RU2803726C2 - Method for obtaining gas separation membranes for hydrogen-containing mixtures based on surface fluorined polybenzodioxane - Google Patents

Method for obtaining gas separation membranes for hydrogen-containing mixtures based on surface fluorined polybenzodioxane Download PDF

Info

Publication number
RU2803726C2
RU2803726C2 RU2021138599A RU2021138599A RU2803726C2 RU 2803726 C2 RU2803726 C2 RU 2803726C2 RU 2021138599 A RU2021138599 A RU 2021138599A RU 2021138599 A RU2021138599 A RU 2021138599A RU 2803726 C2 RU2803726 C2 RU 2803726C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pim
polymer
fluorine
polybenzodioxane
gas
Prior art date
Application number
RU2021138599A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2021138599A (en
Inventor
Александр Юрьевич Алентьев
Дмитрий Станиславович Пашкевич
Николай Александрович Белов
Роман Юрьевич Никифоров
Денис Андреевич Безгин
Сергей Владимирович Чирков
Виктория Евгеньевна Рыжих
Дарья Александровна Сырцова
Игорь Игоревич Пономарев
Мехман Сулейман оглы Юсубов
Фёдор Анатольевич Ворошилов
Артём Андреевич Андреев
Алексей Алексеевич Иванов
Андрей Валентинович Добрынин
Владимир Владимирович Шагалов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова Российской академии наук
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет", Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Publication of RU2021138599A publication Critical patent/RU2021138599A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2803726C2 publication Critical patent/RU2803726C2/en

Links

Abstract

FIELD: gas separation membranes.
SUBSTANCE: invention is related to the field of creating gas separation polymer membranes intended for separation of hydrogen from gas mixtures containing carbon dioxide, methane, and nitrogen. A method for producing gas separation membranes for hydrogen-containing mixtures based on a surface fluorinated polybenzodioxane polymer with internal microporosity PIM-1 consists of synthesis of a PIM-1 polymer based on polybenzodioxane in a reaction medium of dimethyl sulfoxide, with a mass average molecular weight Mw=75000 Da and a number average molecular weight Mn=25000 Da, obtaining a solution of the PIM-1 polymer in chloroform with a concentration of 5% at room temperature, pouring this solution onto the substrate, evaporating the solvent by keeping it under vacuum to constant weight, separating the resulting membrane from the substrate, surface fluoridation of the membrane on one side with elemental fluorine in a preliminarily perfluorodecalin saturated with fluorine, while perfluorodecalin is saturated with fluorine by bubbling it with a mixture of gases consisting of 10% fluorine and 90% nitrogen with a mixture flow rate of 0.5 ml/sec.
EFFECT: expanding the arsenal of methods for producing gas separation membranes from surface fluorinated polybenzodioxane, which have high selectivity and permeability parameters with a simple and economical method for their production.
1 cl, 5 dwg, 6 tbl, 13 ex

Description

Изобретение относится к области создания газоразделительных полимерных мембран, предназначенных для выделения водорода из газовых смесей, содержащих диоксид углерода, метан, азот. The invention relates to the field of creating gas separation polymer membranes intended for the separation of hydrogen from gas mixtures containing carbon dioxide, methane, and nitrogen.

Водород в настоящее время применяется как реагент в различных химико-технологических процессах и, как экологически чистое топливо, может применяться в качестве источника энергии в двигателях внутреннего сгорания, в топливных элементах и в других устройствах [1]. Переход современной промышленности на экологически чистую водородную энергетику ставит задачу разработки экономически эффективных процессов выделения водорода из промышленных газовых потоков. Водородсодержащие газовые смеси в промышленности получают в нефтехимических процессах из синтез-газа (паровая конверсия метана, газификация угля, целлюлозы, отходов полимерной, целлюлозно-бумажной и мусороперерабатывающей промышленности, и др. с дополнительной стадией конверсии окиси углерода по реакции водяного газа), пиролизом метана и других углеводородов, а также из биогаза водород-синтезирующих бактерий. Промышленные газовые смеси, как правило, требуют очистки водорода от сопутствующих газов, таких как двуокись углерода, окись углерода, метан, азот и др. Для разделения этих смесей могут применяться криогенные, адсорбционные, абсорбционные методы, однако, наибольший интерес представляют мембранные методы разделение газовых смесей благодаря своим преимуществам: компактности, модульности изготовления, низким энергозатратам. Ключевым элементом мембранной установки является мембранный модуль с селективным слоем, в качестве которого наиболее целесообразно применять мембраны на основе полимерных материалов, имеющих наилучшие соотношения по селективности и проницаемости для водородсодержащих пар газов (H2-CO2, H2-CH4, H2-CO, H2-N2). К таковым относятся полимеры, формирующие верхние границы на соответствующих диаграммах Робсона (зависимостях селективности по паре газов от коэффициента проницаемости более проницаемого газа в логарифмических координатах) [2]. Среди полимеров различных классов, определяющих верхние границы для пар газов H2-CO2, H2-CH4 и H2-N2, часто встречаются фторсодержащие и перфторированные полимеры, а также полибензодиоксан (PIM-1). Так, для пары газов О2-N2 из 11 полимеров, определяющих верхнюю границу, 1 фторсодержащий и PIM-1, для пары газов СО2-CH4 из 16 полимеров, определяющих верхнюю границу, 6 фторсодержащих и PIM-1, для пары газов Не-СН4 из 11, определяющих верхнюю границу полимеров, 3 фторсодержащих и 6 перфторированных, для пары газов N2-CH4 из 19, определяющих верхнюю границу полимеров, 2 фторсодержащих и 11 перфторированных, для пары Не-СО2 из 12, определяющих верхнюю границу полимеров, 2 фторсодержащих и 8 перфторированных, а для пары Не-Н2 из 12, определяющих верхнюю границу полимеров, 1 фторсодержащий и 11 перфторированных [3]. Таким образом, введение фтора в структуру полимера является важным элементом дизайна, приводящим к улучшению сочетания проницаемости и селективности. Однако, как правило, фторсодержащие полимеры не являются промышленными. Исключение составляют перфторированные полимеры марок Nafion, Cytop, Hyflon AD и Teflon AF, но многостадийность их синтеза и дороговизна мономеров приводит к высокой стоимости полимеров. Для введения фтора в структуру полимеров часто применяют химическую модификацию приповерхностного слоя полимерной мембраны посредством прямого фторирования. Применение газофазного фторирования [4] сопряжено с рядом недостатков: высокое тепловыделение, приводящее зачастую к деструкции полимера и слабой контролируемости процесса от концентрации фтора и времени фторирования [5], ухудшение газоразделительных характеристик мембран со временем [6], для высокопроницаемых полимеров связанное с быстрыми процессами физического старения [7,8]. Для устранения этих недостатков Пашкевичем Д.С. с соавторами в работе [9] был предложен метод жидкофазного фторирования 1,1,1,2-тетрафторэтана и метана в среде перфторированной жидкости – перфтордекалина. В работах [10-13] были получены привлекательные газотранспортные параметры для ряда промышленно выпускаемых полимеров. Однако, наиболее значительные эффекты ранее наблюдались при газофазном фторировании высокопроницаемого политриметилсилилпропина [14], данные для которого располагаются вблизи верхних границ диаграмм Робсона [15].Hydrogen is currently used as a reagent in various chemical and technological processes and, as an environmentally friendly fuel, can be used as an energy source in internal combustion engines, fuel cells and other devices [1]. The transition of modern industry to environmentally friendly hydrogen energy poses the challenge of developing cost-effective processes for separating hydrogen from industrial gas streams. Hydrogen-containing gas mixtures in industry are obtained in petrochemical processes from synthesis gas (steam reforming of methane, gasification of coal, cellulose, polymer waste, pulp and paper and waste processing industries, etc. with an additional stage of carbon monoxide conversion by water gas reaction), methane pyrolysis and other hydrocarbons, as well as from biogas of hydrogen-synthesizing bacteria. Industrial gas mixtures, as a rule, require the purification of hydrogen from accompanying gases, such as carbon dioxide, carbon monoxide, methane, nitrogen, etc. To separate these mixtures, cryogenic, adsorption, absorption methods can be used, however, membrane methods for separating gases are of greatest interest mixtures due to their advantages: compactness, modularity of production, low energy consumption. The key element of the membrane installation is a membrane module with a selective layer, for which it is most advisable to use membranes based on polymer materials that have the best ratios of selectivity and permeability for hydrogen-containing gas vapors (H 2 -CO 2 , H 2 -CH 4 , H 2 - CO, H 2 -N 2 ). These include polymers that form upper boundaries on the corresponding Robson diagrams (dependences of selectivity for a gas pair on the permeability coefficient of a more permeable gas in logarithmic coordinates) [2]. Among the polymers of various classes that determine the upper limits for gas pairs H 2 -CO 2 , H 2 -CH 4 and H 2 -N 2 , fluorinated and perfluorinated polymers, as well as polybenzodioxane (PIM-1), are often found. Thus, for a pair of gases O 2 -N 2 out of 11 polymers that determine the upper limit, 1 fluorine-containing and PIM-1, for a pair of gases CO 2 -CH 4 out of 16 polymers that determine the upper limit, 6 fluorine-containing and PIM-1, for a pair He-CH gases 4 out of 11, defining the upper limit of polymers, 3 fluorinated and 6 perfluorinated, for a pair of N 2 -CH gases 4 out of 19, defining the upper limit of polymers, 2 fluorinated and 11 perfluorinated, for a He-CO pair 2 out of 12, defining the upper limit of polymers, 2 fluorinated and 8 perfluorinated, and for the He-H pair, 2 out of 12 defining the upper limit of polymers, 1 fluorinated and 11 perfluorinated [3]. Thus, the introduction of fluorine into the polymer structure is an important design element leading to an improved combination of permeability and selectivity. However, as a rule, fluorine-containing polymers are not industrial. The exceptions are perfluorinated polymers of the brands Nafion, Cytop, Hyflon AD and Teflon AF, but the multi-stage nature of their synthesis and the high cost of monomers lead to the high cost of polymers. To introduce fluorine into the structure of polymers, chemical modification of the near-surface layer of the polymer membrane through direct fluorination is often used. The use of gas-phase fluorination [4] is associated with a number of disadvantages: high heat generation, which often leads to destruction of the polymer and poor controllability of the process depending on the fluorine concentration and fluorination time [5], deterioration of the gas separation characteristics of membranes over time [6], for highly permeable polymers associated with fast processes physical aging [7,8]. To eliminate these shortcomings, Pashkevich D.S. et al. in [9] proposed a method for liquid-phase fluorination of 1,1,1,2-tetrafluoroethane and methane in a perfluorinated liquid – perfluorodecalin. In [10-13], attractive gas transport parameters were obtained for a number of industrially produced polymers. However, the most significant effects were previously observed during gas-phase fluorination of highly permeable polytrimethylsilylpropine [14], the data for which are located near the upper boundaries of the Robson diagrams [15].

Наиболее близким к предложенному решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату (прототипом) являются газоразделительная мембрана и способ ее получения описанные в работе [16]. Полимер полибензодиоксан PIM-1 был синтезирован по известной из [17] методике, в которой 5,50,6,60-тетрагидрокси-3,3,30,30-тетраметил-1,10-спиробисиндан (3,40 г, 10,0 ммоль) и 2,3,5,6-тетрафтортерефталонитрил (2,00 г, 10,0 ммоль) добавляли в 100 мл в трехгорлую круглодонную колбу, предварительно продутую аргоном, затем также добавили N, N0-диметилацетамид (18,0 мл) и перемешивали до образования прозрачного раствора. Затем раствор нагревали на масляной бане при 150 °C, после этого порошок карбоната калия K2CO3 (3,50 г, 25,4 ммоль) добавляли порциями в течение 5 мин. Раствор становился вязким и образовывалась светло-желтая суспензия. Затем три порции толуола (2 мл каждый) добавляли через 10 мин и все дополнительно перемешивали в течение 15 мин. Вязкий полимер выливали в метанол (200 мл), после чего образовался желтый осадок. Осадок повторно растворяли в хлороформе и осаждали метанолом дважды, а затем сушили в вакуумном сушильном шкафу при 120 °C в течение 12 ч. В результате был получен полимер PIM-1 с выходом 96%. M n = 34·104 Да; PDI =2.22. Из полученного порошка PIM-1 формировали мембраны. Для этого порошок PIM-1 растворяли в хлороформе с концентрацией 2–3 мас. %, после этого раствор фильтровали через гидрофобный фильтр из ПТФЭ 0,45 мм в плоскую чашку Петри. Затем растворитель медленно выпаривали в течение двух дней при комнатной температуре. В результате чего были получены прозрачные желтые изотропные пленки. Свежие мембраны получали выдерживанием в метаноле в течение 12 ч, а затем сушили в вакуумном сушильном шкафу при 120°С в течение 12 ч. Мембраны затем фторировали в химическом реакторе объемом 50 мл, погруженном в водяную баню (25 °С). Предварительно газ в реакторе откачивали вакуумным насосом, а затем заполняли фторазотной смесью F2/N2 (5/95) со скоростью 200 мл/мин до давления 4 бар. Для получения различной степени фторирования пленки PIM-1 выдерживали в реакторе в течение различного времени (1, 5, 10, 30 мин). Фторированные PIM-1 мембраны оказались нерастворимы в обычных растворителях.The closest to the proposed solution in terms of the set of essential features and the achieved result (prototype) is the gas separation membrane and the method for its production described in [16]. The polybenzodioxane polymer PIM-1 was synthesized according to a method known from [17], in which 5,5 0 ,6,6 0 -tetrahydroxy-3,3,3 0 ,3 0 -tetramethyl-1,1 0 -spirobisindan (3, 40 g, 10.0 mmol) and 2,3,5,6-tetrafluoroterephthalonitrile (2.00 g, 10.0 mmol) were added to a 100 ml three-neck round bottom flask, previously purged with argon, then N was also added, N 0 - dimethylacetamide (18.0 ml) and stirred until a clear solution formed. The solution was then heated in an oil bath at 150 °C, after which potassium carbonate powder K 2 CO 3 (3.50 g, 25.4 mmol) was added in portions over 5 min. The solution became viscous and a light yellow suspension formed. Three portions of toluene (2 ml each) were then added after 10 min and the whole was stirred for an additional 15 min. The viscous polymer was poured into methanol (200 ml), after which a yellow precipitate formed. The precipitate was redissolved in chloroform and precipitated with methanol twice, and then dried in a vacuum oven at 120 °C for 12 h. The result was the polymer PIM-1 with a yield of 96%. M n = 34·10 4 Yes; PDI =2.22. Membranes were formed from the resulting PIM-1 powder. For this purpose, PIM-1 powder was dissolved in chloroform with a concentration of 2–3 wt. %, after which the solution was filtered through a 0.45 mm hydrophobic PTFE filter into a flat Petri dish. The solvent was then slowly evaporated over two days at room temperature. As a result, transparent yellow isotropic films were obtained. Fresh membranes were prepared by incubating in methanol for 12 h and then dried in a vacuum oven at 120°C for 12 h. The membranes were then fluorinated in a 50 mL chemical reactor immersed in a water bath (25°C). The gas in the reactor was first pumped out with a vacuum pump and then filled with a fluorine nitrogen mixture F 2 /N 2 (5/95) at a rate of 200 ml/min to a pressure of 4 bar. To obtain different degrees of fluorination, PIM-1 films were kept in the reactor for different times (1, 5, 10, 30 min). Fluorinated PIM-1 membranes turned out to be insoluble in common solvents.

Полученные мембраны обладали хорошими газоразделительными свойствами для гелиевых смесей газов, однако были недостаточно эффективны в отношении водородсодержащих смесей газов. Также существенным недостатком газофазного фторирования, применяемого в прототипе, является большой экзотермический эффект, который может перевести реакцию в режим горения или взрыва. Для предотвращения этого эффекта прямое газофазное фторирование проводят при пониженных температурах и при сильном разбавлении фтора инертным газом (гелий, азот, аргон). The resulting membranes had good gas separation properties for helium gas mixtures, but were not effective enough for hydrogen-containing gas mixtures. Also, a significant disadvantage of gas-phase fluorination used in the prototype is the large exothermic effect, which can transform the reaction into combustion or explosion mode. To prevent this effect, direct gas-phase fluorination is carried out at low temperatures and with strong dilution of fluorine with an inert gas (helium, nitrogen, argon).

Для устранения вышеуказанных недостатков была поставлена задача создания безопасной технологии получения фторированной полимерной мембраны для разделения многокомпонентных водородсодержащих газовых смесей.To eliminate the above disadvantages, the task was set to create a safe technology for producing a fluorinated polymer membrane for separating multicomponent hydrogen-containing gas mixtures.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в расширении арсенала способов получения газоразделительных мембран из поверхностно фторированного полибензодиоксана, обладающих высокими параметрами селективности и проницаемости при простоте и экономичности способа их получения.The technical result of the claimed invention is to expand the arsenal of methods for producing gas separation membranes from surface fluorinated polybenzodioxane, which have high selectivity and permeability parameters with a simple and cost-effective method for their production.

Технический результат достигается тем, что в предложенном способе получения газоразделительных мембран для водородсодержащих смесей, проводят синтез полимера PIM-1 на основе полибензодиоксана в реакционной среде диметилсульфоксида, со среднемассовой молекулярной массой Mw=75 000 Да и среднечисленной молекулярной массой Mn=25 000 Да, получение раствора полимера PIM- 1 в хлороформе с концентрацией 5 % при комнатной температуре, полив этого раствора на подложку, испарение растворителя выдерживанием под вакуумом до постоянного веса, отделение полученной мембраны от подложки, поверхностное фторирование мембраны с одной стороны элементным фтором в среде предварительно насыщенного фтором перфтордекалина, при этом насыщение перфтордекалина фтором производят барботированием его смесью газов, состоящей из 10% фтора и 90% азота с расходом смеси 0.5 мл/сек.The technical result is achieved by the fact that in the proposed method for producing gas separation membranes for hydrogen-containing mixtures, the PIM-1 polymer based on polybenzodioxane is synthesized in the reaction medium of dimethyl sulfoxide, with a mass average molecular weight Mw = 75,000 Da and a number average molecular weight Mn = 25,000 Da, obtaining a solution of PIM-1 polymer in chloroform with a concentration of 5% at room temperature, pouring this solution onto the substrate, evaporating the solvent by keeping it under vacuum to constant weight, separating the resulting membrane from the substrate, surface fluoridation of the membrane on one side with elemental fluorine in an environment of perfluorodecalin pre-saturated with fluorine , while perfluorodecalin is saturated with fluorine by bubbling it with a mixture of gases consisting of 10% fluorine and 90% nitrogen with a mixture flow rate of 0.5 ml/sec.

Проведение фторирования пленок PIM-1 в среде перфтордекалина (перфторированной жидкости с температурой кипения 142 °С) позволяет эффективно отводить тепло, высвобождающееся в процессе реакции, и тем самым делает возможным проведение прямого фторирования при комнатной и повышенных температурах, расширяет интервалы варьирования концентрации фтора во фторирующей смеси и времени фторирования.Carrying out fluorination of PIM-1 films in the environment of perfluorodecalin (perfluorinated liquid with a boiling point of 142 ° C) allows you to effectively remove the heat released during the reaction process, and thereby makes it possible to carry out direct fluorination at room and elevated temperatures, expands the range of variation of fluorine concentration in the fluorinating agent mixture and fluoridation time.

Изобретение поясняется следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.

Фиг. 1 - Принципиальная схема барометрической установки Баротрон для индивидуальных газов. На фигуре цифрами обозначены: 1,4,6,7,8,11 - клапаны; 2,10 - датчики давления; 3,9 - ёмкости с калиброванными объёмами; 5 - мембранная ячейка; 12,13 - воздушный термостат с сопутствующими элементами; 14 - система вакуумирования.Fig. 1 - Schematic diagram of the Barotron barometric installation for individual gases. In the figure the numbers indicate: 1,4,6,7,8,11 - valves; 2.10 - pressure sensors; 3.9 - containers with calibrated volumes; 5 - membrane cell; 12,13 - air thermostat with related elements; 14 - vacuum system.

Фиг. 2 – Принципиальная схема барометрической установки для смесей газов. Fig. 2 – Schematic diagram of a barometric installation for gas mixtures.

На фигуре цифрами обозначены: 15 - блок подготовки газа;16 - баллон с гелием; 17- тройник; 18,28 - 6-ходовой кран; 19 - мембранная ячейка; 20,31 - детектор; 21,22,23 - датчики давления; 24 - кран тонкой регулировки; 25 – 4-ходовой кран; 26,27 – хроматограммы; 29 – колонка сравнения; 30 – рабочая колонка. In the figure the numbers indicate: 15 - gas preparation unit; 16 - helium cylinder; 17- tee; 18.28 - 6-way valve; 19 - membrane cell; 20.31 - detector; 21,22,23 - pressure sensors; 24 - fine adjustment valve; 25 – 4-way valve; 26,27 – chromatograms; 29 – comparison column; 30 – working column.

Фиг. 3 - Диаграмма Робсона для пары газов H2/CH4. Приведены данные для образцов PIM-1 (контрольный), подвергнутых поверхностному фторированию в течение 15 мин (F-1, F-2), 30 мин (F-3, F-4), 45 мин (F-5, F-6), 60 мин (F-7, F-8). Закрашенный символ соответствует исходному полимеру PIM-1; наполовину закрашенные символы соответствуют данным идеальной селективности и проницаемости для индивидуальных газов, открытые символы соответствуют данным фактора разделения и проницаемости для смесей газов. Зачёркнутые символы соответствуют литературным данным [16] для плёнок PIM-1 с разным временем фторирования (FPIM-1 – 1 мин, FPIM-5 – 5 мин, FPIM-10 – 10 мин, FPIM-30 – 30 мин).Fig. 3 - Robson diagram for a pair of gases H 2 /CH 4 . Data are presented for samples PIM-1 (control) subjected to surface fluorination for 15 min (F-1, F-2), 30 min (F-3, F-4), 45 min (F-5, F-6 ), 60 min (F-7, F-8). The filled symbol corresponds to the original PIM-1 polymer; half-filled symbols correspond to ideal selectivity and permeability data for individual gases; open symbols correspond to separation factor and permeability data for mixtures of gases. The crossed out symbols correspond to literature data [16] for PIM-1 films with different fluorination times (FPIM-1 – 1 min, FPIM-5 – 5 min, FPIM-10 – 10 min, FPIM-30 – 30 min).

Фиг. 4 - Диаграмма Робсона для пары газов H2/CO2. Приведены данные для образцов PIM-1 (контрольный), подвергнутых поверхностному фторированию в течение 15 мин (F-1, F-2), 30 мин (F-3, F-4), 45 мин (F-5, F-6), 60 мин (F-7, F-8). Закрашенный символ соответствует исходному полимеру PIM-1; наполовину закрашенные символы соответствуют данным идеальной селективности и проницаемости для индивидуальных газов, открытые символы соответствуют данным фактора разделения и проницаемости для смесей газов. Зачёркнутые символы соответствуют литературным данным [16] для плёнок PIM-1 с разным временем фторирования (FPIM-1 – 1 мин, FPIM-5 – 5 мин, FPIM-10 – 10 мин, FPIM-30 – 30 мин).Fig. 4 - Robson diagram for a pair of gases H 2 /CO 2 . Data are presented for samples PIM-1 (control) subjected to surface fluorination for 15 min (F-1, F-2), 30 min (F-3, F-4), 45 min (F-5, F-6 ), 60 min (F-7, F-8). The filled symbol corresponds to the original PIM-1 polymer; half-filled symbols correspond to ideal selectivity and permeability data for individual gases; open symbols correspond to separation factor and permeability data for mixtures of gases. The crossed out symbols correspond to literature data [16] for PIM-1 films with different fluorination times (FPIM-1 – 1 min, FPIM-5 – 5 min, FPIM-10 – 10 min, FPIM-30 – 30 min).

Фиг.5 - Диаграмма Робсона для пары газов H2/N2. Приведены данные для образцов PIM-1 (контрольных), подвергнутых поверхностному фторированию в течение 15 мин (F-1, F-2), 30 мин (F-3, F-4), 45 мин (F-5, F-6), 60 мин (F-7, F-8). Закрашенный символ соответствует исходному полимеру PIM-1; наполовину закрашенные символы соответствуют данным идеальной селективности и проницаемости для индивидуальных газов, открытые символы соответствуют данным фактора разделения и проницаемости для смесей газов. Зачёркнутые символы соответствуют литературным данным [16] для плёнок PIM-1 с разным временем фторирования (FPIM-1 – 1 мин, FPIM-5 – 5 мин, FPIM-10 – 10 мин, FPIM-30 – 30 мин).Figure 5 - Robson diagram for a pair of gases H 2 /N 2 . Data are presented for PIM-1 (control) samples subjected to surface fluorination for 15 min (F-1, F-2), 30 min (F-3, F-4), 45 min (F-5, F-6 ), 60 min (F-7, F-8). The filled symbol corresponds to the original PIM-1 polymer; half-filled symbols correspond to ideal selectivity and permeability data for individual gases; open symbols correspond to separation factor and permeability data for mixtures of gases. The crossed out symbols correspond to literature data [16] for PIM-1 films with different fluorination times (FPIM-1 – 1 min, FPIM-5 – 5 min, FPIM-10 – 10 min, FPIM-30 – 30 min).

Заявляемый способ осуществляли следующим образом.The inventive method was carried out as follows.

Для получения полимера полибензодиоксана с внутренней микропористостью использовали 5,5',6,6'-тетрагидрокси-3,3,3',3'- тетраметил-1,1'-спиробисиндан (ТТСБИ, 97%) производства “TCI Europe N.V.” (Бельгия) и 2,3,5,6-тетрафтортерефталонитрил (ТФТФН, 99%) компании “P&M” (Россия), K2CO3 (“Акрус”, >99.5%) который предварительно высушивали при 160°С, а также диметилсульфоксид (ДМСО, 99%), тетрагидрофуран (ТГФ, ≥99.0%), метанол (≥99.0%) и хлороформ (99.0%) фирмы “Sigma-Aldrich”, которые применяли без предварительной очистки.To obtain a polybenzodioxane polymer with internal microporosity, 5,5',6,6'-tetrahydroxy-3,3,3',3'-tetramethyl-1,1'-spirobisindan (TTSBI, 97%) from TCI Europe NV was used. (Belgium) and 2,3,5,6-tetrafluoroterephthalonitrile (TFTN, 99%) from P&M (Russia), K 2 CO 3 (Akrus, >99.5%) which was pre-dried at 160°C, as well as dimethyl sulfoxide (DMSO, 99%), tetrahydrofuran (THF, ≥99.0%), methanol (≥99.0%) and chloroform (99.0%) from Sigma-Aldrich, which were used without preliminary purification.

Брали 1.0210 г (3 ммоля) ТТСБИ, 0.6003 г (3 ммоля) ТФТФН, 1.6000 г (12 ммоль) K2CO3, 8 мл ДМСО и 2 мл толуола, которые загружали в колбу в токе аргона при комнатной температуре. Затем колбу с реакционной смесью при перемешивании обычной мешалкой помещали в предварительно разогретую до 60–80°С ультразвуковую баню (“Elmasonic S10H”) с постоянной ультразвуковой обработкой (37 кГц) в течение 5 ч. По истечении этого времени в реакционную смесь добавляли 30 мл деионизованной воды и нагревание продолжали еще 30 мин с одновременной ультразвуковой обработкой для перевода в раствор всех неорганических солей. Очень тонкий желтый полимерный порошок PIM-1 выделяли фильтрацией на фильтре Шотта. Остатки неорганических солей и ДМСО удаляли последующей экстракцией порошка PIM-1 в аппарате Сокслета равнообъемной смесью этанол–вода. После вакуумной сушки выход PIM-1 был почти количественным и составлял 99%.We took 1.0210 g (3 mmol) TTSBI, 0.6003 g (3 mmol) TPTPH, 1.6000 g (12 mmol) K2CO3 , 8 ml DMSO and 2 ml toluene, which were loaded into the flask in a flow of argon at room temperature. Then the flask with the reaction mixture, while stirring with a conventional stirrer, was placed in an ultrasonic bath (“Elmasonic S10H”) preheated to 60–80°C with constant ultrasonic treatment (37 kHz) for 5 hours. After this time, 30 ml was added to the reaction mixture deionized water and heating continued for another 30 minutes with simultaneous ultrasonic treatment to transfer all inorganic salts into solution. The very fine yellow polymer powder PIM-1 was isolated by filtration on a Schott filter. Residues of inorganic salts and DMSO were removed by subsequent extraction of PIM-1 powder in a Soxhlet apparatus with an equal-volume ethanol–water mixture. After vacuum drying, the yield of PIM-1 was almost quantitative and amounted to 99%.

Полимер в дальнейшем очищали от низкомолекулярной части переосаждением из 5% раствора в хлороформе в равный объёму хлороформа объем ТГФ. После переосаждения выход полимера составлял 96%, среднемассовая молекулярная масса M w = 75 000 Да, среднечисленная молекулярная масса M n =25 000 Да.The polymer was further purified from the low molecular weight part by reprecipitation from a 5% solution in chloroform into a volume of THF equal to the volume of chloroform. After reprecipitation, the polymer yield was 96%, weight-average molecular weight M w = 75,000 Da, number-average molecular weight M n = 25,000 Da.

Из полученного описанным способом полибензодиоксана готовили гомогенные пленки толщиной 100-200 мкм. Для этого 5% раствор полимера PIM-1 в перегнанном хлороформе при комнатной температуре поливали на целлофановую пленку, плёнку снимали с подложки, а затем с целью испарения растворителя выдерживали под вакуумом до постоянного веса. Homogeneous films with a thickness of 100-200 μm were prepared from the polybenzodioxane obtained in the described manner. To do this, a 5% solution of the PIM-1 polymer in distilled chloroform at room temperature was poured onto a cellophane film, the film was removed from the substrate, and then kept under vacuum to constant weight to evaporate the solvent.

Пленку из полибензодиоксана PIM-1 для сравнения (контрольный образец) готовили в реакторе для поверхностного фторирования без применения фторирующей смеси газов. В держатель для мембран устанавливали пленку PIM-1, закрепляли держатель в стакане из фторопласта (далее реактор), в котором уже находился перфтордекалин (ПФД). В течение 30 минут перемешивали ПФД с помощью магнитной мешалки. Таким образом поверхностный слой пленки PIM-1 насыщался ПФД. По истечению 30 минут держатель мембраны извлекали из стакана и доставали пленку PIM-1. Остатки ПФД на поверхности пленки аккуратно стряхивали, а затем пленку PIM-1 размещали между двух дисков из фильтровальной бумаги, A film of polybenzodioxane PIM-1 for comparison (control sample) was prepared in a reactor for surface fluorination without the use of a fluorinating mixture of gases. A PIM-1 film was installed in the membrane holder, and the holder was secured in a fluoroplastic glass (hereinafter referred to as the reactor), which already contained perfluorodecalin (PFD). The PPD was stirred for 30 minutes using a magnetic stirrer. Thus, the surface layer of the PIM-1 film was saturated with PPD. After 30 minutes, the membrane holder was removed from the beaker and the PIM-1 film was taken out. The remaining FPD on the surface of the film was carefully shaken off, and then the PIM-1 film was placed between two filter paper disks,

Поверхностное фторирование PIM-1 проводили по следующей методике. Через фторопластовый стакан с налитым ПФД в течение 60 минут барботировали смесь газов: 10% фтора и 90% азота с расходом смеси 0.5 мл/сек. Данный расход устанавливали с помощью расходомера. Включили магнитную мешалку. По истечению заданного времени закрывали подачу газовой смеси. Далее приступали к обработке мембран в ПФД, насыщенным фтором. Помещали в держатель образец PIM-1 и устанавливали его в реактор с ПФД таким образом, что поверхностное жидкофазное фторирование проходило с одной стороны. Включали подачу фторазотной смеси в реактор и одновременно запускали в работу магнитную мешалку. Расход газа составлял 0.5 мл/сек. Через 15 минут обработки закрывали подачу газа и выключали магнитную мешалку. Доставали образец PIM-1 из реактора и просушивали с помощью фильтровальной бумаги. Далее этот эксперимент по поверхностному фторированию PIM-1 фторазотной смесью проводили в течение 30, 45, 60 мин. Всего было профторировано 8 плёнок PIM-1, для каждого времени фторирования эксперимент проводили для двух плёнок. Далее все образцы в пластиковых мешочках размещали в эксикаторе и вакуумировали в течение 15 мин. Необходимость данной процедуры была обусловлена наличием избыточного ПФД на поверхности мембран.Surface fluoridation of PIM-1 was carried out according to the following procedure. A mixture of gases was bubbled through a fluoroplastic beaker filled with PPD for 60 minutes: 10% fluorine and 90% nitrogen at a mixture flow rate of 0.5 ml/sec. This flow rate was determined using a flow meter. Turn on the magnetic stirrer. After a specified time, the supply of the gas mixture was closed. Next, we proceeded to treat the membranes in FPD saturated with fluorine. The PIM-1 sample was placed in a holder and installed in a reactor with an FPD in such a way that surface liquid-phase fluorination occurred on one side. The supply of the fluorine-nitrogen mixture to the reactor was turned on and the magnetic stirrer was simultaneously put into operation. The gas flow rate was 0.5 ml/sec. After 15 minutes of treatment, the gas supply was closed and the magnetic stirrer was turned off. The PIM-1 sample was removed from the reactor and dried using filter paper. Next, this experiment on surface fluoridation of PIM-1 with a fluorine-nitrogen mixture was carried out for 30, 45, 60 minutes. A total of 8 PIM-1 films were fluorinated; for each fluorination time, the experiment was carried out for two films. Next, all samples in plastic bags were placed in a desiccator and vacuumed for 15 minutes. The need for this procedure was due to the presence of excess PPD on the surface of the membranes.

Измерения газоразделительных свойств мембран для индивидуальных газов (водород, азот, углекислый газ, метан) проводили методом Дейнеса-Баррера [20] на установке Баротрон [21] (Фиг. 1) с емкостными датчиками давления в интервале от 1 до 3 атм при 22+/-2ºС. Подмембранное давление не превышало 12 мм рт.ст. (0.016 атм).Measurements of the gas separation properties of membranes for individual gases (hydrogen, nitrogen, carbon dioxide, methane) were carried out by the Deines-Barrera method [20] using the Barotron installation [21] (Fig. 1) with capacitive pressure sensors in the range from 1 to 3 atm at 22+ /-2ºС. Submembrane pressure did not exceed 12 mm Hg. (0.016 atm).

Измерения газоразделительных свойств мембран для смесей газов проводили на модельных смесях газов при атмосферном давлении с возможностью определения их концентрации в потоке ретентата и пермеата на газоразделительной установке [22] (Фиг. 2) с хроматографическим детектированием. Предварительно была проведена калибровка по индивидуальным газам на малых объемах (0.5 − 32 мкл) с использованием дозирующего устройства для определения концентрации газа в пермеате и на больших объемах (125, 530, 1006 мкл) для определения концентрации газа в ретентате. Хроматографический анализ проводили при температуре детектора 150 °С, температуре колонки 100 °С, скорости потока газа-носителя (He) 50 мл/мин, длина насадочной металлической колонки 200 см, внутренний диаметр 3 мм, адсорбент – активированный уголь, детектор - ДТП. Во избежание увеличения степени отбора водорода более 1% скорость потока смеси варьировали от 60 до 130 мл/мин. Ввод пробы проводился с использованием 6-ходового крана-дозатора, объём петли (дозы) – 1.006 мл.Measurements of the gas separation properties of membranes for gas mixtures were carried out on model gas mixtures at atmospheric pressure with the possibility of determining their concentration in the retentate and permeate flow in a gas separation unit [22] (Fig. 2) with chromatographic detection. Previously, calibration was carried out for individual gases on small volumes (0.5 - 32 µl) using a dosing device to determine the gas concentration in the permeate and on large volumes (125, 530, 1006 µl) to determine the gas concentration in the retentate. Chromatographic analysis was carried out at a detector temperature of 150 °C, a column temperature of 100 °C, a carrier gas (He) flow rate of 50 ml/min, a packed metal column length of 200 cm, an internal diameter of 3 mm, adsorbent - activated carbon, detector - DTP. To avoid an increase in the degree of hydrogen selection by more than 1%, the flow rate of the mixture was varied from 60 to 130 ml/min. The sample was introduced using a 6-way dosing tap; the volume of the loop (dose) was 1.006 ml.

Коэффициент проницаемости компонента А в смеси находили по формуле:The permeability coefficient of component A in the mixture was found using the formula:

, ,

где Where

P A – коэффициент газопроницаемости [см3 (н.у.) см/см2 с см рт.ст.]; P A – gas permeability coefficient [cm 3 (n.s.) cm/cm 2 s cm Hg];

l – толщина плёнки [см]; l – film thickness [cm];

p – разность давлений пермеата и ретентата [см рт.ст.];p – pressure difference between permeate and retentate [cm Hg];

T – температура ячейки [К]; T – cell temperature [K];

S – площадь поверхности мембраны [см2]; S – membrane surface area [cm 2 ];

p атм – атмосферное давление [см рт.ст.]; p atm – atmospheric pressure [cm Hg];

ω А – мольная доля компонента А в пермеате; ω A – mole fraction of the componentA in permeate;

– объёмная скорость пермеата [см3/с]; – permeate volumetric velocity [cm3/With];

1 Баррер = 1010 см3 (н.у.) см/см2 с см рт.ст.1 Barrer = 10 10 cm 3 (n.s.) cm/cm 2 s cm Hg.

Фактор разделения SF рассчитывали следующим образом: ,The separation factor SF was calculated as follows: ,

где – отношение концентраций водорода и газа C x (CO2, N2 или CH4) в пермеате, – отношение их концентраций в ретентате.Where – the ratio of the concentrations of hydrogen and gas C x (CO 2 , N 2 or CH 4 ) in the permeate, – the ratio of their concentrations in the retentate.

Модельные смеси газов готовили в баллоне. Были получены смеси следующего состава: H2/CO2 (65/35), H2/CH4 (36/64), H2/N2 (60/40).Model gas mixtures were prepared in a cylinder. Mixtures of the following composition were obtained: H 2 /CO 2 (65/35), H 2 /CH 4 (36/64), H 2 /N 2 (60/40).

Примеры практической реализации способа.Examples of practical implementation of the method.

Пример 1. Определение проницаемости и идеальной селективности по паре газов H2 и СН4.Example 1. Determination of permeability and ideal selectivity for a pair of gases H 2 and CH 4 .

Пленку из полибензодиоксана PIM-1 для сравнения (контрольный образец) готовили в реакторе для поверхностного фторирования без применения фторирующей смеси. А именно, плёнку PIM-1 помещали в перфтордекалин и выдерживали в течение 30 мин. Затем высушивали и вакуумировали. Поверхностно фторированные пленки F-1 – F-8 были получены по методике, описанной выше, времена фторирования пленок указаны в табл. 1.A film of polybenzodioxane PIM-1 for comparison (control sample) was prepared in a reactor for surface fluorination without the use of a fluorinating mixture. Namely, the PIM-1 film was placed in perfluorodecalin and kept for 30 min. Then dried and vacuumed. Surface fluorinated films F-1 – F-8 were obtained according to the method described above; the fluorination times of the films are indicated in Table. 1.

Плёнку PIM-1 помещали в ячейку установки Баротрон (Фиг. 1) и измеряли транспортные параметры водорода и метана методом Дейнеса-Баррера. Температура эксперимента составляла 22±2°С. Результаты измерений сведены в Таблицу 1. The PIM-1 film was placed in the cell of the Barotron installation (Fig. 1) and the transport parameters of hydrogen and methane were measured by the Deines-Barrer method. The experimental temperature was 22±2°C. The measurement results are summarized in Table 1.

Из таблицы 1 видно, что селективность или идеальный фактор разделения α(H2/CH4) = P(H2)/P(CH4) для плёнок F-1, F-2 немного увеличилась в результате фторирования с 15.1 до 19.7; F-3, F-4 увеличилась в результате фторирования в 37 раз с 15.1 до 568; F-5, F-6 увеличилась в результате фторирования в 29 раз с 15.1 до 433; F-7, F-8 увеличилась в результате фторирования в 74 раза с 15.1 до 1114. From Table 1 it can be seen that the selectivity or ideal separation factor α(H 2 /CH 4 ) = P (H 2 )/ P (CH 4 ) for films F-1, F-2 increased slightly as a result of fluorination from 15.1 to 19.7; F-3, F-4 increased as a result of fluoridation by 37 times from 15.1 to 568; F-5, F-6 increased as a result of fluoridation by 29 times from 15.1 to 433; F-7, F-8 increased as a result of fluoridation by 74 times from 15.1 to 1114.

Как видно из Фиг.3 на диаграмме Робсона для пары H2/СН4 точки PIM-1, F-1, F-2 расположены выше «верхней границы» 2008 года в области высокопроницаемых полимеров; точки F-3, F-4, F-5, F-8 расположены выше «верхней границы» 2015 года, F-6, F-7, расположены вблизи «верхней границы» 2015 года.As can be seen from Fig. 3 on the Robson diagram for the H 2 /CH 4 pair, points PIM-1, F-1, F-2 are located above the “upper limit” of 2008 in the region of highly permeable polymers; points F-3, F-4, F-5, F-8 are located above the “upper limit” of 2015, F-6, F-7 are located near the “upper limit” of 2015.

Таблица 1.Table 1.

ОбразецSample t (мин),
длительность фторирования
t (min),
fluoridation duration
l(мкм), толщина пленкиl(µm), film thickness РH2/PСH4, атмР H2 /P СH4 , atm PH2, БаррерP H2 , Barrer PСH4, БаррерP CH4 , Barrer α(H2/CH4),
селективность
α(H 2 /CH 4 ),
selectivity
PIM-1PIM-1 -- 78.4±1.778.4±1.7 1.19/1.181.19/1.18 17791779 118118 15.115.1 F-1F-1 1515 87.0±1.187.0±1.1 1.13/1.151.13/1.15 18761876 9595 19.719.7 F-2F-2 1515 96.0±5.8 96.0±5.8 1.09/1.111.09/1.11 17731773 9999 17.917.9 F-3F-3 30thirty 89.1±4.989.1±4.9 1.11/1.091.11/1.09 11921192 2.12.1 568568 F-4F-4 30thirty 94.6±1.494.6±1.4 1.13/1.141.13/1.14 741741 1.61.6 463463 F-5F-5 4545 96.2±3.396.2±3.3 1.12/1.091.12/1.09 559559 1.31.3 433433 F-6F-6 4545 90.6±2.2 90.6±2.2 1.25/1.181.25/1.18 462462 1.41.4 340340 F-7F-7 6060 71.2±2.771.2±2.7 1.12/1.161.12/1.16 414414 1.31.3 319319 F-8F-8 6060 99.4±1.4 99.4±1.4 1.11/3.121.11/3.12 457457 0.410.41 11151115 FPIM-1[16]FPIM-1[16] 11 -- 1/11/1 500500 0.820.82 610610 FPIM-5[16]FPIM-5[16] 55 -- 1/11/1 326326 0.200.20 16301630 FPIM-10[16]FPIM-10[16] 1010 -- 1/11/1 479479 0.650.65 737737 FPIM-30[16]FPIM-30[16] 30thirty -- 1/11/1 540540 1.31.3 415415

Пример 2. Определение проницаемости и идеальной селективности по паре газов H2 и СO2. Газопроницаемость фторированных пленочных мембран PIM-1 и F-1 – F-8 определяли на установке, показанной на Фиг.1. Температура эксперимента составила 22±2°С. Методика поверхностного фторирования представлена выше. Результаты измерений представлены в Таблице 2. Example 2. Determination of permeability and ideal selectivity for gas vapor H2 and CO2. The gas permeability of fluorinated film membranes PIM-1 and F-1 – F-8 was determined using the installation shown in Figure 1. The experimental temperature was 22±2°C. The surface fluoridation technique is presented above. The measurement results are presented in Table 2.

Из таблицы 2 видно, что селективность (или идеальный фактор разделения) α(H2/СO2) = P(H2)/P(СO2) немного увеличилась в результате фторирования для F-1, F-2 с 0.76 до 1.02; F-3, F-4 увеличилась в результате фторирования на порядок с 0.76 до 7.3; F-5, F-6 увеличилась в результате фторирования в 14 раз с 0.76 до 11; F-7, F-8 увеличилась в результате фторирования в 22.4 раза с 0.76 до 17. From Table 2 it can be seen that the selectivity (or ideal separation factor) α(H 2 /СO 2 ) = P (H 2 )/ P (СO 2 ) increased slightly as a result of fluorination for F-1, F-2 from 0.76 to 1.02 ; F-3, F-4 increased as a result of fluoridation by an order of magnitude from 0.76 to 7.3; F-5, F-6 increased as a result of fluoridation by 14 times from 0.76 to 11; F-7, F-8 increased as a result of fluoridation by 22.4 times from 0.76 to 17.

Как видно из Фиг.4 на диаграмме Робсона для пары H2/CO2 точки PIM-1, F-1, F-2 расположены в общем облаке точек в области высокопроницаемых полимеров; точки F-3, F-4, F-5, F-6, F-7, F-8 расположены гораздо выше «верхней границы» 2008 года.As can be seen from Figure 4 on the Robson diagram for the H 2 /CO 2 pair, points PIM-1, F-1, F-2 are located in the general cloud of points in the region of highly permeable polymers; points F-3, F-4, F-5, F-6, F-7, F-8 are located much higher than the “upper limit” of 2008.

Таблица 2.Table 2.

ОбразецSample t (мин),
длительность фторирования
t (min),
fluoridation duration
l(мкм), толщина пленкиl(µm), film thickness РH2/PСO2, атмP H2 /P CO2 , atm PH2, БаррерP H2 , Barrer PСO2, БаррерP CO2 , Barrer α(H2/CO2),
селективность
α(H 2 /CO 2 ),
selectivity
PIM-1PIM-1 -- 78.4±1.778.4±1.7 1.19/1.181.19/1.18 17791779 23282328 0.760.76 F-1F-1 1515 87.0±1.187.0±1.1 1.13/1.151.13/1.15 18761876 18321832 1.01.0 F-2F-2 1515 96.0±5.8 96.0±5.8 1.09/1.041.09/1.04 17731773 21812181 0.810.81 F-3F-3 30thirty 89.1±4.989.1±4.9 1.11/1.021.11/1.02 11921192 215215 5.55.5 F-4F-4 30thirty 94.6±1.494.6±1.4 1.13/1.061.13/1.06 741741 102102 7.37.3 F-5F-5 4545 96.2±3.396.2±3.3 1.12/0.941.12/0.94 559559 6060 9.39.3 F-6F-6 4545 90.6±2.2 90.6±2.2 1.25/1.121.25/1.12 462462 4242 11eleven F-7F-7 6060 71.2±2.771.2±2.7 1.12/1.171.12/1.17 414414 5555 7.57.5 F-8F-8 6060 99.4±1.4 99.4±1.4 1.11/1.081.11/1.08 457457 2727 1717 FPIM-1[16]FPIM-1[16] 11 -- 1/11/1 500500 4040 1313 FPIM-5[16]FPIM-5[16] 55 -- 1/11/1 326326 2222 1515 FPIM-10[16]FPIM-10[16] 1010 -- 1/11/1 479479 30thirty 1616 FPIM-30[16]FPIM-30[16] 30thirty -- 1/11/1 540540 8585 66

Пример 3. Определение проницаемости и идеальной селективности по паре газов H2 и N2. Example 3. Determination of permeability and ideal selectivity for a pair of gases H 2 and N 2.

Газопроницаемость полимеров пленочных мембран PIM-1 и F-1 – F-8 определяли на установках, показанных на Фиг.1 Методика поверхностного фторирования представлена выше. Температура эксперимента составила 22±2°С. Результаты измерений представлены в Таблице 3. The gas permeability of film membrane polymers PIM-1 and F-1 – F-8 was determined using the installations shown in Figure 1. The surface fluoridation technique is presented above. The experiment temperature was 22±2°C. The measurement results are presented in Table 3.

Из таблицы 3 видно, что селективность (или идеальный фактор разделения) α(H2/N2) = P(H2)/P(N2) для F-1, F-2 немного увеличилась в результате фторирования с 18.3 до 22.3; F-3, F-4 увеличилась в результате фторирования на порядок с 18.3 до 239; F-5, F-6 увеличилась в результате фторирования в 17 раз с 18.3 до 310 F-7, F-8 увеличилась в результате фторирования в 28 раз с 18.3 до 515. From Table 3 it can be seen that the selectivity (or ideal separation factor) α(H 2 /N 2 ) = P (H 2 )/ P (N 2 ) for F-1, F-2 increased slightly as a result of fluorination from 18.3 to 22.3 ; F-3, F-4 increased as a result of fluoridation by an order of magnitude from 18.3 to 239; F-5, F-6 increased as a result of fluoridation by 17 times from 18.3 to 310 F-7, F-8 increased as a result of fluoridation by 28 times from 18.3 to 515.

Как видно из Фиг.5. на диаграмме Робсона для пары H2-N2 точки ПБД, F-1, F-2, F-7, расположены выше «верхней границы» 2008 года в области высокопроницаемых полимеров, F-3, F-4, F-5, F-6, F-8 расположены выше «верхней границы» 2015 года.As can be seen from Fig.5. on the Robson diagram for the H 2 -N pair, 2 PBD points, F-1, F-2, F-7, are located above the “upper limit” of 2008 in the area of highly permeable polymers, F-3, F-4, F-5, F-6, F-8 are located above the “upper limit” of 2015.

Таблица 3.Table 3.

ОбразецSample t (мин),
длительность фторирования
t (min),
fluoridation duration
l(мкм), толщина пленкиl(µm), film thickness РH2/PСO2, атмP H2 /P CO2 , atm P H2,
Баррер
P H2 ,
Barrer
PN2,
Баррер
P N2 ,
Barrer
α(H2/N2),
селективность
α(H 2 /N 2 ),
selectivity
PIM-1PIM-1 -- 78.4±1.778.4±1.7 1.19/1.181.19/1.18 17791779 9797 1818 F-1F-1 1515 87.0±1.187.0±1.1 1.13/1.111.13/1.11 18761876 8484 2222 F-2F-2 1515 96.0±5.896.0±5.8 1.09/1.091.09/1.09 17731773 9090 2020 F-3F-3 30thirty 89.1±4.989.1±4.9 1.11/1.101.11/1.10 11921192 6.56.5 183183 F-4F-4 30thirty 94.6±1.494.6±1.4 1.13/1.091.13/1.09 741741 3.13.1 239239 F-5F-5 4545 96.2±3.396.2±3.3 1.12/1.101.12/1.10 559559 1.81.8 311311 F-6F-6 4545 90.6±2.2 90.6±2.2 1.25/1.111.25/1.11 462462 1.71.7 270270 F-7F-7 6060 71.2±2.771.2±2.7 1.12/1.181.12/1.18 414414 2.22.2 190190 F-8F-8 6060 99.4±1.4 99.4±1.4 1.11/1.081.11/1.08 457457 0.890.89 515515 FPIM-1[16]FPIM-1[16] 11 -- 1/11/1 500500 2.02.0 250250 FPIM-5[16]FPIM-5[16] 55 -- 1/11/1 326326 0.880.88 370370 FPIM-10[16]FPIM-10[16] 1010 -- 1/11/1 479479 2.42.4 200200 FPIM-30[16]FPIM-30[16] 30thirty -- 1/11/1 540540 3.23.2 169169

Пример 4. Определение проницаемости и фактора разделения по паре газов H2 и СН4. Example 4. Determination of permeability and vapor separation factor of gases H 2 and CH 4.

Газопроницаемость полимеров пленочных мембран PIM-1 и F-1 – F-8 определяли на газохроматографической установке (Фиг. 2). Методика поверхностного фторирования представлена выше. Температура проведения эксперимента составила 22±2°С. Пленка помещалась в ячейку хроматографической установки и измерялись транспортные параметры модельной смеси водорода и метана, в соотношении H2/CH4 – 36/64 %, описанным выше методом. По данным площади хроматограммы H2/CH4 были найдены значения для пленки F-2: Р(H2) = 2701 Баррер, Р(СН4) = 159 Баррер; для пленки F-4: Р(H2) = 364 Баррер, Р(СН4) = 2.5 Баррер; для пленки F-5: Р(H2) = 251 Баррер, Р(СН4) = 2.0 Баррер, для пленки F-8: Р(H2) = 209 Баррер, Р(СН4) = 1.8 Баррер. The gas permeability of the film membrane polymers PIM-1 and F-1 – F-8 was determined using a gas chromatographic installation (Fig. 2). The surface fluoridation technique is presented above. The temperature of the experiment was 22±2°C. The film was placed in the cell of a chromatographic installation and the transport parameters of a model mixture of hydrogen and methane, in the ratio H 2 /CH 4 - 36/64%, were measured using the method described above. Based on the area data of the H 2 /CH 4 chromatogram, the following values were found for film F-2: P (H 2 ) = 2701 Barrer, P (CH 4 ) = 159 Barrer; for film F-4: P (H 2 ) = 364 Barrer, P (CH 4 ) = 2.5 Barrer; for film F-5: P (H 2 ) = 251 Barrer, P (CH 4 ) = 2.0 Barrer, for film F-8: P (H 2 ) = 209 Barrer, P (CH 4 ) = 1.8 Barrer.

Таким образом, фактор разделения α(H2/CH4) = P(H2)/P(CH4) изменяется в интервале 17-143. Thus, the separation factor α(H 2 /CH 4 ) = P (H 2 )/ P (CH 4 ) varies in the range of 17-143.

Как видно из Фиг.3 на диаграмме Робсона для пары H2-СН4 точка F-2 находится выше «верхней границы» 2008 года в области высокопроницаемых полимеров, а точки F-4, F-5, F-8 расположены выше «верхней границы» 2008 года, но фактор разделения H2/СН4 составляет 115-143, что в несколько раз меньше идеальной селективности. Относительная погрешность составила 20 %.As can be seen from Figure 3 on the Robson diagram for the pair H2-CH4 point F-2 is above the 2008 “upper limit” in the area of high-permeability polymers, and points F-4, F-5, F-8 are located above the 2008 “upper limit”, but the separation factor H2/CH4amounts to 115-143, which is several times less than the ideal selectivity. The relative error was 20%.

Таблица 4 - Коэффициенты проницаемости P [Баррер] и селективности α, фактора разделения SF изученных полимерных образцов. Table 4 - Permeability coefficients P [Barrer] and selectivity α, separation factor SF of the studied polymer samples.

ОбразецSample l(мкм), толщина пленкиl(µm), film thickness РH2/PСH4, атмР H2 /P СH4 , atm Степень отбора,%Selection rate,% H2-CH4 H2 - CH4 ФРFR H2-CH4 H2 - CH4 α P αP H2 H 2 CH4 CH 4 P(H2) P ( H2 ) P(CH4) P ( CH4 ) P(H2) P ( H2 ) P(CH4) P ( CH4 ) F-2F-2 96.0±5.896.0±5.8 0.46/0.800.46/0.80 0.870.87 0.050.05 27012701 159159 16.716.7 17731773 9999 17.917.9 F-4F-4 94.6±1.494.6±1.4 0.41/0.710.41/0.71 0.260.26 0.0020.002 364364 2.52.5 143143 741741 1.61.6 463463 F-5F-5 96.2±3.396.2±3.3 0.41/0.730.41/0.73 0.160.16 0.0010.001 251251 2.02.0 125125 559559 1.31.3 433433 F-8F-8 99.4±1.499.4±1.4 0.41/0.720.41/0.72 0.150.15 0.0010.001 209209 1.81.8 115115 457457 0.410.41 115115

Пример 5. Определение проницаемости и фактора разделения по паре газов H2 и СO2. Example 5. Determination of permeability and vapor separation factor of gases H 2 and CO 2.

Газопроницаемость полимеров пленочных мембран PIM-1 и F-1 – F-8 определяли на газохроматографической установке (Фиг. 2). Методика поверхностного фторирования представлена выше. Температура проведения эксперимента составила 22±2°С. Пленка помещалась в ячейку хроматографической установки и измерялись транспортные параметры модельной смеси водорода и углекислого газа, в соотношении H2/CO2 – 65/35 %, описанным выше методом. По данным площади хроматограммы H2/СO2 были найдены значения для плёнки F-2 : Р(H2) = 2160 Баррер, Р(СO2) = 3549 Баррер; для пленки F-4 : Р(H2) = 418 Баррер, Р(СO2) = 71 Баррер; для пленки F-5 : Р(H2) = 224 Баррер, Р(СO2) = 51 Баррер; для пленки F-8 : Р(H2) = 194 Баррер, Р(СO2) = 29 Баррер. The gas permeability of the film membrane polymers PIM-1 and F-1 – F-8 was determined using a gas chromatographic installation (Fig. 2). The surface fluoridation technique is presented above. The temperature of the experiment was 22±2°C. The film was placed in the cell of a chromatographic installation and the transport parameters of a model mixture of hydrogen and carbon dioxide, in the ratio H 2 /CO 2 - 65/35%, were measured using the method described above. Based on the area of the H 2 /CO 2 chromatogram, the following values were found for the F-2 film: P (H 2 ) = 2160 Barrer, P (CO 2 ) = 3549 Barrer; for film F-4: P (H 2 ) = 418 Barrer, P (CO 2 ) = 71 Barrer; for film F-5: P (H 2 ) = 224 Barrer, P (CO 2 ) = 51 Barrer; for film F-8: P (H 2 ) = 194 Barrer, P (CO 2 ) = 29 Barrer.

Таким образом, фактор разделения α(H2/СO2) = P(H2)/P(СO2) изменяется в интервале от 0.60 до 6.7. Thus, the separation factor α(H 2 /СO 2 ) = P (H 2 )/ P (СO 2 ) varies in the range from 0.60 to 6.7.

Как видно из Фиг.4. на диаграмме Робсона для пары H2-CO2 точка F-2 находится в области высокопроницаемых полимеров, а точки F-4, F-5, F-8 расположены выше «верхней границы» 2008 года, но фактор разделения H2/СO2 составляет 4.4-6.7 , что меньше идеальной селективности.As can be seen from Fig.4. on the Robson diagram for the pair H2-CO2 point F-2 is in the region of highly permeable polymers, and points F-4, F-5, F-8 are located above the “upper limit” of 2008, but the separation factor H2/CO2 is 4.4-6.7, which less than ideal selectivity.

Таблица 5 - Коэффициенты проницаемости P[Баррер] и селективности α, фактора разделения SF изученных полимерных образцов. Table 5 - Permeability coefficients P [Barrer] and selectivity α, separation factor SF of the studied polymer samples.

ОбразецSample l(мкм), толщина пленкиl(µm), film thickness РH2/PСH4, атмР H2 /P СH4 , atm Степень отбора,%Selection rate,% H2-СO2 H 2 -CO 2 SFSF H2-СO2 H 2 -CO 2 α P αP H2 H 2 СO2 CO 2 P(H2) P ( H2 ) P(СO2) P ( CO2 ) P(H2) P ( H2 ) P(СO2) P ( CO2 ) F-2F-2 96.0±5.896.0±5.8 0.89/0.470.89/0.47 0.760.76 1.241.24 21602160 35493549 0.600.60 17731773 21812181 0.810.81 F-4F-4 94.6±1.494.6±1.4 0.75/0.400.75/0.40 0.280.28 0.050.05 418418 7171 5.85.8 741741 102102 7.37.3 F-5F-5 96.2±3.396.2±3.3 0.74/0.400.74/0.40 0.150.15 0.0330.033 224224 5151 4.44.4 559559 6060 9.39.3 F-8F-8 99.4±1.499.4±1.4 0.74/0.400.74/0.40 0.130.13 0.020.02 194194 2929 6.76.7 457457 2727 16.916.9

Пример 6. Определение проницаемости и фактора разделения по паре газов H2 и N2. Example 6. Determination of permeability and vapor separation factor of gases H 2 and N 2.

Газопроницаемость полимеров пленочных мембран PIM-1 и F-1 – F-8 определяли на газохроматографической установке (Фиг. 2). Методика поверхностного фторирования представлена выше. Температура проведения эксперимента составила 22±2°С. Пленка помещалась в ячейку хроматографической установки и измерялись транспортные параметры модельной смеси водорода и азота, в соотношении H2/N2 – 60/40 %, описанным выше методом. По данным площадей хроматограммы для смеси H2/N2 были найдены значения проницаемости для исходной пленки F-2 : Р(H2) = 2675 Баррер, Р(N2) = 52 Баррер; для пленки F-4 : Р(H2) = 479 Баррер, Р(N2) = 3.3 Баррер; для пленки F-5 : Р(H2) = 226 Баррер, Р(N2) = 3.6 Баррер; для пленки F-8 : Р(H2) = 190 Баррер, Р(N2) = 3.7 Баррер. The gas permeability of the film membrane polymers PIM-1 and F-1 – F-8 was determined using a gas chromatographic installation (Fig. 2). The surface fluoridation technique is presented above. The temperature of the experiment was 22±2°C. The film was placed in the cell of a chromatographic installation and the transport parameters of a model mixture of hydrogen and nitrogen were measured, in the ratio H2/N2 – 60/40% using the method described above. According to the chromatogram areas for mixture H2/N2 permeability values were found for the original film F-2:R(H2) = 2675 Barrer,R(N2) = 52 Barrer; for film F-4:R(H2) = 479 Barrer,R(N2) = 3.3 Barrer; for film F-5:R(H2) = 226 Barrer,R(N2) = 3.6 Barrer; for F-8 film:R(H2) = 190 Barrer,R(N2) = 3.7 Barrer.

Таким образом, фактор разделения α(H2/N2) = P(H2)/P(N2) изменяется в интервале от 49 до 146. Thus, the separation factor α(H 2 /N 2 ) = P (H 2 )/ P (N 2 ) varies in the range from 49 to 146.

Как видно из Фиг. 5 на диаграмме Робсона для пары H2-N2 точка F-2 расположена гораздо выше «верхней границы» 2008 года в области высокопроницаемых полимеров; точка F-4 находится гораздо выше «верхней границы» 2008 года; точка F-5 находится на «верхней границе» 2008 года; точка F-8 находится между «верхними границами» 1991 и 2008 года. Относительная погрешность составила 20 %.As can be seen from FIG. 5 on the Robson diagram for the H 2 -N 2 pair, point F-2 is located much higher than the “upper limit” of 2008 in the region of highly permeable polymers; point F-4 is much higher than the “upper limit” of 2008; point F-5 is at the “upper limit” of 2008; point F-8 is between the “upper limits” of 1991 and 2008. The relative error was 20%.

Таблица 6 - Коэффициенты проницаемости P и селективности α, фактора разделения SF изученных полимерных образцов. Table 6 - Permeability coefficients P and selectivity α, separation factor SF of the studied polymer samples.

ОбразецSample l(мкм), толщина пленкиl(µm), film thickness РH2/PСH4, атмР H2 /P СH4 , atm Степень отбора,%Degree of selection,% H2-N2 H2 - N2 SFSF H2-N2 H2 - N2 α P αP H2 H 2 N2 N 2 P(H2) P ( H2 ) P(N2) P ( N2 ) P(H2) P ( H2 ) P(N2) P ( N2 ) F-2F-2 96.0±5.896.0±5.8 0.89/0.470.89/0.47 0.930.93 0.020.02 26752675 5252 5050 17731773 9090 19.719.7 F-4F-4 94.6±1.494.6±1.4 0.67/0.450.67/0.45 0.270.27 0.0020.002 479479 3.33.3 146146 741741 3.13.1 239239 F-5F-5 96.2±3.396.2±3.3 0.69/0.460.69/0.46 0.150.15 0.0020.002 226226 3.63.6 6262 559559 1.81.8 311311 F-8F-8 99.4±1.499.4±1.4 0.70/0.470.70/0.47 0.130.13 0.0030.003 190190 3.73.7 4949 457457 0.890.89 515515

Таким образом, приведенные экспериментальные данные по проницаемости и фактору разделения для водородсодержащих смесей (H2/CH4, H2/CO2, H2/N2) показывают, что полученные заявляемым способом поверхностно фторированные мембраны полибензодиоксана PIM-1 могут быть успешно использованы для разделения водородсодержащих смесей газов, образуемых, в частности, после паровой конверсии метана, пиролиза метана, газификации угля, целлюлозы, отходов полимерной промышленности, а также из биогаза водород-синтезирующих бактерий.Thus, the presented experimental data on permeability and separation factor for hydrogen-containing mixtures (H 2 /CH 4 , H 2 /CO 2 , H 2 /N 2 ) show that the surface fluorinated membranes of polybenzodioxane PIM-1 obtained by the claimed method can be successfully used for the separation of hydrogen-containing mixtures of gases formed, in particular, after steam reforming of methane, pyrolysis of methane, gasification of coal, cellulose, polymer industry waste, as well as from biogas of hydrogen-synthesizing bacteria.

ЛитератураLiterature

1. Zhang J. Z., Li J., Li Y., Zhao Y. Hydrogen generation, storage and utilization. – John Wiley & Sons, 20141. Zhang J. Z., Li J., Li Y., Zhao Y. Hydrogen generation, storage and utilization. – John Wiley & Sons, 2014

2. Robeson L. M. The upper bound revisited // Journal of membrane science. – 2008. – Vol. 320. – №. 1-2. – P. 390-400. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2008.04.0302. Robeson L. M. The upper bound revisited // Journal of membrane science. – 2008. – Vol. 320. – No. 1-2. – P. 390-400. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2008.04.030

3. Ю.П. Ямпольский, Н.А. Белов, А.Ю. Алентьев. Фтор в структуре полимеров: влияние на газоразделительные свойства. // Успехи химии. 2019. Т. 88. № 4. С. 387 – 405. (перевод: Yampolskii Yu.P., Belov N.A., Alentiev A.Yu.. Fluorine in the structure of polymers: influence on the gas separation properties// Russ. Chem. Rev. 2019 V. 88. Issue 4. P. 387 – 405. DOI: 10.1070/RCR4861)3. Yu.P. Yampolsky, N.A. Belov, A.Yu. Alentyev. Fluorine in the structure of polymers: influence on gas separation properties. // Advances in chemistry. 2019. T. 88. No. 4. P. 387 – 405. (translation: Yampolskii Yu.P., Belov N.A., Alentiev A.Yu.. Fluorine in the structure of polymers: influence on the gas separation properties // Russ. Chem. Rev. 2019 V. 88. Issue 4. P. 387 – 405. DOI: 10.1070/RCR4861)

4. Kharitonov A. P. Direct fluorination of polymers—from fundamental research to industrial applications // Progress in Organic Coatings. – 2008. – Vol. 61. – №. 2-4. – P. 192-204. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2007.09.0274. Kharitonov A. P. Direct fluorination of polymers—from fundamental research to industrial applications // Progress in Organic Coatings. – 2008. – Vol. 61. – No. 2-4. – P. 192-204. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2007.09.027

5. Belov N. A., Pashkevich D.S., Alentiev A.Yu., Tressaud A. Effect of direct fluorination on the transport properties and swelling of polymeric materials: a review // Membranes. – 2021. – Vol. 11. – №. 9. – P. 713. https://doi.org/10.3390/membranes110907135. Belov N. A., Pashkevich D. S., Alentiev A. Yu., Tressaud A. Effect of direct fluorination on the transport properties and swelling of polymeric materials: a review // Membranes. – 2021. – Vol. 11. – No. 9. – P. 713. https://doi.org/10.3390/membranes11090713

6. Langsam M., Robeson L. M. Substituted propyne polymers—part II. Effects of aging on the gas permeability properties of poly [1‐(trimethylsilyl) propyne] for gas separation membranes // Polymer Engineering & Science. – 1989. – Vol. 29. – №. 1. – P. 44-54. https://doi.org/10.1002/pen.7602901096. Langsam M., Robeson L. M. Substituted propyne polymers—part II. Effects of aging on the gas permeability properties of poly [1-(trimethylsilyl) propyne] for gas separation membranes // Polymer Engineering & Science. – 1989. – Vol. 29. – no. 1. – P. 44-54. https://doi.org/10.1002/pen.760290109

7. Low Z. X., Budd, P.M.; McKeown, N.B.; Patterson, D.A. Gas permeation properties, physical aging, and its mitigation in high free volume glassy polymers // Chemical reviews. – 2018. – Vol. 118. – №. 12. – P. 5871-5911. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.7b00629; 7. Low Z. X., Budd, P. M.; McKeown, N.B.; Patterson, D.A. Gas permeation properties, physical aging, and its mitigation in high free volume glassy polymers // Chemical reviews. – 2018. – Vol. 118. – No. 12. – P. 5871-5911. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.7b00629;

8. Pinnau I., Casillas C.G., Morisato A., Freeman B.D. Long‐term permeation properties of poly (1‐trimethylsilyl‐1‐propyne) membranes in hydrocarbon—Vapor environment // Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. – 1997. – Vol. 35. – №. 10. – P. 1483-1490. https://doi.org/10.1002/(SICI)1099-0488(19970730)35:10<1483::AID-OLB2>3.0.CO;2-T8. Pinnau I., Casillas C.G., Morisato A., Freeman B.D. Long-term permeation properties of poly (1-trimethylsilyl-1-propyne) membranes in hydrocarbon—Vapor environment // Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. – 1997. – Vol. 35. – No. 10. – P. 1483-1490. https://doi.org/10.1002/(SICI)1099-0488(19970730)35:10<1483::AID-OLB2>3.0.CO;2-T

9. Камбур П.С., Пашкевич Д.С., Петров В.Б., Алексеев Ю.И., Ямпольский Ю.П., Алентьев А.Ю. Газожидкостное фторирование 1,1,1,2-тетрафторэтана и метана элементным фтором в среде перфторированной жидкости // Журнал прикладной химии. – 2019. – Т. 92. – № 7. – С. 888-893. (перевод: Kambur P.S., Pashkevich D.S., Petrov V.B., Alekseev Yu.I., Yampol’skii Yu.P., Alent’ev A.Yu. Gas-Liquid Fluorination of 1, 1, 1, 2-Tetrafluoroethane and Methane with Elemental Fluorine in a Perfluorinated Liquid //Russian Journal of Applied Chemistry. – 2019. – Vol. 92. – №. 7. – P. 958-963. DOI: 10.1134/S10704272190701279. Kambur P.S., Pashkevich D.S., Petrov V.B., Alekseev Yu.I., Yampolsky Yu.P., Alentyev A.Yu. Gas-liquid fluorination of 1,1,1,2-tetrafluoroethane and methane with elemental fluorine in a perfluorinated liquid // Journal of Applied Chemistry. – 2019. – T. 92. – No. 7. – P. 888-893. (translation: Kambur P.S., Pashkevich D.S., Petrov V.B., Alekseev Yu.I., Yampol'skii Yu.P., Alent'ev A.Yu. Gas-Liquid Fluorination of 1, 1, 1, 2-Tetrafluoroethane and Methane with Elemental Fluorine in a Perfluorinated Liquid //Russian Journal of Applied Chemistry. – 2019. – Vol. 92. – No. 7. – P. 958-963. DOI: 10.1134/S1070427219070127

10. Blinov I.A., Mukhortov D.A., Yampolskii Yu.P., Belov N. A., Alentiev A. Yu., Chirkov S.V., Bondarenko G.N., Kostina Yu.V., Legkov S.A., Perepuchov A.M., Kambur M. P., Kambur P.S., Kapustin V.V., Vozniuk O.N., Kurapova E.S. Direct fluorination of poly-2, 6-dimethyl-1, 4-phenylene oxide in perfluorinated liquid medium // Journal of Fluorine Chemistry. – 2020. – Vol. 234. – P. 109526. https://doi.org/10.1016/j.jfluchem.2020.109526; 10. Blinov I.A., Mukhortov D.A., Yampolskii Yu.P., Belov N.A., Alentiev A. Yu., Chirkov S.V., Bondarenko G.N., Kostina Yu.V., Legkov S.A., Perepuchov A.M., Kambur M.P., Kambur P.S., Kapustin V.V., Vozniuk O.N., Kurapova E.S. Direct fluorination of poly-2, 6-dimethyl-1, 4-phenylene oxide in perfluorinated liquid medium // Journal of Fluorine Chemistry. – 2020. – Vol. 234. – P. 109526. https://doi.org/10.1016/j.jfluchem.2020.109526;

11. Belov N.A., Blinov I.A., Alentiev A.Yu., Belokhvostov V.M., Mukhortov D.A., Chirkov S.V., Mazur A.S., Kostina Yu.V., Vozniuk O.N., Kurapova E.S., Yampolskii Yu.P. Direct fluorination of acetyl and ethyl celluloses in perfluorinated liquid medium //Journal of Polymer Research. – 2020. – Vol. 27. – №. 9. – P. 1-11. https://doi.org/10.1007/s10965-020-02261-8; 11. Belov N.A., Blinov I.A., Alentiev A.Yu., Belokhvostov V.M., Mukhortov D.A., Chirkov S.V., Mazur A.S., Kostina Yu.V., Vozniuk O.N., Kurapova E.S., Yampolskii Yu.P. Direct fluorination of acetyl and ethyl celluloses in perfluorinated liquid medium //Journal of Polymer Research. – 2020. – Vol. 27. – no. 9. – P. 1-11. https://doi.org/10.1007/s10965-020-02261-8;

12. Belov N.A., Blinov I.A., Suvorov A.V., Nikiforov R.Yu., Chirkov S.V., Alentiev A.Yu., Kambur M. P., Kostina Yu.V., Levin I.S., Shapagin A.V., Yampolskii Yu.P. Gas permeability of cellulose acetate films treated with fluorine in perfluorodecalin // Membranes and Membrane Technologies. – 2021. – Vol. 3. – № 2. – P. 114–123 DOI: 10.1134/S2517751621020025; 12. Belov N.A., Blinov I.A., Suvorov A.V., Nikiforov R.Yu., Chirkov S.V., Alentiev A.Yu., Kambur M.P., Kostina Yu.V., Levin I.S., Shapagin A.V., Yampolskii Yu.P. Gas permeability of cellulose acetate films treated with fluorine in perfluorodecalin // Membranes and Membrane Technologies. – 2021. – Vol. 3. – No. 2. – P. 114–123 DOI: 10.1134/S2517751621020025;

13. Blinov I.A., Belov N.A., Suvorov A.V., Chirkov S.V., Kostina Yu.V., Mazur A.S., Kambur M.P., Belochvostov V.M., Alentiev A.Yu., Vozniuk O. N., Yampolskii Yu.P., Fluorination of polystyrene by elemental fluorine in liquid media //Journal of Fluorine Chemistry. – 2021. – Vol. 246. – P. 109777 DOI: 10.1016/ j.jfluchem. 2021.109777.13. Blinov I.A., Belov N.A., Suvorov A.V., Chirkov S.V., Kostina Yu.V., Mazur A.S., Kambur M.P., Belochvostov V.M., Alentiev A.Yu., Vozniuk O.N., Yampolskii Yu.P., Fluorination of polystyrene by elemental fluorine in liquid media //Journal of Fluorine Chemistry. – 2021. – Vol. 246. – P. 109777 DOI: 10.1016/ j.jfluchem. 2021.109777.

14. Langsam, M., Anand, M., Karwacki, E. J. Substituted propyne polymers: I. Chemical surface modification of poly [1-(trimethylsilyl] propyne] for gas separation membranes // Gas Separation & Purification. – 1988. – Vol. 2. – № 4. – P. 162-170.14. Langsam, M., Anand, M., Karwacki, E. J. Substituted propyne polymers: I. Chemical surface modification of poly [1-(trimethylsilyl] propyne] for gas separation membranes // Gas Separation & Purification. - 1988. - Vol. 2. – No. 4. – P. 162-170.

15. Belov N. A., Pashkevich D.S., Alentiev A.Yu., Tressaud A. Effect of direct fluorination on the transport properties and swelling of polymeric materials: a review // Membranes. – 2021. – Vol. 11. – №. 9. – P. 713. https://doi.org/10.3390/membranes11090713.15. Belov N. A., Pashkevich D. S., Alentiev A. Yu., Tressaud A. Effect of direct fluorination on the transport properties and swelling of polymeric materials: a review // Membranes. – 2021. – Vol. 11. – No. 9. – P. 713. https://doi.org/10.3390/membranes11090713.

16. Xiaohua Ma, *a Kaihua Li,b Zhiyang Zhu,a Hao Dong,a Jia Lv,c Yingge Wang,d Ingo Pinnau, e Jianxin Li, *a Bowen Chen*b and Yu Han *dHigh-performance polymer molecular sieve membranes prepared by direct fluorination for efficient helium enrichment//J. Mater. Chem. A, 2021,9, 18313-1832216. Xiaohua Ma, *a Kaihua Li,b Zhiyang Zhu,a Hao Dong,a Jia Lv,c Yingge Wang,d Ingo Pinnau, e Jianxin Li, *a Bowen Chen*b and Yu Han *dHigh-performance polymer molecular sieve membranes prepared by direct fluorination for efficient helium enrichment//J. Mater. Chem. A, 2021.9, 18313-18322

17. Budd P. M., McKeown N.B., Ghanem B.S., Msayib K.J., Fritsch D., Strannikova L., Belov N., Sanfirova O., Yampolskii Yu., Shantarovich V. Gas permeation parameters and other physicochemical properties of a polymer of intrinsic microporosity: Polybenzodioxane PIM-1 //Journal of Membrane Science. – 2008. – Vol. 325. – №. 2. – P. 851-860. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2008.09.01017. Budd P. M., McKeown N. B., Ghanem B. S., Msayib K. J., Fritsch D., Strannikova L., Belov N., Sanfirova O., Yampolskii Yu., Shantarovich V. Gas permeation parameters and other physicochemical properties of a polymer of intrinsic microporosity : Polybenzodioxane PIM-1 // Journal of Membrane Science. – 2008. – Vol. 325. – No. 2. – P. 851-860. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2008.09.010

18. RF Parent. Method of polymer of intrinsic microporosity pim-1 obtaining. (In Russian) D. Y. Razorenov, I.I. Ponomarev, Y. A. Volkova, I. V. Blagodatskikh, K. M. Skupov, Iv. I. Ponomarev, #RU 2626235, 25 July 201718. RF Parent. Method of polymer of intrinsic microporosity pim-1 obtaining. (In Russian) D. Y. Razorenov, I.I. Ponomarev, Y. A. Volkova, I. V. Blagodatskikh, K. M. Skupov, Iv. I. Ponomarev, #RU 2626235, 25 July 2017

19. Пономарев И.И., Разоренов Д.Ю., Благодатских И.В., Муранов А.В., Старанникова Л.Э., Алентьев А.Ю., Никифоров Р.Ю., Ямпольский Ю.П. Полимер с внутренней микропористостью PIM-1: новые методы синтеза и газотранспортные свойства // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. – 2019. – Т. 61. – №. 5. – С. 369-376. (перевод: Ponomarev I.I., Razorenov D.Yu., Blagodatskikh I.V., Muranov A.V., Starannikova L.E., Alent’ev A.Yu., Nikiforov R.Yu., Yampol’skii Yu.P. Polymer with Intrinsic Microporosity PIM-1: New Methods of Synthesis and Gas Transport Properties // Polymer Science, Series B. – 2019. – Vol. 61. – №. 5. – P. 605–612. DOI: 10.1134/S1560090419050142)19. Ponomarev I.I., Razorenov D.Yu., Blagodatskikh I.V., Muranov A.V., Starannikova L.E., Alentyev A.Yu., Nikiforov R.Yu., Yampolsky Yu.P. Polymer with internal microporosity PIM-1: new methods of synthesis and gas transport properties // High-molecular compounds. Series B. – 2019. – T. 61. – No. 5. – pp. 369-376. (translation: Ponomarev I.I., Razorenov D.Yu., Blagodatskikh I.V., Muranov A.V., Starannikova L.E., Alent'ev A.Yu., Nikiforov R.Yu., Yampol'skii Yu.P. Polymer with Intrinsic Microporosity PIM-1: New Methods of Synthesis and Gas Transport Properties // Polymer Science, Series B. – 2019. – Vol. 61. – No. 5. – P. 605–612. DOI: 10.1134/S1560090419050142)

20. Daynes H. A. The process of diffusion through a rubber membrane // Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character. – 1920. – Vol. 97. – №. 685. – P. 286-307 https://doi.org/10.1098/rspa.1920.003420. Daynes H. A. The process of diffusion through a rubber membrane // Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character. – 1920. – Vol. 97. – No. 685. – P. 286-307 https://doi.org/10.1098/rspa.1920.0034

21. Н. А. Белов, Р. Ю. Никифоров, М. В. Бермешев, Ямпольский Ю.П., Финкельштейн Е.Ш. Синтез и газотранспортные параметры полипентафторстирола // Мембраны и мембранные технологии. –2017. – Т. 7, № 5. – С. 305–310. (перевод: Belov N.A., Nikiforov R.Y., Bermeshev M.V., Yampolskii Yu.P., Finkelshtein E.Sh. Synthesis and gas transport properties of polypentafluorostyrene // Petroleum Chemistry. – 2017. – Vol. 57. – № 11. – P. 923-928. DOI: 10.1134/S0965544117110020) 21. N. A. Belov, R. Yu. Nikiforov, M. V. Bermeshev, Yampolsky Yu.P., Finkelshtein E.Sh. Synthesis and gas transport parameters of polypentafluorostyrene // Membranes and membrane technologies. –2017. – T. 7, No. 5. – P. 305–310. (translation: Belov N.A., Nikiforov R.Y., Bermeshev M.V., Yampolskii Yu.P., Finkelshtein E.Sh. Synthesis and gas transport properties of polypentafluorostyrene // Petroleum Chemistry. - 2017. - Vol. 57. - No. 11. - P. 923-928. DOI: 10.1134/S0965544117110020)

22. Д. А. Безгин, Н. А. Белов, Р. Ю. Никифоров, Тебенева Н.А., Ямпольский Ю.П., Музафаров А.М. Разделение смесей углеводородов С1-С4 с использованием Fe-содержащей силоксановой композиции // Мембраны и мембранные технологии. — 2020. — Т. 10. — С. 32–41. (перевод: Bezgin D.A., Belov N.A., Nikiforov R.Y., Tebeneva N.A., Yampolskii Yu.P., Muzafarov A.M. Separation of C1–C4 hydrocarbon mixtures using Fe-containing siloxane composition // Membranes and Membrane Technologies. – 2020. – Vol. 2, no. 1. – P. 27–34. DOI: 10.1134/s2517751620010035)22. D. A. Bezgin, N. A. Belov, R. Yu. Nikiforov, Tebeneva N.A., Yampolsky Yu.P., Muzafarov A.M. Separation of mixtures of C1-C4 hydrocarbons using an Fe-containing siloxane composition // Membranes and membrane technologies. — 2020. — T. 10. — P. 32–41. (translation: Bezgin D.A., Belov N.A., Nikiforov R.Y., Tebeneva N.A., Yampolskii Yu.P., Muzafarov A.M. Separation of C1–C4 hydrocarbon mixtures using Fe-containing siloxane composition // Membranes and Membrane Technologies. – 2020. – Vol. 2 , no. 1. – P. 27–34. DOI: 10.1134/s2517751620010035)

Claims (1)

Способ получения газоразделительных мембран для водородсодержащих смесей на основе поверхностно фторированного полибензодиоксана полимера с внутренней микропористостью PIM-1, включающий синтез полимера PIM-1 на основе полибензодиоксана в реакционной среде диметилсульфоксида, со среднемассовой молекулярной массой Mw=75000 Да и среднечисленной молекулярной массой Mn=25000 Да, получение раствора полимера PIM-1 в хлороформе с концентрацией 5% при комнатной температуре, полив этого раствора на подложку, испарение растворителя выдерживанием под вакуумом до постоянного веса, отделение полученной мембраны от подложки, поверхностное фторирование мембраны с одной стороны элементным фтором в среде предварительно насыщенного фтором перфтордекалина, при этом насыщение перфтордекалина фтором производят барботированием его смесью газов, состоящей из 10% фтора и 90% азота с расходом смеси 0,5 мл/сек.A method for producing gas separation membranes for hydrogen-containing mixtures based on a surface fluorinated polybenzodioxane polymer with internal microporosity PIM-1, including the synthesis of a PIM-1 polymer based on polybenzodioxane in a reaction medium of dimethyl sulfoxide, with a mass average molecular weight Mw=75000 Da and a number average molecular weight Mn=25000 Da , obtaining a solution of the PIM-1 polymer in chloroform with a concentration of 5% at room temperature, pouring this solution onto the substrate, evaporating the solvent by keeping it under vacuum to constant weight, separating the resulting membrane from the substrate, surface fluoridation of the membrane on one side with elemental fluorine in a pre-saturated environment perfluorodecalin fluorine, while perfluorodecalin is saturated with fluorine by bubbling it with a mixture of gases consisting of 10% fluorine and 90% nitrogen with a mixture flow rate of 0.5 ml/sec.
RU2021138599A 2021-12-24 Method for obtaining gas separation membranes for hydrogen-containing mixtures based on surface fluorined polybenzodioxane RU2803726C2 (en)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2021138599A RU2021138599A (en) 2023-06-26
RU2803726C2 true RU2803726C2 (en) 2023-09-19

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070141427A1 (en) * 2004-08-18 2007-06-21 Asahi Glass Co., Ltd. Electrolyte polymer for fuel cells, process for its production, electrolyte membrane and membrane/electrode assembly
US20090118466A1 (en) * 2004-06-21 2009-05-07 Exxonmobil Chemical Patents Inc. Polymer recovery method
RU2539592C1 (en) * 2013-09-23 2015-01-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Method for hydrophobisation of oxidised isotactic polypropylene
RU2606613C2 (en) * 2015-01-23 2017-01-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) Based on poly(hexafluoropropylene) membrane and method of gases separating using it

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090118466A1 (en) * 2004-06-21 2009-05-07 Exxonmobil Chemical Patents Inc. Polymer recovery method
US20070141427A1 (en) * 2004-08-18 2007-06-21 Asahi Glass Co., Ltd. Electrolyte polymer for fuel cells, process for its production, electrolyte membrane and membrane/electrode assembly
RU2539592C1 (en) * 2013-09-23 2015-01-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Method for hydrophobisation of oxidised isotactic polypropylene
RU2606613C2 (en) * 2015-01-23 2017-01-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) Based on poly(hexafluoropropylene) membrane and method of gases separating using it

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Xiaohua Ma, et al. *dHigh-performance polymer molecular sieve membranes prepared by direct fluorination for efficient helium enrichment//J. Mater. Chem. A, 2021,9, 18313-18322 pp., DOI: 10.1039/d1ta04099e. Мухортов Д.А. и др. Получение фторполимеров методом газожидкостного фторирования в стационарном тепловом режиме. Физико-химические аспекты предельных состояний и структурных превращений в сплошных средах, материалах и технических системах. Под общ. Ред. чл.-корр. РАН Ю.В.Петрова, Сборник статей. СПб, Политехника, Выпуск 3, 2019, с. 68-73. Budd P. M. et. al. Gas permeation parameters and other physicochemical properties of a polymer of intrinsic microporosity: Polybenzodioxane PIM-1. Journal of Membrane Science. 2008,Vol.325, N 2, 851-860 pp. DOI:10.1016/j.memsci.2008.09.010. Алентьев А.Ю. и др. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ДИЗАЙНА ХИМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ВЫСОКОПРОНИЦАЕМЫХ ПОЛИГЕТЕРОАРИЛЕНОВ ДЛЯ МЕМБРАННОГО ГАЗОРАЗДЕЛЕНИЯ. Журнал: ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. Серия С, т. 62, N 2, 2020, с. 245 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bachman et al. Enhanced ethylene separation and plasticization resistance in polymer membranes incorporating metal–organic framework nanocrystals
Swaidan et al. Pure-and mixed-gas CO2/CH4 separation properties of PIM-1 and an amidoxime-functionalized PIM-1
Costello et al. Temperature dependence of gas sorption and transport properties in polymers: measurement and applications
Wu et al. Pervaporation removal of volatile organic compounds from aqueous solutions using the highly permeable PIM‐1 membrane
Mason et al. Enhancement of CO2 affinity in a polymer of intrinsic microporosity by amine modification
Stevens et al. Influence of temperature on gas transport properties of tetraaminodiphenylsulfone (TADPS) based polybenzimidazoles
US20160263531A1 (en) Plasma-treated polymeric membranes
US20160263533A1 (en) Treated mixed matrix polymeric membranes
Grünauer et al. Ionic liquids supported by isoporous membranes for CO2/N2 gas separation applications
US9492785B2 (en) UV and thermally treated polymeric membranes
US20130247756A1 (en) Uv-rearranged pim-1 polymeric membranes and a process of preparing thereof
US20200306689A1 (en) Methane-selective mixed matrix membranes including nanoporous metal-organic framework materials to which methane-selective functional group,is introduced the use thereof and a method of preparing the same
Ansaloni et al. CO2 capture using highly viscous amine blends in non-porous membrane contactors
US20160263532A1 (en) Ultraviolet and plasma-treated polymeric membranes
Wang et al. Fabrication of polyimide membrane incorporated with functional graphene oxide for CO2 separation: the effects of GO surface modification on membrane performance
EP2964369A1 (en) Polymeric membranes
Choi et al. Sorption and permeation behaviors of a series of olefins and nitrogen through PDMS membranes
Yeom et al. Analysis of permeation transients of pure gases through dense polymeric membranes measured by a new permeation apparatus
US20140150648A1 (en) Fluorinated ethylene-propylene polymeric membranes for gas separations
Belov et al. A new polymer, poly (perfluoropropylvinyl ether) and its comparison with other perfluorinated membrane materials
US9873094B2 (en) Cross-linked polymeric membranes for carbon dioxide separation
Grainger et al. Evaluation of cellulose-derived carbon molecular sieve membranes for hydrogen separation from light hydrocarbons
Hong et al. Effect of Cross‐Link Density on Carbon Dioxide Separation in Polydimethylsiloxane‐Norbornene Membranes
Hu et al. Optimization of coating solution viscosity of hollow fiber‐supported polydimethylsiloxane membrane for CO2/H2 separation
Ji et al. Facile tailoring molecular sieving effect of PIM-1 by in-situ O3 treatment for high performance hydrogen separation