilisierten Zustand in Gestalt eines dünnen festen Films einzusetzen. läine solche xvusfuhrungsform ist in Figur 4 dargestellt, üs ist dort sine .Membran und deren Unterlage gezeigt, wobei die Membran praktisch als Flüssigfilm bezüglich ihrer Permeabilitätscharakteristika reagiert, obgleich die relativ grosse Flüssigkeitsmenge, die in den Film eingearbeitet ist, dessen physikalische Eigenschaften nicht ändert, die typisch für einen festen Film sind.
Bei der speziellen dargestellten Ausführungsform wird der immobilisierte Wasserfilm 41 von einer porösan Unterlage, und zwar in diesem Fall einem Blättchen aus gesintertem Metall 42 getragen.
Jine Methode zur Immobilisierung, d.h. zur Unbeweglichrnachung der Plüsssigkeit ist die Herstellung eines Gels. lsi Fall a des Wassers wird so verfahren, dass eine geringe Menge, beispielsweise etwa 1 Gewichts-ye Agar-Agar dem Wasser zugesetzt wird·. Das antstandene Produkt ist flexibel, es kann zu dünnaη Filmen vergossen werden und wie eine Polymermembran behanaalt werden» und zwar in einer V/eise, die für einen wirklich flüssigen Film nicht in Frage kommt. Wenngleich ein solcher Film eine Unterlage benötigt, so braucht das Unterlagemedium, wenngleich as porös ist, nicht nichtbenetzbar zu sein. Baispielsweise kann ein unter Verwendung von Wasser und Agar-Agar hergestellter Se!film einer
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Dicke von 0,125 mm auf nicht behandeltes Papier, welches als ■ Trägermedium dient, gegossen werden.
Die Permeabilitätseigenschaften einer solchen Pilmkomposition wurden dadurch festgestellt, dass man einen 1,75 mm dicken Gelfilm auf einen als Unterlage dienenden Siiikonkautschukfilm einer Dicke von 0,075 ram*aufgoss und sodann die Messungen vornahm .
Die durch Wanderungsmessungen von Sauerstoff und Kohlendioxyd ergaben (unter Vernachlässigung des Widerstands des verhältnismässig sehr dünnen Silikonkautschukfilms) einen Durchdringungswert von 10 χ 10 3 cnr an Gas, cm für Sauerstoff und von
see, cm2, cm Hg.
las, cm
sec, cm2, cm Hg.
224- x 10"9 cm3 an Gas, cm für Kohlendioxyd.
Diese Werte liegen relativ nahe bei den Liessergebnissen, die für die Durchdringungswerte der gleichen Gase durch eine reine Plüssigwasserschicht, die von Silikonkautschuk getragen wird, ermittelt wurden.
weitere Verfahrensweise, die gleichfalls mit jirfolg bei Wasser anwendbar ist, besteht in der Plastifizierung bzw. vVeichmachung eines Polymerfilms mit der flüssigkeit, die als permeables Medium dient. Beispielsweise kann ein Polyvinylalkoholfilm (PVA) einem mit Wasser gesättigten Gas ausgesetzt v/erden. Der PVA-PiIm wird dabei plastifiziert, der Ulm wird / um einen Paktor bis etwa 2 dicker, wobei die erfolgende Quellung das Resultat der Wasseraufnahme durch den PiIm ist.
Tests haben ergeben, dass ein solcher plastifizierter pVA-iVxX\i
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einen Trennfaktor (Partialdrucknn /Partialdruck^ ) von 36 für COg/^ ^88*·*2DiQS stellt einen überraschend hohen Wert dar, da selbst Wasserfilme per se einen solch hohen Trennfaktor-tfert nicht erreichen.
Der Polyvinylalkohol löst sich langsam im aufgenommenen Wasser auf, vor allem bei höheren Temperaturen, iian kann jedoch diese an β ion unerwünschte .Erscheinung dadurch verhindern, dass man den Polyvinylalkohol vernetzt, wenn der Film sich in dem gequollenen plastifizieren Zustand befindet; eine solche Vernetzung wird beispielsweise durch Jälektronenbestrahlung bewirkt, Im vernetzten Zustand löst sich der Polyvinylalkoholilra nicht auf und stellt daher zusammen mit seinem immobilierten Wassergehalt eine Dauermembran dar.
Durchdringungen^sBungen beim vernetzten plastifizierten Film ergaben, dass die Vernetzung praktisch keine Veränderung der Durchdringungegeschwindigkeiten zur Folge hat.
Es liegt also vorliegender .Erfindung die allgemeine Erkenntnis zugrunde, dass es nicht nur möglich sondern überaus fortschrittlich ist, Flüssigfilme, und zwar entweder im unterstützten oder immobilisierten Zustand, ale selektiv permeable Schranicen-edien einzusetzen. Die Herstellung und die Verwendung solcli flüssiger Schrankenmedien führt nicht nur zu Kompositionen, die ir. 3s3U3 auf die Trennfaktoren den Polymerfilcen des Standes d r; Technik sprunghaft überlegen sind, es werden darüberhinaus ■. oh nce-i bemerkenswert hohe Durchdringungsgesphwindig'xeiti1"-; rrsiüh;:-
Ferner besitzen überraschenderweise feste So\-=?^l:^-moil-mf :lu denen ein flüssigee selektiv permeables #>.■'■-■_ iyoi^v.^s-veia-i
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bis zu etwa 50 Gewichtsprozent) eingeschlossen ist, sehr ' grosse Trennfaktoren; im "Falle des mittels Wasser plastifizieren Polyvinylallcohols liegt der Trennfaktor, wie gefunden wurde, sogar über demjenigen eines Wasserfilms im nicht unterstützten Zustand.
Es darf schliesslich n*och betont werden, dass der Ausdruck "flüssig" bzw. "Flüssigkeit" sich nicht auf reine Flüssigkeiten beschränkt, sondern dass auch Flüssigkeitsmischungen und Lösungen von Festkörpern in Flüssigkeiten mitumfasst sind, beispielsweise solche, die zur Modifizierung des pH-Werts ■ dienen oder zur Änderung der Konzentration gewisser Jonen.
/Patentansprüche:
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Claims (11)

Patentansprüche
1.) Verfahren zur Änderung der Zusammensetzung von Gasgemischen infolge Durchtritts durch eine permeable Membran, durch die die verschiedenen Komponenten der Gasmischung mit verschiedenen Diffusionsgeschwindigkeiten hindurchwandern, wobei das veränderte Gasgemisch an der anderen Seite der Membran gesammelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der wirksame selektiv permeable PiIm aus einem Flüssigfilm oder einem quasi-Flüssigfilm auf einer Unterlage besteht.
2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigfilm aus einem Wasserfiln besteht.
3.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigfilm aus einem Diäthylenglykolfilm besteht.
4.) Verfahren nach Anspruch Γ bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlage aus einer selektiv permeablen Jueabran besteht.
5.) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die selektiv permeable Membran aus Silikonkautschuk besteht.
6.) Verfahren nach Anspruch 1, 3 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserfilm in Gestalt eines Gels immobilisiert wird.
7.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 5f dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigfilm aus einem mit Wasser plastifizieren bzw. weichgemachten Polyvinylalkohol besteht.
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ORIGWAL INSPECTED
- Patentansprüche - . _ ,
8.) Vorrichtung zur Änderung der Zusammensetzung eines Gasgemisches, welche aus einem geschlossenen Kasten, einem Gaseinlass und einem Gasauslass und einem Schrankenmedium, das den Kasten in eine Einlasskammer und eine Auslasskammer trennt, besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmedium aus einer selektiv permeablen Membran aus einem auf einer Unterlage befindlichen ]?lüssigfilra besteht.
9.) Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigfilm ein immobilisierter JTlüssigfilm ist.
10.) Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlage aus einer festen permeablen Membran besteht,
11.) Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlage eine nicht benetzbare perforierte Oberfläche besitzt.
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