RU2624108C1 - Method of obtaining composite membrane materials based on hydride-forming intermetallic compounds and polymeric binders - Google Patents

Method of obtaining composite membrane materials based on hydride-forming intermetallic compounds and polymeric binders Download PDF

Info

Publication number
RU2624108C1
RU2624108C1 RU2016126206A RU2016126206A RU2624108C1 RU 2624108 C1 RU2624108 C1 RU 2624108C1 RU 2016126206 A RU2016126206 A RU 2016126206A RU 2016126206 A RU2016126206 A RU 2016126206A RU 2624108 C1 RU2624108 C1 RU 2624108C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hydride
polymer
metal
forming intermetallic
intermetallic compounds
Prior art date
Application number
RU2016126206A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дарья Владимировна Стругова
Семён Нисонович Клямкин
Михаил Юрьевич Задорожный
Владислав Юрьевич Задорожный
Сергей Дмитриевич Калошкин
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Priority to RU2016126206A priority Critical patent/RU2624108C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2624108C1 publication Critical patent/RU2624108C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D67/00Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

FIELD: technological processes.
SUBSTANCE: method of obtaining composite membrane materials for the separation of hydrogen from gas mixtures based on hydride-forming intermetallic compounds and polymeric binders is described, comprising mechanical activation treatment of hydride-forming intermetallic compound powder in ball mill, subsequent momentary joint mechanical activation hydride-forming intermetallic compound powder processing with addition of barrier polymer material with a 1-5 min duration, press of metal-polymer composite powders, and subsequent rolling of metal-polymer compact.
EFFECT: membrane with high selective hydrogen permeability, productivity and reliability is obtained.
2 tbl, 12 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к области мембранных технологий, а именно к технологии выделения чистого водорода из водородсодержащих газовых смесей. Полученные металлополимерные композиционные мембранные материалы на основе гидридообразующих интерметаллических соединений и полимерных связующих способны свободно с высокой селективностью абсорбировать и десорбировать водород без пассивации (отравления) воздухом или другими вредными примесями гидридообразующих сплавов, находящихся внутри полимерной матрицы. Обладает свойством сохранять размеры и прочность постоянными в процессе эксплуатации при сохранении мембранных свойств.The invention relates to the field of membrane technology, and in particular to a technology for the separation of pure hydrogen from hydrogen-containing gas mixtures. The obtained metal-polymer composite membrane materials based on hydride-forming intermetallic compounds and polymer binders are capable of freely absorbing and desorbing hydrogen with high selectivity without passivation (poisoning) by air or other harmful impurities of hydride-forming alloys inside the polymer matrix. It has the property of maintaining size and strength constant during operation while maintaining membrane properties.

Известен способ получения мембран для очистки водорода методом магнетронного распыления мишени и конденсации в вакууме, отличается тем, что на двухслойную керамическую подложку из оксида алюминия имеющую два уровня сквозной пористости наносят селективную пленку металла или его сплава. В качестве подложки предлагается использование керамической пористой подложки из Al2O3, в качестве селективного слоя - металлический сплав (Pd-6 ат. % Ru) (Патент RU 2538577 С2. Опубликовано: 10.01.2015).A known method of producing membranes for hydrogen purification by magnetron sputtering of a target and condensation in vacuum, characterized in that a selective film of metal or its alloy is applied to a two-layer ceramic substrate of aluminum oxide having two levels of through porosity. The use of a ceramic porous substrate of Al 2 O 3 is proposed as a substrate, and a metal alloy (Pd-6 at.% Ru) is used as a selective layer (Patent RU 2538577 C2. Published: 01/10/2015).

Недостатки данного способа, снижающие эксплуатационные характеристики мембраны: «открытый» селективный слой, который подвергается пассивации компонентами, содержащимися в технических водородсодержащих газах; отслоение селективного металлического слоя в результате различных коэффициентов термического расширения и дилатации керамики и металла в случае переменного во времени насыщения водородом; сложность технологии, наличие дорогостоящих металлов платиновой группы.The disadvantages of this method, reducing the operational characteristics of the membrane: "open" selective layer, which is passivated by components contained in industrial hydrogen-containing gases; delamination of the selective metal layer as a result of various coefficients of thermal expansion and dilatation of ceramics and metal in the case of time-variable hydrogen saturation; the complexity of the technology, the presence of expensive platinum group metals.

В патенте [RU 2285748 С2. Опубликовано: 10.02.2006] рассматривается способ получения газосепарирующих композиционных мембран, функционирующих за счет селективной диффузии тех или иных газов сквозь тонкую металлическую пленку, которые используются в устройствах глубокой очистки водорода от сопутствующих примесей, сепарации водорода из водородсодержащих примесей, в микрореакторах и др.In the patent [RU 2285748 C2. Published: 02/10/2006] a method for producing gas-separating composite membranes, functioning due to the selective diffusion of various gases through a thin metal film, which are used in devices for deep hydrogen purification from associated impurities, hydrogen separation from hydrogen-containing impurities, in microreactors, etc. is considered.

Способ изготовления композиционных мембран на основе тонких металлических пленок включает нанесение на очищенную технологическую подложку тонкой пленки из палладия и сплавов на его основе, последующее отделением металлической пленки от подложки и перенос ее на держатель мембраны. В качестве подложки берут пластины монокристаллического кремния приборного качества, используемые для микроэлектроники. Нанесение пленки осуществляют, по крайней мере, одним из методов физического вакуумного осаждения, химического осаждения из газовой фазы, электрохимического или химического осаждения. Отделение металлической пленки от подложки осуществляют путем полного или частичного растворения подложки в растворах флотационного типа для данной металлической пленки, а формирование мембраны осуществляют путем переноса металлической пленки на держатель мембраны в водном растворе с последующим закреплением металлической пленки на держателе. Закрепление пленки осуществляется методом диффузионной сварки.A method of manufacturing composite membranes based on thin metal films involves applying a thin film of palladium and alloys based on it onto a cleaned technological substrate, followed by separating the metal film from the substrate and transferring it to the membrane holder. As the substrate take plates of monocrystalline silicon of instrument quality, used for microelectronics. The film is applied by at least one of the methods of physical vacuum deposition, chemical vapor deposition, electrochemical or chemical deposition. The metal film is separated from the substrate by completely or partially dissolving the substrate in flotation-type solutions for a given metal film, and the membrane is formed by transferring the metal film to the membrane holder in an aqueous solution, followed by fixing the metal film to the holder. The film is fixed by diffusion welding.

Недостатком данного способа является весьма усложненная технология производства мембран. Процесс снятия сверхтонкой пленки с технологической подложки приводит к ухудшению качества пленки и существенно усложняет процесс. Кроме того, необходимость обеспечения весьма малой адгезии при нанесении пленки на технологическую подложку также ухудшает совершенство пленки в процессе ее формирования. Также надо отметить наличие дорогостоящих металлов платиновой группы.The disadvantage of this method is the very complicated technology for the production of membranes. The process of removing an ultrathin film from a technological substrate leads to a deterioration in the quality of the film and significantly complicates the process. In addition, the need to ensure very low adhesion when applying the film to the technological substrate also affects the perfection of the film during its formation. It should also be noted the presence of expensive platinum group metals.

В патенте [RU 2521382 С1. Опубликовано: 27.06.2014] рассматривается способ изготовления мембраны для выделения водорода из газовых смесей, при котором на поверхность мембраны на базе металлов 5 группы (ванадия, ниобия, тантала) или их сплавов наносят слой палладия или его сплавов. Данный способ отличается тем, что перед нанесением палладия или его сплавов, мембрану рекристаллизуют путем ее прогрева в вакууме или в атмосфере инертного газа до температуры, равной 0.8-0.9 температуры плавления материала мембраны.In the patent [RU 2521382 C1. Published: 06.27.2014] a method for manufacturing a membrane for hydrogen evolution from gas mixtures is considered, in which a layer of palladium or its alloys is applied to the membrane surface based on metals of group 5 (vanadium, niobium, tantalum) or their alloys. This method is characterized in that before applying palladium or its alloys, the membrane is recrystallized by heating it in vacuum or in an inert gas atmosphere to a temperature equal to 0.8-0.9 of the melting temperature of the membrane material.

Недостатком данного способа является то, что используемые металлы 5 группы обладают высокой химической активностью их поверхности, которая обычно покрыта плотными пленками окислов, быстро образующимися при взаимодействии с воздухом, парами воды и т.д. Оксидные пленки радикально снижают скорости растворения и выделения водорода через поверхность металла, делая мембраны малопроницаемыми для водорода.The disadvantage of this method is that the used metals of group 5 have a high chemical activity on their surface, which is usually coated with dense films of oxides that quickly form when interacting with air, water vapor, etc. Oxide films radically reduce the dissolution and hydrogen evolution rates through the metal surface, making membranes less permeable to hydrogen.

Недостатком, свойственным всем композиционным мембранам на пористой металлической основе, является диффузия атомов подложки в селективный слой, а также обратный процесс при пропускании водорода в условиях высоких температур, что приводит к снижению проницаемости и надежности мембраны в целом.The disadvantage inherent to all porous metal-based composite membranes is the diffusion of the substrate atoms into the selective layer, as well as the reverse process when hydrogen is transmitted at high temperatures, which leads to a decrease in the permeability and reliability of the membrane as a whole.

Техническим результататом настоящего изобретения является разработка высокоэффективного и надежного способа создания селективных композиционных мембран высокой производительности для очистки водорода. И исключение дорогостоящих материалов при создании данных мембран.The technical result of the present invention is the development of a highly efficient and reliable method for creating selective composite membranes with high performance for hydrogen purification. And the exclusion of expensive materials when creating these membranes.

Данный технический результат может иметь решение за счет возможностей технологии механоактивационной обработки (или других технологий, применяемых для нанесения покрытий), прессования и прокатки.This technical result may have a solution due to the capabilities of the technology of mechanical activation processing (or other technologies used for coating), pressing and rolling.

Способ получения композиционных мембранных материалов для выделения водорода из газовых смесей на основе гидридообразующих интерметаллических соединений и полимерных связующих, включающий механоактивационную обработку порошка гидридообразующего интерметаллического соединения в шаровой мельнице, последующую кратковременную совместную механоактивационную обработку порошка гидридообразующего интерметаллического соединения с добавлением барьерного полимерного материала продолжительностью 1-5 минут, прессование металлополимерных композиционных порошков и последующую прокатку полученного металлополимерного компакта, при этом прессование проводится при температуре 1.1-1.2 от температуры плавления барьерного полимера.A method of producing composite membrane materials for hydrogen evolution from gas mixtures based on hydride-forming intermetallic compounds and polymer binders, including mechanically activating the hydride-forming intermetallic compound powder in a ball mill, followed by a short-term joint mechanically activating the hydride-forming intermetallic compound powder with the addition of a barrier polymer material lasting 1-5 minutes pressing metal polymer s composite powders and subsequent rolling of metal-obtained compact, the compacting is carried out at a temperature of from 1.1-1.2 barrier resin melting temperature.

Для пояснения сущности изобретения были представлены графические изображения.To clarify the invention, graphic images were presented.

Где на фигуре 1 представлен график распределения частиц LaNi5 по размерам после МА обработки - 5 мин.Where the figure 1 shows a graph of the distribution of particles of LaNi 5 in size after MA processing - 5 minutes

На фигуре 2 - Микроструктура частиц порошка LaNi5 после МА обработки - 5 мин. Увеличение × 1000.In figure 2 - the Microstructure of the particles of LaNi 5 powder after MA processing - 5 minutes Magnification × 1000.

На фигуре 3 - Микроструктура частиц ИМС LaNi5 с нанесенным на него полимером ПЭ (массовая концентрация наполнителя 50%).Figure 3 - Microstructure of the particles of IC LaNi 5 coated with a polymer of PE (mass concentration of the filler 50%).

На фигуре 4 - Микроструктура поперечного сечения композиционных металлополимерных мембран ПЭ/LaNi5 с массовой концентрацией наполнителя: 70%.In figure 4 - the microstructure of the cross section of the composite metal-polymer membranes PE / LaNi 5 with a mass concentration of filler: 70%.

На фигуре 5 - Микроструктура поперечного сечения композиционных металлополимерных мембран ПЭ/LaNi5 с массовой концентрацией наполнителя: 50%.The figure 5 - the microstructure of the cross section of the composite metal-polymer membranes PE / LaNi 5 with a mass concentration of filler: 50%.

На фигуре 6 - Данные дифференциальной сканирующей калориметрии, при нагреве образцов мембран из чистого ПЭ и металлополемерной мембраны ПЭ/LaNi5 с массовой концентрацией наполнителя 50%.Figure 6 - Data of differential scanning calorimetry, when heating samples of membranes from pure PE and metal / polymer membrane PE / LaNi 5 with a mass concentration of filler 50%.

На фигуре 7 - График распределения частиц TiFe по размерам после МХС - 120 мин.Figure 7 - Graph of the distribution of TiFe particles in size after MHS - 120 minutes

На фигуре 8 - Микроструктура частиц порошка TiFe после МХС - 120 мин. Увеличение × 1000.Figure 8 - Microstructure of particles of TiFe powder after MHS - 120 minutes Magnification × 1000.

На фигуре 9 - Микроструктура частиц ИМС TiFe с нанесенным на него полимером ПТФЭ (массовая концентрация наполнителя 50%).Figure 9 - Microstructure of particles of IC TiFe coated with a polymer of PTFE (mass concentration of the filler 50%).

На фигуре 10 - Микроструктура поперечного сечения композиционных металлополимерных мембран ПТФЭ/TiFe с массовой концентрацией наполнителя: 70%.Figure 10 - Microstructure of the cross section of composite metal-polymer membranes PTFE / TiFe with a mass concentration of filler: 70%.

На фигуре 11 - Микроструктура поперечного сечения композиционных металлополимерных мембран ПТФЭ/TiFe с массовой концентрацией наполнителя: 50%.Figure 11 - Microstructure of the cross section of composite metal-polymer membranes PTFE / TiFe with a mass concentration of filler: 50%.

На фигуре 12 - Данные дифференциальной сканирующей калориметрии, при нагреве образцов мембран из чистого ПТФЭ и металлополемерной мембраны ПТФЭ/TiFe с массовой концентрацией наполнителя 50%.Figure 12 - Data of differential scanning calorimetry, when heating samples of membranes from pure PTFE and metal-polymer membrane PTFE / TiFe with a mass concentration of filler 50%.

Технология включает в себя:The technology includes:

1. Механоактивационную обработку гидридообразующих интерметаллических соединений.1. Mechanical activation processing of hydride-forming intermetallic compounds.

Предварительная механоактивационная обработка LaNi5 в течение 5 минут для упрощения процедуры активации взаимодействия с водородом.Preliminary mechanical activation of LaNi 5 for 5 minutes to simplify the procedure for activating interaction with hydrogen.

Для снижения температуры активации интерметаллического соединения TiFe его необходимо получить в наноструктурном состоянии при помощи механоактивационной обработки исходного порошка TiFe в течение 60 минут. Получение ИМС TiFe с размером кристаллитов 8-12 нм необходимо для снижения температуры активации до 300°C. Данная температура позволяет активировать ИМС TiFe в матрице из ПТФЭ и не приведет к плавлению или деградации полимера.To reduce the activation temperature of the TiFe intermetallic compound, it must be obtained in the nanostructured state by means of mechanical activation treatment of the initial TiFe powder for 60 minutes. Obtaining IC TiFe with a crystallite size of 8-12 nm is necessary to reduce the activation temperature to 300 ° C. This temperature allows the activation of TiFe ICs in a PTFE matrix and will not lead to polymer melting or degradation.

2. Совместную механоактивационную обработку готового гидридообразующего интерметаллического порошка со связующим полимером (свободно пропускающим через себя водород и препятствующим пассивации ИМС примесными газами, и удерживающим частицы металла в своем объеме) непродолжительное время (1-5 минуты), в шаровом планетарном активаторе, для капсулирования частиц порошка интерметаллического соединения в полимер. При этом содержание связующего полимера должно соответствовать 40-60 мас.% от массы металлического порошка. Или нанесение связующих барьерных покрытий, другими возможными способами нанесения покрытий, на уже готовый гидридообразующий порошок.2. Joint mechanical activation processing of the finished hydride-forming intermetallic powder with a binder polymer (freely passing hydrogen through it and preventing the passivation of IC by impurity gases and holding metal particles in its volume) for a short time (1-5 minutes), in a planetary ball activator, for encapsulation of particles powder intermetallic compounds in the polymer. The content of the binder polymer should correspond to 40-60 wt.% By weight of the metal powder. Or applying binder barrier coatings, other possible coating methods, to an already prepared hydride-forming powder.

3. Термопрессование на вулканизационном прессе, выше температуры плавления полимера в атмосфере воздуха, для получения металлополимерных компактов.3. Thermal pressing on a vulcanizing press, above the melting temperature of the polymer in the atmosphere of air, to obtain metal-polymer compacts.

4. Прокатку на вальцах, с целью получения более тонкой мембраны.4. Rolling on rollers in order to obtain a thinner membrane.

5. Проведение процедуры активации взаимодействия с водородом. Предлагаемый способ изготовления металлополимерных композиционных мембранных материалов для очистки водорода способствует сохранению высокой активности при взаимодействии с водородом гидридообразующего соединения внутри полимерной матрицы, т.е. для мембраны достаточно одной процедуры активации для инициализации взаимодействия с водородом. Также металлополимерные мембраны устойчивы к разрушению (охрупчиванию) при воздействии с водородом.5. Carrying out the procedure for activation of interaction with hydrogen. The proposed method for the manufacture of metal-polymer composite membrane materials for the purification of hydrogen helps to maintain high activity when interacting with hydrogen hydride-forming compounds inside the polymer matrix, i.e. for a membrane, one activation procedure is sufficient to initiate interaction with hydrogen. Also, metal-polymer membranes are resistant to destruction (embrittlement) when exposed to hydrogen.

Пример 1.Example 1

Гидридообразующий интерметаллический порошок LaNi5 подвергался обработке в шаровой планетарной мельнице (типа АГО-2С) продолжительностью 5 минут (при этом времени обработки достигается необходимая дисперсность металлических частиц) в атмосфере аргона (Фигура 1). Сразу после получения дисперсного ИМС LaNi5 (Фигура 2), в механореакторы добавлялся порошок полиэтилена (ПЭ), 10, 50 и 70 мас.%. Обработка проводится 1-5 минуты, при этом времени обработки достигается покрытие полимером металлических частиц (Фигура 3).The hydride-forming intermetallic powder LaNi 5 was processed in a ball planetary mill (type AGO-2C) for 5 minutes (at the same time, the required dispersion of metal particles was achieved) in an argon atmosphere (Figure 1). Immediately after receiving the dispersed IC LaNi 5 (Figure 2), polyethylene powder (PE), 10, 50 and 70 wt.% Was added to the mechanoreactors. Processing takes 1-5 minutes, while the treatment time is achieved by coating the polymer with metal particles (Figure 3).

Полученный металлополимерный композиционный порошок подвергался прессованию на вулканизационном прессе с усилием 2 МПа при температуре 140°C (что выше температуры плавления полимера) в атмосфере воздуха. Полученный металлполимерный компакт остывал вместе с установкой. После термопрессования полученный образец подвергался вальцеванию на лабораторных вальцах при температуре 90°C, при которой он наиболее податлив. Выше этой температуры происходят структурные изменения (он начинает плавиться) и при более высоких температурах возникают разные эффекты, такие как эффект памяти формы. Толщина полученных мембран составляла 0,1-0,2 мм (Фигура 4, 5). С увеличением концентрации полимера можно получить мембраны без пор, равномерные по толщине и плотности.The obtained metal-polymer composite powder was pressed on a vulcanizing press with a force of 2 MPa at a temperature of 140 ° C (which is higher than the melting temperature of the polymer) in an atmosphere of air. The resulting metal-polymer compact cools with the installation. After thermal pressing, the obtained sample was rolled on laboratory rollers at a temperature of 90 ° C, at which it is most malleable. Above this temperature, structural changes occur (it begins to melt) and at higher temperatures, various effects, such as the shape memory effect, occur. The thickness of the obtained membranes was 0.1-0.2 mm (Figure 4, 5). With an increase in polymer concentration, pore-free membranes that are uniform in thickness and density can be obtained.

Результаты ДСК анализа (Фигура 6) показали, что металлополимерная мембрана ПЭ/LaNi5 стабильна до температуры 120°C. В интервале температур 25-120°C не наблюдается выраженных тепловых эффектов, связанных с возможными деградационными явлениями ПЭ. Что подтверждается отсутствием на ДСК кривой каких-либо реакций (пиков), связанных с химическим взаимодействием компонентов.The results of DSC analysis (Figure 6) showed that the metal-polymer membrane PE / LaNi 5 is stable to a temperature of 120 ° C. In the temperature range of 25-120 ° C, no pronounced thermal effects are observed associated with possible degradation effects of PE. This is confirmed by the absence on the DSC curve of any reactions (peaks) associated with the chemical interaction of the components.

Данные ДСК анализа позволяют сделать вывод о том, что такие композиционные мембраны могут работать вплоть до температуры 120°C.DSC analysis data allows us to conclude that such composite membranes can operate up to a temperature of 120 ° C.

Основная характеристика полученного металлополимерного композиционного мембранного материала - селективность представлена в таблице 1.The main characteristic of the obtained metal-polymer composite membrane material - selectivity is presented in table 1.

Figure 00000001
Figure 00000001

Полученные результаты подтверждают то, что оптимальная массовая концентрация наполнителя - 40-60%. Это такая концентрация, при которой достигается наилучшее соотношение проницаемости и селективности для данных мембран. При массовых концентрациях 10 и 70% наблюдается ухудшение селективности по сравнению с концентрацией 50%. Меньшее содержание полимера снижает селективность мембранного материала, а большее - уменьшает проницаемость мембраны.The results obtained confirm that the optimal mass concentration of the filler is 40-60%. This is such a concentration at which the best ratio of permeability and selectivity for these membranes is achieved. At mass concentrations of 10 and 70%, a decrease in selectivity is observed compared to a concentration of 50%. A lower polymer content reduces the selectivity of the membrane material, and a larger one decreases the membrane permeability.

В случае наибольшей концентрации наполнителя в композиционном материале такой результат может быть связан с наличием большого количества пустот в объеме материала, через которые могут проходить примесные газы (О2, N2, СО2, CH4). Тогда как в случае наименьшей концентрации наполнителя в композиционном материале уменьшается число активных центров, которые абсорбируют на себя водород, что приводит к уменьшению итоговой селективности мембран.In the case of the highest concentration of filler in the composite material, this result can be associated with the presence of a large number of voids in the volume of the material through which impurity gases (O 2 , N 2 , CO 2 , CH 4 ) can pass. Whereas in the case of the lowest filler concentration in the composite material, the number of active centers that absorb hydrogen on themselves decreases, which leads to a decrease in the total selectivity of the membranes.

Пример 2.Example 2

Гидридообразующий интерметаллический порошок TiFe подвергался обработке в шаровой планетарной мельнице (типа АГО-2С) продолжительностью 60 минут. Согласно оценке, энергонапряженность измельчения в механическом активаторе (мельнице) составляла около 15 Вт/г. Сразу после получения дисперсного ИМС TiFe (Фигура 7, 8), в механореакторы добавлялся порошок политетрафторэтилена (ПТФЭ, марка ФП-4), 10, 50 и 70 мас.%. Обработка проводилась 1-5 минуты, при этом времени обработки достигается покрытие полимером металлических частиц (Фигура 9).The hydride-forming intermetallic powder TiFe was processed in a ball planetary mill (type AGO-2C) for a duration of 60 minutes. According to the estimate, the grinding energy intensity in the mechanical activator (mill) was about 15 W / g. Immediately after receiving the dispersed TiFe IC (Figure 7, 8), polytetrafluoroethylene powder (PTFE, grade FP-4), 10, 50, and 70 wt.% Was added to the mechanoreactors. The processing was carried out for 1-5 minutes, while the treatment time is achieved by coating the polymer with metal particles (Figure 9).

Полученный металлополимерный композиционный порошок подвергался прессованию на вулканизационном прессе с усилием на прессе 4 МПа при температуре 370°C (выше температуры плавления полимера) в атмосфере воздуха. Полученный металлполимерный компакт остывал вместе с установкой. После термопрессования полученный образец подвергался вальцеванию на лабораторных вальцах при температуре 150°C. Толщина полученных мембран составляла 0,1-0,3 мм (Фигура 10, 11). Можно отметить, что с увеличением концентрации полимера получились мембраны без пор и равномерные по толщине и плотности.The obtained metal-polymer composite powder was pressed on a vulcanizing press with a press force of 4 MPa at a temperature of 370 ° C (above the melting point of the polymer) in an atmosphere of air. The resulting metal-polymer compact cools with the installation. After thermal pressing, the obtained sample was rolled on laboratory rollers at a temperature of 150 ° C. The thickness of the obtained membranes was 0.1-0.3 mm (Figure 10, 11). It can be noted that with an increase in polymer concentration, pore-free membranes and uniform in thickness and density were obtained.

Результаты ДСК анализа (Фигура 12) показали, что металлополимерная мембрана ПТФЭ/TiFe стабильна до температуры 300°C. В интервале температур 25-300°C не наблюдается выраженных тепловых эффектов, связанных с возможными деградационными явлениями ПТФЭ. Что подтверждается отсутствием на ДСК кривой каких-либо реакций (пиков), связанных с химическим взаимодействием компонентов.The results of DSC analysis (Figure 12) showed that the metal-polymer membrane of PTFE / TiFe is stable up to a temperature of 300 ° C. In the temperature range of 25-300 ° C, there are no pronounced thermal effects associated with the possible degradation phenomena of PTFE. This is confirmed by the absence on the DSC curve of any reactions (peaks) associated with the chemical interaction of the components.

Данные ДСК анализа позволяют сделать вывод о том, что такие композиционные мембраны могут работать вплоть до температуры 300°C.DSC analysis data allows us to conclude that such composite membranes can operate up to a temperature of 300 ° C.

Основная характеристика полученного металлополимерного композиционного мембранного материала - селективность представлена в таблице 2.The main characteristic of the obtained metal-polymer composite membrane material - selectivity is presented in table 2.

Figure 00000002
Figure 00000002

Полученные результаты подтверждают то, что оптимальная массовая концентрация наполнителя - 40-60%. Это такая концентрация, при которой достигается наилучшее соотношение проницаемости и селективности для данных мембран. При массовых концентрациях 10 и 70% наблюдается ухудшение селективности по сравнению с концентрацией 50%. Меньшее содержание полимера снижает селективность мембранного материала, а большее - уменьшает проницаемость мембраны.The results obtained confirm that the optimal mass concentration of the filler is 40-60%. This is such a concentration at which the best ratio of permeability and selectivity for these membranes is achieved. At mass concentrations of 10 and 70%, a decrease in selectivity is observed compared to a concentration of 50%. A lower polymer content reduces the selectivity of the membrane material, and a larger one decreases the membrane permeability.

В случае наибольшей концентрации наполнителя в композиционном материале такой результат может быть связан с наличием большого количества пустот в объеме материала, через которые могут проходить примесные газы (О2, N2, СО2, CH4). Тогда как в случае наименьшей концентрации наполнителя в композиционном материале уменьшается число активных центров, которые абсорбируют на себя водород, что приводит к уменьшению итоговой селективности мембран.In the case of the highest concentration of filler in the composite material, this result can be associated with the presence of a large number of voids in the volume of the material through which impurity gases (O 2 , N 2 , CO 2 , CH 4 ) can pass. Whereas in the case of the lowest filler concentration in the composite material, the number of active centers that absorb hydrogen on themselves decreases, which leads to a decrease in the total selectivity of the membranes.

Сравнение полученных мембран с известными показывает, что использование предлагаемого изобретения позволяет:A comparison of the obtained membranes with the known ones shows that the use of the invention allows:

1. Увеличить селективную газопроницаемость.1. Increase selective gas permeability.

2. Повысить надежность композиционной мембраны использованием связующего полимера, препятствующего пассивации поверхности примесными газами и охрупчиванию при взаимодействии с водородом.2. To increase the reliability of the composite membrane using a binder polymer that prevents surface passivation by impurity gases and embrittlement when interacting with hydrogen.

3. Управлять фазовым составом и параметрами структуры наполнителя.3. To control the phase composition and structure parameters of the filler.

Claims (1)

Способ получения композиционных мембранных материалов для выделения водорода из газовых смесей на основе гидридообразующих интерметаллических соединений и полимерных связующих, включающий механоактивационную обработку порошка гидридообразующего интерметаллического соединения в шаровой мельнице, последующую кратковременную совместную механоактивационную обработку порошка гидридообразующего интерметаллического соединения с добавлением барьерного полимерного материала продолжительностью 1-5 мин, прессование металлополимерных композиционных порошков и последующую прокатку полученного металлополимерного компакта.A method of producing composite membrane materials for hydrogen evolution from gas mixtures based on hydride-forming intermetallic compounds and polymer binders, comprising mechanically activating a powder of hydride-forming intermetallic compounds in a ball mill, followed by a short-term joint mechano-activation processing of powder of hydride-forming intermetallic compounds with the addition of a barrier polymer material of 1-5 min duration metal polymer extrusion composite powders and subsequent rolling of metal-obtained compact.
RU2016126206A 2016-06-30 2016-06-30 Method of obtaining composite membrane materials based on hydride-forming intermetallic compounds and polymeric binders RU2624108C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016126206A RU2624108C1 (en) 2016-06-30 2016-06-30 Method of obtaining composite membrane materials based on hydride-forming intermetallic compounds and polymeric binders

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016126206A RU2624108C1 (en) 2016-06-30 2016-06-30 Method of obtaining composite membrane materials based on hydride-forming intermetallic compounds and polymeric binders

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2624108C1 true RU2624108C1 (en) 2017-06-30

Family

ID=59312624

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016126206A RU2624108C1 (en) 2016-06-30 2016-06-30 Method of obtaining composite membrane materials based on hydride-forming intermetallic compounds and polymeric binders

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2624108C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050241477A1 (en) * 2002-03-05 2005-11-03 Mundschau Michael V Hydrogen transport membranes
RU2521382C1 (en) * 2012-11-13 2014-06-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича" Fabrication of membrane for removal of hydrogen from gas mixes
RU2542256C2 (en) * 2013-06-20 2015-02-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Method of protecting powders of hydride-forming alloys for hydrogen storage, preventing passivation by air components and other gaseous media

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050241477A1 (en) * 2002-03-05 2005-11-03 Mundschau Michael V Hydrogen transport membranes
RU2521382C1 (en) * 2012-11-13 2014-06-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича" Fabrication of membrane for removal of hydrogen from gas mixes
RU2542256C2 (en) * 2013-06-20 2015-02-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Method of protecting powders of hydride-forming alloys for hydrogen storage, preventing passivation by air components and other gaseous media

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20020020298A1 (en) Supported metal membrane, a process for its preparation and use
JP5199332B2 (en) Method for producing palladium alloy composite membrane for hydrogen gas separation
US7125440B2 (en) Composite structure for high efficiency hydrogen separation and its associated methods of manufacture and use
JP2011507281A (en) Thin film solar cell having a molybdenum-containing back electrode layer
US20150184309A1 (en) Method of fabricating improved porous metallic material and resulting structure thereof
JPH11276866A (en) Hydrogen-permeable membrane and its manufacture
JP2008237945A (en) Hydrogen-separating membrane
KR20020013767A (en) A process for preparing a composite metal membrane, the composite metal membrane prepared therewith and its use
KR100832302B1 (en) Fabrication method of pd alloy membrane using in-situ dry vacuum process for hydrogen gas separation
Klette et al. Sputtering of very thin palladium-alloy hydrogen separation membranes
US10385437B2 (en) Synthesis of metal-oxygen based materials with controlled porosity by oxidative dealloying
JP2002206135A (en) Hydrogen permeation membrane, its manufacturing method, and its use
RU2624108C1 (en) Method of obtaining composite membrane materials based on hydride-forming intermetallic compounds and polymeric binders
Kim et al. The effect of Cu reflow on the Pd–Cu–Ni ternary alloy membrane fabrication for infinite hydrogen separation
Nam et al. Preparation of highly stable palladium alloy composite membranes for hydrogen separation
JP2007038095A (en) Hydrogen separation membrane and its production method
JP2005262082A (en) Hydrogen separation membrane, production method therefor, and hydrogen separation method
RU2521382C1 (en) Fabrication of membrane for removal of hydrogen from gas mixes
US20220219124A1 (en) Ultrathin Membrane Fabrication
WO2005075060A1 (en) Composite structure for high efficiency hydrogen separation and its associated methods of manufacture and use
RU2644640C2 (en) Method of manufacturing composite membranes based on thin film of metals
JP4178143B2 (en) Hydrogen separation membrane and method for producing the same
JP2005279484A (en) Hydrogen permeable membrane and its manufacturing method
KR101689387B1 (en) Method for manufacturing metallic substrate having metal foam layer on the surface and metallic substrate manufactured thereby
WO2008027646A2 (en) Sulfur-resistant composite metal membranes