DE3726730A1 - CARBON MEMBRANES AND METHOD FOR THEIR PRODUCTION - Google Patents
CARBON MEMBRANES AND METHOD FOR THEIR PRODUCTIONInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffmembranen, welche für die Trennung von Gasen verwendet werden können. Die Membranen besitzen einen sehr scharfen Abschluß der oberen Porengröße, der für eine gegebene Membran in der Größenordnung von 10% und bevorzugt 5% der wirksamen Porengröße liegt. Somit sind derartige Membranen für die Trennung einer Vielzahl von Gasspezies geeignet, die sich in ihrer Größe voneinander um etwa 10% in der Molekülgröße unterscheiden.The invention relates to a method for producing Carbon membranes, which are used for the separation of gases can be used. The membranes have a very sharp closure of the upper pore size, which for a given membrane in the order of 10% and preferred 5% of the effective pore size is. So these are Membranes for the separation of a variety of Suitable gas species that differ in size differ by about 10% in molecular size.
Das Verfahren umfaßt die Vorbehandlung des Membranmaterials, die Pyrolyse bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit und die danach folgende Aktivierung oder weitere Behandlung für die Änderung der Porengröße.The process involves pretreating the membrane material, pyrolysis at a predetermined rate and the subsequent activation or further treatment for changing the pore size.
Die Verwendung von Membranen für Trennverfahren ist seit vielen Jahrzehnten bekannt. Diese Trennverfahren beruhen auf der selektiven Durchdringung der verschiedenen Molekülteile durch dünne Membranen. In vielen Systemen beruht die Trennung auf der Selektivität der Durchdringung, bedingt durch Größenunterschiede der verschiedenen Spezies in dem Gemisch. Die ersten Verfahren wurden für die Trennung von kolloidalen Spezies und für die Trennung von anderen suspendierten Teilchen kleiner Größe aus Flüssigkeiten verwendet. Unter den ersten Arten von Membranen können Membranen mit einem recht großen und nichthomogenen Porendurchmesser (<10 Å) erwähnt werden, welche für die Trennung von Gemischen mit sehr großen Größenunterschieden der Spezies, die getrennt werden sollten, geeignet waren. Eine spätere Entwicklung betrifft die Umkehr- Osmosemembranen, die für die Entsalzung von Salzwasser verwendet wurden. Parallel wurden Ionenaustauschmembranen für Trennverfahren auf der Grundlage der Elektrodialyse verwendet.The use of membranes for separation processes has been around since known for many decades. These separation processes are based on the selective penetration of the different parts of the molecule through thin membranes. Based in many systems the separation on the selectivity of the penetration, due to differences in size of the different species in the mixture. The first procedures were for the Separation of colloidal species and for the separation of other small sized suspended particles from liquids used. Among the first types of membranes can membranes with a fairly large and non-homogeneous Pore diameters (<10 Å), which are suitable for the separation of mixtures with very large size differences the species that should be separated were. A later development concerns the reversal Osmosis membranes used for the desalination of salt water were used. In parallel, ion exchange membranes for separation processes based on electrodialysis used.
Von den wichtigsten Entwicklungen können Hohlfasermembranen erwähnt werden, die eine sehr große Gesamtmembranoberfläche in einem kleinen Modul ergeben und ebenfalls die Möglichkeit eröffnen, daß die Kanten eines jeden Moduls leicht abgedichtet werden können.Of the most important developments can be hollow fiber membranes be mentioned, which have a very large total membrane surface result in a small module and also open up the possibility that the edges of each module can be easily sealed.
Eine weitere Entwicklung betrifft die Erfindung asymmetrischer Membranen, die einen grobporigen dicken Träger, der an einer sehr dünnen, dichten und hochselektiven Membran befestigt ist, umfassen, wobei die dünne Membran für das tatsächliche Trennverfahren verwendet wird, während der grobe Träger die erforderliche mechanische Festigkeit ergibt. Die bekannten Verfahren für die Trennung eines bestimmten Gases oder Gasen aus gasförmigen Gemischen beruhen auf Unterschieden in chemischen oder physikalischen Eigenschaften der verschiedenen Bestandteile.Another development relates to the invention more asymmetrically Membranes that have a coarse-pored thick support, on a very thin, dense and highly selective membrane attached, the thin membrane for the actual separation process is used while the coarse support the required mechanical strength results. The known methods for the separation of a certain gases or gases from gaseous mixtures are based on differences in chemical or physical Properties of the various components.
Die chemischen Verfahren umfassen cyclische Verfahren, bei denen für die Entfernung der Bestandteile bestimmte Chemikalien verwendet werden. Ein Beispiel ist die Entfernung von Schwefelwasserstoff aus Naturgas. Dies kann durch das Eisenschwammverfahren erfolgen, bei dem ein Reaktor, der ein Bett aus feinverteiltem Eisen enthält, in einem einzigen Durchlauf verwendet wird und bei dem Eisensulfidabfälle zurückbleiben. Ein anderes Verfahren ist das cyclische Aminverfahren, bei dem ein organisches Ammoniumsalz während der Naturgasreinigung erhalten wird, das thermisch zersetzt werden muß, so daß das Amin recyclisiert werden kann. Unter den häufigsten physikalischen Trennverfahren sind solche, die auf fraktionierten Destillationen beruhen. Das üblichste ist die Trennung von Stickstoff und Sauerstoff aus Luft. In einem großen Maßstab (etwa 1000 t/Tag) ist das mehrstufige cryogene Verfahren vom Energiestandpunkt aus unwirtschaftlich. In kleinerem Maßstab sind andere Verfahren wirtschaftlicher. Weiterhin werden Adsorptionsverfahren verwendet, die auf der unterschiedlichen Adsorptionsfähigkeit der verschiedenen Komponenten eines Gasgemisches beruhen. Solche Verfahren werden bevorzugt als mehrstufige cyclische Verfahren in Säulen durchgeführt. Nach der Verwendung muß das Adsorptionsmittel für die Recyclisierung regeneriert werden, was bei niedrigem Druck oder durch Erhitzen erfolgen kann. Verschiedene Trennverfahren beruhen auf der Verwendung spezifischer Zeolite oder von Kohlenstoff-Molekularsieben.The chemical processes include cyclic processes, where those intended for the removal of the components Chemicals are used. Distance is one example of hydrogen sulfide from natural gas. This can by the sponge iron process, in which a Reactor containing a bed of finely divided iron is used in a single pass and in which Iron sulfide waste remains. Another process is the cyclic amine process, in which an organic Ammonium salt is obtained during natural gas cleaning, which must be thermally decomposed so that the amine is recycled can be. Among the most common physical Separation processes are those based on fractional ones Distillations are based. The most common is separation of nitrogen and oxygen from air. In a big one The benchmark (around 1000 t / day) is the multi-stage cryogenic Process from the energy point of view uneconomical. On a smaller scale, other processes are more economical. Adsorption processes are also used which on the different adsorption capacity of the different components of a gas mixture are based. Such methods are preferred as multi-stage cyclic processes carried out in columns. To the adsorbent must be used for recycling be regenerated what at low pressure or can be done by heating. Different separation processes are based on the use of specific zeolites or of carbon molecular sieves.
Die Erfindung betrifft neue Kohlenstoffmembranen für die Verwendung bei der Trennung von Gasspezies voneinander. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Trennverfahren von Gasspezies voneinander, wenn sie mit einem solchen Verfahren bzw. unter Verwendung einer solchen Kohlenstoffmembran durchgeführt werden.The invention relates to new carbon membranes for the Use when separating gas species from each other. The invention further relates to a separation process from Gas species from each other when using such a procedure or using such a carbon membrane be performed.
Die Kohlenstoffmembranen werden aus geeigneten Vorstufenmaterialien, die eine Pyrolyse erleiden können, hergestellt, und sie zeigen keine Porenlöcher oder Risse nach dem Pyrolyseverfahren auf.The carbon membranes are made from suitable precursor materials, that can undergo pyrolysis, and they show no pore holes or cracks the pyrolysis process.
Die Permeabilität beruht auf der Bildung eines offenporigen Systems von Molekulardimensionen, wobei die Poren einen scharfen Schnitt bzw. eine scharfe Beendigung bzw. einen scharfen Abschluß (cutoff) der vorbestimmten gewünschten oberen Größe zeigen. Aufgrund dieser Tatsache können Moleküle mit kleinerer Größe durch die Kohlenstoffmembranen hindurchgehen, wohingegen irgendwelche gasförmigen Moleküle mit einer Größe, die größer ist als die Porengröße, durch die Membran nicht hindurchgehen können. Die Selektivität der Membranen wird somit durch die Schaffung von im wesentlichen einheitlichen Poren bestimmt, wobei die Größe zwischen der der gasförmigen Molekülspezies, die durchgehen sollen, und der, die zurückgehalten werden sollen, liegt.The permeability is based on the formation of an open pore System of molecular dimensions, the pores a sharp cut or a sharp termination or a sharp cutoff of the predetermined desired show upper size. Due to this fact can molecules of smaller size through the carbon membranes go through, whereas any gaseous molecules with a size that is larger than the pore size, do not pass through the membrane can. The selectivity of the membranes is thus the creation of essentially uniform pores determined, the size between that of the gaseous Molecular species that should go through and the one that is held back should be.
Der Ausdruck "Pore" soll nicht ein bestimmtes Loch bestimmter Größe, sondern ein Porensystem definieren, welches Flaschenhälse längs des Wegs des durchdringenden Gases aufweist, die die Permeabilität und Selektivität bestimmen. Wenn die wirksame Größe solcher Verengungen im wesentlichen einheitlich ist, wird ein hoher Grad an Selektivität erhalten. Der Ausdruck "Porengröße" dient als Arbeitstheorie und zeigt den Abschlußwert der Molekülgröße der Gase an, die entweder hindurchgehen oder die davon zurückgehalten werden, daß sie durch solche Membranen hindurchgehen.The term "pore" is not intended to identify a particular hole Size, but define a pore system which Bottle necks along the path of the penetrating gas which determine the permeability and selectivity. If the effective size of such constrictions in the is essentially uniform, a high degree of Get selectivity. The term "pore size" is used as working theory and shows the final value of the molecular size of gases that either go through or who are held back by being held by such Go through membranes.
Das Material der Membran ist Kohlenstoff, welches ein festes schwarzes Material ist, das nicht bis zu etwa 3500°C schmilzt und welches in organischen Lösungsmitteln unlöslich ist. Es enthält mindestens 70 Gew.-% Kohlenstoff (das Element), und es scheint ein Polymeres aus kondensierten aromatischen Ringen mit hohem Molekulargewicht zu sein. Der Ausdruck "Membran" bezeichnet eine dünne Schicht oder Folie aus dem Material. Es kann ebenfalls in Röhrenform sein, wenn der Durchmesser und die Wanddicke die wichtigen Dimensionen definieren. The material of the membrane is carbon, which is a solid black material that is not up to about 3500 ° C melts and which in organic solvents is insoluble. It contains at least 70% by weight of carbon (the element), and it appears to be a condensed polymer aromatic rings with high molecular weight to be. The term "membrane" denotes a thin one Layer or foil from the material. It can also be in tube shape if the diameter and wall thickness define the important dimensions.
Die erfindungsgemäßen Membranen werden eine Dicke von etwa 1 bis 100 µm besitzen, wobei der bevorzugte Bereich etwa 5 µm bis etwa 30 µm beträgt. Röhrenförmige Membranen besitzen einen Durchmesser von etwa 5 bis 1000 µm mit einer Wanddicke von 1 µm bis etwa 300 µm.The membranes according to the invention have a thickness of about 1 to 100 microns, with the preferred range is about 5 µm to about 30 µm. Tubular membranes have a diameter of about 5 to 1000 microns a wall thickness of 1 µm to about 300 µm.
Als Ausgangsmaterial kann man eine Vielzahl von Kohlenstoff enthaltenden, nichtschmelzenden Materialien verwenden, wie regenerierte Cellulose, Cuprophan-Cellulose, Cellulose, wärmehärtende Polymere und ebenfalls Acrylver bindungen.A variety of carbon can be used as the starting material containing non-melting materials, such as regenerated cellulose, cuprophan cellulose, Cellulose, thermosetting polymers and also Acrylver bonds.
Die Pyrolysetemperatur variiert in einem großen Bereich von 250°C bis über 1500°C. Der bevorzugte Bereich beträgt etwa 400°C bis etwa 900°C. Es gibt eine bevorzugte Erhitzungsgeschwindigkeit, wie von etwa 1°C/min bis etwa 10°C.The pyrolysis temperature varies within a wide range from 250 ° C to over 1500 ° C. The preferred range is about 400 ° C to about 900 ° C. There is a preferred rate of heating, such as from about 1 ° C / min to about 10 ° C.
Bei höheren Erwärmungsgeschwindigkeiten können Pinholes (kleine Löcher) und selbst mikroskopische Risse gebildet werden, wodurch die Selektivität der Membran verringert wird, und in extremen Fällen können die Membranen für den beabsichtigten Zweck nutzlos werden.At higher heating speeds, pinholes (small holes) and even microscopic cracks formed are reduced, which reduces the selectivity of the membrane will, and in extreme cases, the membranes for the intended purpose become useless.
Die Pyrolyse ergibt die allmähliche Zersetzung des Materials, welches als Ausgangsmaterial verwendet wurde, wobei die Morphologie und Dimensionen des Materials im wesentlichen während der Pyrolyse unverändert bleiben.Pyrolysis results in the gradual decomposition of the material, which was used as the starting material, wherein the morphology and dimensions of the material essentially remain unchanged during pyrolysis.
Die gasförmigen Spezies, die getrennt werden können, besitzen eine wirksame Größe in der Größenordnung von einigen Angström. Es ist wesentlich, daß Membranen mit einer scharfen Abgrenzung der Porengröße mit einem vorbestimmten Wert gebildet werden, im allgemeinen im Bereich von 2 Å bis 10Å und bevorzugt im Bereich von 2,5 Å bis 6 Å.Have the gaseous species that can be separated an effective size on the order of a few Angstrom. It is essential that membranes with a sharp delimitation of the pore size with a predetermined Be formed, generally in the range of 2 Å to 10 Å and preferably in the range of 2.5 Å to 6 Å.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für die Herstellung von Kohlenstoffmembranen gewünschter Porengröße werden Folien bzw. Platten oder röhrenförmige Membranen der organischen Vorstufen, welche die Membrangeometrie vorgegeben haben, verwendet. Bei dem Pyrolyseverfahren bleibt die gegebene Geometrie erhalten.In the manufacturing method according to the invention of carbon membranes of desired pore size Films or plates or tubular membranes of organic Precursors, which specified the membrane geometry have used. The pyrolysis process remains get the given geometry.
Die Vorstufenmaterialien sollten während der Pyrolyse nicht schmelzen oder sich erweichen. Die Geschwindigkeit der Pyrolyse (Carbonisierung) wird so gewählt, daß sie so niedrig ist, daß die Bildung von Rissen oder Pinholes vermieden wird.The precursor materials should be during pyrolysis do not melt or soften. The speed the pyrolysis (carbonization) is chosen so that it is so low that the formation of cracks or pinholes is avoided.
Die Atmosphäre, bei der die Pyrolyse durchgeführt wird, wird so kontrolliert, daß ein unerwünschtes Abbrennen des Membranmaterials vermieden wird, welches Pinholes oder Poren größer als die erlaubte Größe ergeben würde.The atmosphere in which the pyrolysis is carried out is controlled so that an undesired burning of the Membrane material is avoided, which pinholes or Pores larger than the allowed size would result.
Die Pyrolyse wird bevorzugt in Inertatmosphäre durchgeführt. Geeignete Medien für eine solche Pyrolyse sind Inertgase, wie Argon, Kohlenstoffdioxid etc.The pyrolysis is preferably carried out in an inert atmosphere. Suitable media for such pyrolysis are Inert gases such as argon, carbon dioxide etc.
Die Erwärmungsrate bzw. -geschwindigkeit kann innerhalb großer Grenzen, abhängig ebenfalls von der Natur des Ausgangs-Membranmaterials, variiert werden. Die Geschwindigkeit wird im allgemeinen im Bereich von 1°C/min bis etwa 10°C/min liegen. Man kann schnellere oder langsamere Erwärmungsgeschwindigkeiten verwenden.The heating rate or rate can be within large limits, also depending on the nature of the Starting membrane material can be varied. The speed is generally in the range of 1 ° C / min to about 10 ° C / min. You can go faster or slower Use heating rates.
Das Membranmaterial wird bevorzugt mit bestimmten Chemikalien einer Vorbehandlung unterworfen, so daß die Einheitlichkeit des Porensystems, welches bei der Pyrolyse gebildet wird, verbessert wird.The membrane material is preferred with certain chemicals subjected to pretreatment so that uniformity of the pore system, which occurs during pyrolysis is formed, is improved.
Unter diesen können Ammoniumsalze, wie Ammoniumchlorid, Chlor, Brom, Fluor, Flammschutzmittel, Chlorwasserstoff, Bromwasserstoff, Sauerstoff und Luft erwähnt werden.Among them, ammonium salts such as ammonium chloride, Chlorine, bromine, fluorine, flame retardant, hydrogen chloride, Hydrogen bromide, oxygen and air can be mentioned.
Die Permeabilität wird in an sich bekannter Weise bestimmt; die Ergebnisse werden als Barrer-Einheit angege ben.The permeability is determined in a manner known per se; the results are reported as a Barrer unit ben.
Wenn eine Membran nach der Pyrolyse eine gegebene Porengröße besitzt, ist es möglich, die wirksame Größe der Poren zu vergrößern und ihre Einheitlichkeit beizubehalten, indem man verschiedene Nachbehandlungen, wie ein Erwärmen bei erhöhter Temperatur, durchführt. Eine solche Vergrößerung kann beispielsweise erhalten werden, indem man die Membran einer Luftströmung bei 400°C während etwa 15 Minuten unterwirft, was eine Erhöhung der Porengröße von etwa 3 Å bis etwa 6 Å ergibt.If a membrane has a given pore size after pyrolysis possesses, it is possible to determine the effective size of the pores enlarge and maintain their uniformity, by doing various post-treatments such as heating at elevated temperature. Such an enlargement can be obtained, for example, by using the Air flow membrane at 400 ° C for about 15 minutes subjects what an increase in pore size from about 3 Å to about 6 Å.
Die Permeabilität der entstehenden Membran wird für ein gegebenes Gaspaar gemessen, und das Verhältnis der Permeabilitäten ergibt die Selektivität der Membran für solche Gase.The permeability of the resulting membrane is for a given gas pair measured, and the ratio of permeabilities gives the selectivity of the membrane for such Gases.
Es ist bevorzugt, die Membran nach der Pyrolyse einer Atmosphäre aus Luft, Sauerstoff etc. bei erhöhter Temperatur auszusetzen. Es ist ebenfalls bevorzugt, die Membran danach im Vakuum während einer bestimmten Zeit zu erhitzen. Bestimmte Versuche wurden durchgeführt, nachdem das Membranmaterial mit Ammoniumchlorid besprüht wurde. Weiterhin wurde die Pyrolyse unter einer Kohlendioxid-Atmosphäre bei Umgebungsdruck durchgeführt, es erfolgte eine Behandlung bei erhöhter Temperatur und Umgebungsdruck mit Wasserstoff und eine Abkühlung unter Wasserstoff und eine Einwirkung von Luft.It is preferred to membrane after pyrolysis of an atmosphere from air, oxygen etc. at elevated temperature to suspend. It is also preferred to use the membrane then heat in vacuum for a period of time. Certain attempts were made after the membrane material was sprayed with ammonium chloride. Farther was pyrolysis under a carbon dioxide atmosphere performed at ambient pressure, treatment was given at elevated temperature and ambient pressure with Hydrogen and cooling under hydrogen and one Air exposure.
Das Verfahren kann auf gleiche Weise mit einer Oxidationsstufe bei erhöhter Temperatur unter Sauerstoff nach der Pyrolysestufe vor den darauffolgenden Stufen durchgeführt werden.The process can be carried out in the same way with an oxidation step at elevated temperature under oxygen after the Pyrolysis stage carried out before the subsequent stages will.
Die Pyrolyse beginnt bereits bei etwa 200°C, und bei bestimmten Bedingungen ist es möglich, die erfindungsgemäße Pyrolysestufe bereits bei 150°C und sogar bei noch niedrigeren Temperaturen durchzuführen.Pyrolysis begins at around 200 ° C, and at certain It is possible to use the conditions according to the invention Pyrolysis level already at 150 ° C and even at perform lower temperatures.
Es ist bevorzugt, die Membran nach der Pyrolyse Luft während einiger Stunden, im allgemeinen bei einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und etwa 200°C, auszusetzen.It is preferred to air the pyrolysis after pyrolysis a few hours, generally at one temperature between room temperature and about 200 ° C, suspend.
Es ist im allgemeinen bevorzugt, danach eine weitere Stufe durchzuführen: die Membran im Vakuum bei erhöhter Temperatur im allgemeinen im Bereich von 400 bis 800°C zu behandeln. Anstatt einer solchen Vakuumbehandlung ist es ebenfalls möglich, die Membran mit einem Inertgas bei erhöhter Temperatur zu spülen. Wird die Membran einer oxidierenden Atmosphäre nach der Pyrolysestufe ausgesetzt, ergibt dies eine Erhöhung der Porengröße. Die entstehenden Membranen besitzen besonders einheitliche Poren, die obere Grenze davon unterscheidet sich um nicht mehr als etwa 5 bis 10% voneinander. Membranen mit einer oberen Grenze der Porengröße ermöglichen die Trennung von Gasspezies mit ähnlichen Dimensionen, wobei der einheitliche obere Bereich der Porengröße natürlich zwischen der Größe der Gasmoleküle, welche getrennt werden sollen, liegt. Ein Erhitzen auf über 700°C erniedrigt die Porengröße, bedingt durch Sintern. It is generally preferred to go to a further stage afterwards carry out: the membrane in vacuum at elevated temperature generally in the range of 400 to 800 ° C to treat. Instead of such a vacuum treatment, it is also possible to increase the membrane with an inert gas Rinse temperature. If the membrane becomes an oxidizing Exposed to atmosphere after the pyrolysis stage, this results in an increase in pore size. The emerging Membranes have particularly uniform pores, the upper one Border from it differs by no more than about 5 to 10% of each other. Membranes with an upper limit the pore size allow the separation of gas species of similar dimensions, with the uniform top Range of pore size naturally between the size of the Gas molecules that are to be separated are located. A Heating to over 700 ° C reduces the pore size, conditionally by sintering.
Die Anfangs-Erwärmungsstufe, die Pyrolyse, wird in Inertatmosphäre, wie einem Inertgas, Kohlendioxid oder einem ähnlichen Gas, durchgeführt. Es ist weiterhin möglich, einen Teil der Pyrolyse in einer Luft- oder Sauerstoffatmosphäre durchzuführen und die Pyrolyse in inerter Atmosphäre oder im Vakuum zu beendigen.The initial heating stage, the pyrolysis, is carried out in an inert atmosphere, like an inert gas, carbon dioxide or one similar gas. It is still possible part of the pyrolysis in an air or oxygen atmosphere perform and pyrolysis in an inert atmosphere or quit in a vacuum.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung. Sie sind in Tabelle I zusammengefaßt.The following examples illustrate the invention. you are summarized in Table I.
Eine Cellulosemembran wurde in Anwesenheit von reinem Argon in einem temperaturprogrammierten Ofen bei einer konstanten Erwärmungsgeschwindigkeit von 1°C/min von Raumtemperatur bis auf 800°C pyrolysiert. Sie wurde dann Luft während mindestens 16 Stunden ausgesetzt und dann bis 800°C während 0,5 Stunden evakuiert. Man erhält eine Koh lenstoff-Molekularsiebmembran, die eine Wasserstoffpermeabilität von 300 Barrer aufweist. Die Methanpermeabilität konnte, weil sie zu niedrig war, mit der vorhandenen Vorrichtung nicht gemessen werden, d. h. die Permeabilität gegenüber Methan lag unter 0,25 Barrer. Dies zeigt, daß die Selektivität dieser Membran gegenüber einem Wasser stoff-Methan-Gemisch bei der Trennung über 300/0,25=1200 liegt.A cellulose membrane was made in the presence of pure argon in a temperature programmed oven at a constant Heating rate of 1 ° C / min from room temperature pyrolyzed to 800 ° C. Then it became air exposed for at least 16 hours and then until Evacuated at 800 ° C for 0.5 hours. You get a Koh lenstoff molecular sieve membrane, which has a hydrogen permeability of 300 barrers. The methane permeability could, because it was too low, with the existing device cannot be measured, d. H. the permeability compared to methane was less than 0.25 barrers. This shows that the selectivity of this membrane over water Substance-methane mixture in the separation over 300 / 0.25 = 1200 lies.
Ein Versuch wurde auf gleiche Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben, durchgeführt, aber die Endpyrolysetemperatur und die Evakuierung erfolgten bei 600°C. Die Permeabilität der entstehenden Kohlenstoffmembran gegenüber Sauerstoff und Stickstoff betrug 98 bzw. 8,2 Barrer, so daß ihre Selektivität für die Trennung eines Sauerstoff/Stickstoff- Gemisches 98/8,2=12 betrug.An experiment was carried out in the same way as in Example 1 described, carried out, but the final pyrolysis temperature and the evacuation took place at 600 ° C. The permeability the resulting carbon membrane against oxygen and nitrogen was 98 and 8.2 barrers, respectively, making their Selectivity for the separation of an oxygen / nitrogen Mixture 98 / 8.2 = 12.
Ein Versuch wurde, wie in Beispiel 1 beschrieben, durchgeführt, aber die Endpyrolyse- und Evakuierungstemperatur betrug 400°C. Die Permeabilität der entstehenden Kohlenstoffmembran für Sauerstoff und Stickstoff betrug 56 bzw. 5,1 Barrer, so daß ihre Selektivität für die Trennung eines Sauerstoff/Stickstoff-Gemisches 56/5,1=11 be trug.A test was carried out as described in Example 1, but the final pyrolysis and evacuation temperature was 400 ° C. The permeability of the resulting carbon membrane for oxygen and nitrogen was 56 or 5.1 barrers, so their selectivity for separation an oxygen / nitrogen mixture 56 / 5.1 = 11 be wore.
Eine Cellulosemembran wurde den folgenden Behandlungen unterworfen:A cellulose membrane was subjected to the following treatments subject:
- 1. Besprühen mit Ammoniumchloridpulver;1. spray with ammonium chloride powder;
- 2. Pyrolysieren in Anwesenheit von Kohlendioxid bei Umgebungsdruck in einem temperaturprogrammierten Ofen bei einer konstanten Erwärmungsgeschwindigkeit von 1°C/min von Umgebungstemperatur bis auf 620°C;2. Pyrolysis in the presence of carbon dioxide at ambient pressure in a temperature programmed oven at a constant heating rate of 1 ° C / min from ambient temperature up to 620 ° C;
- 3. Einwirkung von Wasserstoff bei Umgebungstemperatur bei 620°C während 1 Stunde und Abkühlung in Anwesenheit von Wasserstoff auf Raumtemperatur.3. Exposure to hydrogen at ambient temperature at 620 ° C for 1 hour and cooling in the presence from hydrogen to room temperature.
Die Permeabilität der entstehenden Membran gegenüber Sauerstoff und Stickstoff betrug 12,6 bzw. 0,85 Barrer, so daß ihre Selektivität für die Trennung eines Sauerstoff/ Stickstoff-Gemisches 14,8 betrug. The permeability of the resulting membrane to oxygen and nitrogen was 12.6 and 0.85 Barrer, respectively that their selectivity for the separation of an oxygen / Nitrogen mixture was 14.8.
Die Membran von Beispiel 4 wurde den folgenden zusätzlichen Behandlungen unterworfen:The membrane of Example 4 was added to the following Treated:
- 4. Einwirkung von Luft bei Raumtemperatur während mindestens 16 Stunden;4. Exposure to air at room temperature for at least 16 hours;
- 5. Einwirkung von Wasserstoff bei 620°C während 30 Mi nuten.5. Exposure to hydrogen at 620 ° C for 30 mi grooves.
Die Permeabilität der entstehenden Kohlenstoffmembran für Sauerstoff und Stickstoff beträgt 59 bzw. 4,8 Barrer, so daß ihre Selektivität für dieses Gaspaar 11,6 beträgt.The permeability of the resulting carbon membrane for Oxygen and nitrogen are 59 and 4.8 barrers, respectively that their selectivity for this gas pair is 11.6.
Eine Cellulosemembran wurde den folgenden Behandlungen unterworfen:A cellulose membrane was subjected to the following treatments subject:
- 1. Besprühen mit Ammoniumchloridpulver;1. spray with ammonium chloride powder;
- 2. Pyrolysieren in Anwesenheit von Kohlendioxid bei Umgebungsdruck in einem temperaturprogrammierten Ofen bei einer konstanten Erwärmungsgeschwindigkeit von 1°C/min von Umgebungstemperatur bis auf 620°C;2. Pyrolysis in the presence of carbon dioxide Ambient pressure in a temperature programmed Oven at a constant heating rate from 1 ° C / min from ambient temperature to 620 ° C;
- 3. Oxidieren in Sauerstoff bei 200°C während 1 Stunde;3. Oxidize in oxygen at 200 ° C for 1 hour;
- 4. Einwirkung von Wasserstoff bei Umgebungsdruck bei 620°C während 1 Stunde und Abkühlen in Anwesenheit von Wasserstoff auf Raumtemperatur;4. Exposure to hydrogen at ambient pressure 620 ° C for 1 hour and cooling in the presence from hydrogen to room temperature;
- 5. Einwirkung von Luft bei Raumtemperatur während mindestens 16 Stunden.5. Exposure to air at room temperature for at least 16 hours.
Die Permeabilität der entstehenden Kohlenstoffmembran für Sauerstoff und Stickstoff betrug 49 bzw. 4,9 Barrer, so daß ihre Selektivität für dieses Gaspaar 10 betrug.The permeability of the resulting carbon membrane for Oxygen and nitrogen were 49 and 4.9 Barrer, respectively that their selectivity for this gas pair was 10.
Die Membran von Beispiel 6 wurde weiter behandelt durch:The membrane of Example 6 was further treated by:
- 6. Evakuierung bei 200°C während 1 Stunde. Die entstehenden O₂- und N₂-Permeabilitäten betrugen 115 bzw. 16,7 Barrer, und die entsprechende Selektivität betrug 6,8.6. Evacuation at 200 ° C for 1 hour. The emerging O₂ and N₂ permeabilities were 115 and 16.7 Barrer, and the corresponding selectivity was 6.8.
Eine Cellulosemembran wurde den folgenden Behandlungen unterworfen:A cellulose membrane was subjected to the following treatments subject:
- 1. Besprühen mit einem Ammoniumchloridpulver;1. spray with an ammonium chloride powder;
- 2. Pyrolysieren in Anwesenheit von Kohlendioxid bei Umgebungsdruck in einem temperaturprogrammierten Ofen bei einer konstanten Erwärmungsgeschwindigkeit von 1°C/min von Umgebungstemperatur bis zu 620°C;2. Pyrolysis in the presence of carbon dioxide at ambient pressure in a temperature programmed oven at a constant heating rate of 1 ° C / min from ambient temperature up to 620 ° C;
- 3. Oxidation in Sauerstoff bei 180°C während 3 Stunden;3. Oxidation in oxygen at 180 ° C for 3 hours;
- 4. Einwirkung von Wasserstoff bei Umgebungsdruck bei 620°C während 1 Stunde und Abkühlen in Anwesenheit von Wasserstoff auf Raumtemperatur;4. Exposure to hydrogen at ambient pressure 620 ° C for 1 hour and cooling in the presence from hydrogen to room temperature;
- 5. Einwirkung von Luft bei Raumtemperatur während mindestens 16 Stunden.5. Exposure to air at room temperature for at least 16 hours.
Die entstehenden O₂- und N₂-Permeabilitäten betrugen 61 bzw. 5,5 Barrer, und die entsprechende Selektivität betrug 11. The resulting O₂ and N₂ permeabilities were 61 or 5.5 barrers, and the corresponding selectivity was 11.
Die Membran von Beispiel 8 wurde weiter behandelt durch:The membrane of Example 8 was further treated by:
- 6. Evakuierung bei 600°C. Die entstehenden O₂- und N₂- Permeabilitäten betrugen 117 bzw. 21 Barrer, und die entsprechende Selektivität betrug 5,6.6. Evacuation at 600 ° C. The resulting O₂- and N₂- Permeabilities were 117 and 21 barrers, respectively, and corresponding selectivity was 5.6.
Eine Cellulosemembran wurde den folgenden Behandlungen unterworfen:A cellulose membrane was subjected to the following treatments subject:
- 1. Besprühen mit Ammoniumchloridpulver;1. spray with ammonium chloride powder;
- 2. Pyrolysieren in Anwesenheit von Kohlendioxid bei Umgebungsdruck in einem temperaturprogrammierten Ofen bei einer konstanten Erwärmungsgeschwindigkeit von 1°C/min von Umgebungstemperatur bis zu 620°C;2. Pyrolysis in the presence of carbon dioxide at ambient pressure in a temperature programmed oven at a constant heating rate of 1 ° C / min from ambient temperature up to 620 ° C;
- 3. Oxidation in Sauerstoff bei 180°C während 1 Stunde;3. Oxidation in oxygen at 180 ° C for 1 hour;
- 4. Einwirkung von Wasserstoff bei Umgebungsdruck bei 620°C während 15 Minuten und Abkühlen in Anwesenheit von Wasserstoff auf Raumtemperatur, dann wurde der Wasserstoff abgepumt;4. Exposure to hydrogen at ambient pressure 620 ° C for 15 minutes and cooling in the presence from hydrogen to room temperature, then the Pumped off hydrogen;
- 5. die Stufen 3. und 4. wurden zweimal wiederholt (das erste Mal wurde die Stufe 3. auf 16 Stunden anstelle von 1 Stunde ausgedehnt);5. Levels 3 and 4 were repeated twice (the Level 3 was held for the first time at 16 hours extended by 1 hour);
- 6. die Membran wurde Luft während mindestens 16 Stunden ausgesetzt.6. The membrane became air for at least 16 hours exposed.
Die entstehenden O₂- und N₂-Permeabilitäten betrugen 68 bzw. 7 Barrer, und die entsprechende Selektivität betrug 9,6. The resulting O₂ and N₂ permeabilities were 68 or 7 barrers, and the corresponding selectivity was 9.6.
Die Membran von Beispiel 10 wurde weiter behandelt durch:The membrane of Example 10 was further treated by:
- 7. Evakuierung bei 200°C während 1 Stunde.7. Evacuation at 200 ° C for 1 hour.
Die entstehenden O₂- und N₂-Permeabilitäten betrugen 300 bzw. 50 Barrer, und die entsprechende Selektivität betrug 6.The resulting O₂ and N₂ permeabilities were 300 or 50 Barrer, and the corresponding selectivity was 6.
Eine Cellulosemembran wurde den folgenden Behandlungen unterworfen:A cellulose membrane was subjected to the following treatments subject:
- 1. Besprühen mit einem Ammoniumchloridpulver;1. spray with an ammonium chloride powder;
- 2. Pyrolysieren in Anwesenheit von Kohlendioxid bei Umgebungsdruck in einem temperaturprogrammierten Ofen bei einer konstanten Erwärmungsgeschwindigkeit von 1°C/min von Umgebungstemperatur bis zu 620°C;2. Pyrolysis in the presence of carbon dioxide Ambient pressure in a temperature programmed Oven at a constant heating rate from 1 ° C / min from ambient temperature up to 620 ° C;
- 3. Oxidiere in Sauerstoff bei 180°C während 16 Stunden;3. Oxidize in oxygen at 180 ° C for 16 hours;
- 4. Einwirkung von Wasserstoff bei Umgebungsdruck bei 620°C während 10 Minuten und Abkühlen in Anwesenheit von Wasserstoff auf Raumtemperatur, dann wurde der Wasserstoff herausgepumpt;4. Exposure to hydrogen at ambient pressure 620 ° C for 10 minutes and cooling in the presence from hydrogen to room temperature, then the Pumped out hydrogen;
- 5. die Stufen 3. und 4. wurden zweimal wiederholt;5. Levels 3 and 4 were repeated twice;
- 6. die Membran wurde Umgebungsluft während mindestens 16 Stunden ausgesetzt.6. The membrane was exposed to ambient air for at least Exposed for 16 hours.
Die entstehenden O₂- und N₂-Permeabilitäten betrugen 106 bzw. 13,7 Barrer, und die entsprechende Selektivität betrug 7,7. The resulting O₂ and N₂ permeabilities were 106 or 13.7 Barrer, and the corresponding selectivity was 7.7.
Die Membran von Beispiel 12 wurde weiter behandelt durch:The membrane of Example 12 was further treated by:
- 7. Evakuierung bei 200°C während 1 Stunde.7. Evacuation at 200 ° C for 1 hour.
Die entstehenden O₂- und N₂-Permeabilitäten betrugen 361 bzw. 51,7 Barrer, und die entsprechende Selektivität betrug 7.The resulting O₂ and N₂ permeabilities were 361 and 51.7 Barrer, respectively, and the corresponding selectivity was 7.
Eine Cellulosemembran wurde den folgenden Verfahrensstufen unterworfen:A cellulose membrane was the following process steps subject:
- 1. Besprühen mit Ammoniumchloridpulver;1. spray with ammonium chloride powder;
- 2. Pyrolysieren in Anwesenheit von Kohlendioxid bei Umgebungsdruck in einem temperaturprogrammierten Ofen bei einer konstanten Erwärmungsgeschwindigkeit von 1°C/min von Umgebungstemperatur bis zu 620°C;2. Pyrolysis in the presence of carbon dioxide at ambient pressure in a temperature programmed oven at a constant heating rate of 1 ° C / min from ambient temperature up to 620 ° C;
- 3. bei 620°C wurde die CO₂-Gasphase durch reines Argon ersetzt, und die Temperatur wurde bis auf 900°C bei der gleichen konstanten Geschwindigkeit von 1°C/min erhöht. Die Membran wurde dann auf Raumtemperatur abgekühlt, und sie besaß gegenüber Sauerstoff keine Permeabilität.3. at 620 ° C, the CO₂ gas phase was pure argon replaced, and the temperature was reduced to 900 ° C the same constant speed of 1 ° C / min elevated. The membrane was then brought to room temperature cooled, and she had none against oxygen Permeability.
Die Membran von Beispiel 14 wurde weiter behandelt durch:The membrane of Example 14 was further treated by:
- 4. Oxidation mit Sauerstoff bei 300°C während 7 Stunden.4. Oxidation with oxygen at 300 ° C for 7 hours.
Die entstehenden O₂- und N₂-Permeabilitäten betrugen 850 bzw. 195 Barrer, und die entsprechende Selektivität war 4,4.The resulting O₂ and N₂ permeabilities were 850 or 195 Barrer, and the corresponding selectivity was 4.4.
Die Membran von Beispiel 15 wurde weiter behandelt durch:The membrane of Example 15 was further treated by:
- 5. weitere Oxidation mit Sauerstoff bei 300°C während 7 Stunden.5. Further oxidation with oxygen at 300 ° C during 7 hours.
Die entstehenden O₂- und N₂-Permeabilitäten betrugen 1913 bzw. 786 Barrer, und die entsprechende Selektivität betrug 2,4.The resulting O₂ and N₂ permeabilities were 1913 or 786 Barrer, and the corresponding selectivity was 2.4.
Eine Cellulosemembran wurde den folgenden Behandlungen unterworfen:A cellulose membrane was subjected to the following treatments subject:
- 1. Besprühen mit Ammoniumchloridpulver;1. spray with ammonium chloride powder;
- 2. Pyrolysieren in Anwesenheit von Kohlendioxid bei Umgebungsdruck in einem temperaturprogrammierten Ofen bei einer konstanten Erwärmungsgeschwindigkeit von 1°C/min von Umgebungstemperatur bis zu 620°C;2. Pyrolysis in the presence of carbon dioxide at ambient pressure in a temperature programmed oven at a constant heating rate of 1 ° C / min from ambient temperature up to 620 ° C;
- 3. Oxidation in Sauerstoff bei 180°C während 16 Stunden;3. Oxidation in oxygen at 180 ° C for 16 hours;
- 4. Einwirkung von Wasserstoff bei Umgebungsdruck bei 620°C während 15 Minuten und Abkühlen in Anwesenheit von Wasserstoff auf Raumtemperatur, dann wurde der Wasserstoff abgepumpt;4. Exposure to hydrogen at ambient pressure 620 ° C for 15 minutes and cooling in the presence from hydrogen to room temperature, then the Pumped off hydrogen;
- 5. die Stufen 3. und 4. wurden zweimal wiederholt. Die letzte Hydrierungsstufe betrug 800°C während 1 Stun de.5. Levels 3 and 4 were repeated twice. The last hydrogenation stage was 800 ° C for 1 hour de.
Die entstehenden O₂- und N₂-Permeabilitäten betrugen 700 bzw. 212 Barrer, und die entsprechende Selektivität betrug 3,3. Dieses Beispiel wurde als Vergleichsbeispiel für das nächste Beispiel durchgeführt, bei dem eine chemische Dampfabscheidung verwendet wurde.The resulting O₂ and N₂ permeabilities were 700 or 212 Barrer, and the corresponding selectivity was 3.3. This example was used as a comparative example for the next example, where a chemical Vapor separation was used.
Die Membran von Beispiel 17 wurde weiter durch chemische Dampfabscheidung von Methan bei 720°C während 20 Minuten behandelt. Die entstehenden O₂- und N₂-Permeabilitäten betrugen 147 bzw. 19,1 Barrer, und die entsprechende Selektivität betrug 7,7. Vergleicht man dieses Ergebnis mit dem von Beispiel 12, so ist offensichtlich, daß die CVD- Behandlung eine Verringerung der Sauerstoffpermeabilität und eine Erhöhung der Selektivität über Stickstoff be wirkt.The membrane of Example 17 was further modified by chemical Vapor separation of methane at 720 ° C for 20 minutes treated. The resulting O₂ and N₂ permeabilities were 147 and 19.1 barrers, respectively, and the corresponding selectivity was 7.7. If you compare this result with that of Example 12, it is evident that the CVD Treatment a reduction in oxygen permeability and an increase in selectivity over nitrogen works.
Eine Cellulosemembran wurde den folgenden Behandlungen unterworfen:A cellulose membrane was subjected to the following treatments subject:
- 1. Besprühen mit Ammoniumchloridpulver;1. spray with ammonium chloride powder;
- 2. Pyrolysieren in Anwesenheit von Kohlendioxid bei Umgebungsdruck in einem temperaturprogrammierten Ofen bei einer konstanten Erwärmungsgeschwindigkeit von 1°C/min von Umgebungstemperatur bis auf 700°C;2. Pyrolysis in the presence of carbon dioxide Ambient pressure in a temperature programmed Oven at a constant heating rate from 1 ° C / min from ambient temperature to 700 ° C;
- 3. Entgasen bei 200°C während 1 Stunde.3. Degassing at 200 ° C for 1 hour.
Die entstehenden H₂- und Ar-Permeabilitäten betrugen 520 bzw. 0,5 Barrer, und die entsprechende Selektivität betrug 1040. The resulting H₂ and Ar permeabilities were 520 or 0.5 Barrer, and the corresponding selectivity was 1040.
Eine Cellulosemembran wurde den folgenden Behandlungen unterworfen:A cellulose membrane was subjected to the following treatments subject:
- 1. Besprühen mit Ammoniumchloridpulver;1. spray with ammonium chloride powder;
- 2. Pyrolysieren in Anwesenheit von Kohlendioxid bei Umgebungsdruck in einem temperaturprogrammierten Ofen bei einer konstanten Erwärmungsgeschwindigkeit von 1°C/min von Umgebungstemperatur auf 650°C;2. Pyrolysis in the presence of carbon dioxide Ambient pressure in a temperature programmed Oven at a constant heating rate from 1 ° C / min from ambient temperature to 650 ° C;
- 3. Aktivieren in einem Gemisch aus 1 : 1 Wasserstoff- Kohlendioxid bei 500°C während 2 Stunden.3. Activate in a mixture of 1: 1 hydrogen Carbon dioxide at 500 ° C for 2 hours.
Die entstehenden O₂- und Ar-Permeabilitäten betrugen 122 bzw. 13 Barrer, und die entsprechende Selektivität betrug 9,4. Die entstehenden H₂- und Ar-Permeabilitäten betrugen 2340 bzw. 23 Barrer, und die entsprechende Selektivität betrug 180. Die entstehenden He- und Ar-Permeabilitäten betrugen 724 bzw. 13 Barrer, und die entsprechende Selektivität betrug 55,7.The resulting O₂ and Ar permeabilities were 122 or 13 barrers, and the corresponding selectivity was 9.4. The resulting H₂ and Ar permeabilities were 2340 or 23 Barrer, and the corresponding selectivity was 180. The resulting He and Ar permeabilities were 724 and 13 barrers, respectively, and the corresponding selectivity was 55.7.
Die Membran von Beispiel 20 wurde weiter behandelt durch:The membrane of Example 20 was further treated by:
- 4. weitere Hydrierung mit Wasserstoff bei 600°C während 1/2 Stunde.4. further hydrogenation with hydrogen at 600 ° C during 1/2 hour.
Die entstehenden O₂- und Ar-Permeabilitäten betrugen 285 bzw. 40 Barrer, und die entsprechende Selektivität betrug 7,1. The resulting O₂ and Ar permeabilities were 285 or 40 Barrer, and the corresponding selectivity was 7.1.
Eine Cellulosemembran wurde den folgenden Behandlungen unterworfen:A cellulose membrane was subjected to the following treatments subject:
- 1. Besprühen mit Ammoniumchloridpulver;1. spray with ammonium chloride powder;
- 2. Pyrolysieren in Anwesenheit von Kohlendioxid bei Umgebungsdruck in einem temperaturprogrammierten Ofen bei einer konstanten Erwärmungsgeschwindigkeit von 1°C/min von Umgebungstemperatur bis auf 750°C;2. Pyrolysis in the presence of carbon dioxide at ambient pressure in a temperature programmed oven at a constant heating rate of 1 ° C / min from ambient temperature to 750 ° C;
- 3. Aktivieren in einem Gemisch aus 1 : 1 Wasserstoff-Kohlendioxid bei 500°C während 2 Stunden.3. Activate in a mixture of 1: 1 hydrogen-carbon dioxide at 500 ° C for 2 hours.
Die entstehenden O₂- und Ar-Permeabilitäten betrugen 23 bzw. 3,3 Barrer, und die entsprechende Selektivität betrug 7,0. The resulting O₂ and Ar permeabilities were 23 and 3.3 barrers, respectively, and the corresponding selectivity was 7.0.
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