УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДИФФУЗИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАН

Изобретение относится к области химии, в частности мембранных технологий, и может быть использовано в пищевой, химической, нефтехимической, фармацевтической и других отраслях промышленности для выделения воды из водосодержащих смесей, при очистке и разделении других технологических жидких сред.

Анализ источников патентной информации и научной литературы выявил аналоги мембран различных типов для получения наноструктур [1-3].

Известно устройство [1], с помощью которого получают композитные первапорационные мембраны, содержащие асимметричные микропористые подложки, которые формируют на скин-слое подложки диффузионного полимерного слоя. Известный аналог относится к экологически проблемным устройствам, что связано с использованием вредных химических реагентов при получении подложки.

Известно устройство [2], которое предназначено для получения фуллеренсодержащего вещества. Однако известное устройство имеет ограниченные возможности, что связано с возможностью использования ограниченного круга полимеров. Кроме того, оно экологически нечисто, поскольку связано с использованием токсичных веществ, что вызывает дополнительные затраты на процесс соблюдения экологических норм, и, к тому же, приводит к снижению производительности и эффективности.

Анализ патентной и научной литературы выявил фактически один источник информации, описывающая устройство для получения мембраны на основе полимерного композита [3], который является наиболее близким по достигаемому техническому результату и принятое в качестве прототипа. Это устройство содержит подложку для формирования мембраны, ультразвуковой излучатель, сушильную камеру, контейнеры с исходными компонентами, контейнеры с дополнительными компонентами для формирования поверхностного слоя мембраны; имеет также смеситель полимера и фуллерена, реакционную камеру, содержащую контейнеры с реагентами, подаваемыми в реакционную камеру для процесса первапорационного разделения равновесной смеси реакции этерификации композиционной системы.

К недостаткам прототипа относится выокая стоимость их получения, экологическая опасность при их производстве, низкая производительность, а также очень узкая и ограниченная сфера получения полимерных мембран только на основе полимеров, растворимых при комнатной температуре, и недостаточная однородность за счет диспергирования наночастиц в объеме полимерного раствора, что ограничивает использование данного устройства для получения полимерных мембран и, в целом, делает ее с очень ограниченными и узкоспециализированными возможностями, к тому же достаточно высокой стоимости и экологически проблемной.

Техническим результатом заявляемого устройства для получения диффузионных полимерных мембран является снижение стоимости их получения, повышение производительности, а также улучшение экологических и производственных условий и существенное расширение сферы использования получаемых мембран за счет конструкционных возможностей использования широкого класса полимеров. Кроме того, заявленное устройство, позволяет, что очень важно, значительно улучшить транспортные свойства мембран, в частности, повысить производительность и селективность выделения заданного компонента из разделяемой исследуемой жидкой среды. По сути, заявленное устройство можно отнести к новому типу диффузионных мембран на основе полимерного композита поливиниловый спирт - фуллеренол С₆₀-(ОН)_22-24.

Указанный технический результат достигается тем, что заявленное устройство для получения диффузионных полимерных мембран, содержащее, соединенную с бункерами с исходными компонентами первую реакционную камеру с импеллером, сообщающуюся посредством насоса со второй реакционной камерой, имеющей бункер для дополнительного компонента и оснащенной излучателем ультразвуковых волн для активации полимерной композиции, формирующую мембрану подложку для нанесения на нее посредством калиброванного щелевого сопла слоя полимерной композиции, поступающей из второй реакционной камеры, и сушильную камеру для тепловой обработки полученной мембраны, причем первая реакционная камера выполнена с внешним нагревательным элементом, а бункеры для исходных компонентов заполнены поливиниловым спиртом, водой и фуллеренолом С₆₀-(ОН)_22-24, соответственно, при этом бункер для дополнительного компонента заполнен малеиновой кислотой.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что заявленное устройство содержит, по меньшей мере, две контрольные емкости для тестирования транспортных свойств приготовленной мембраны, одна из которых предназначена для заполнения ее исследуемой разделяемой жидкостью, а вторая для размещения в ее полости полученной диффузионной полимерной мембраны, на которую подают исследуемую разделяемую жидкость.

Заявленное устройство поясняется чертежом, на котором представлена его технологическая схема.

Устройство получения диффузионных полимерных мембран содержит две реакционные камеры 1 и 2; камера 1 помещенная в емкость, оснащенную нагревательным элементом 3; полость камеры 1 оснащена импеллером 4 и гидрозаборным патрубком 5, сообщающимся посредством насоса 6 с полостью камеры 2 магистралью 7. Камера 1 заполняется исходными материалами из бункеров 8, 9, 10, расположенными над реакционной камерой 1 и оснащенными дозаторами 11, 12, 13, посредством магистралей 14, 15, 16. Над камерой 2 расположен бункер 17 с дополнительным компонентом, оснащенный дозатором 18 для подачи дополнительного компонента в камеру 2 посредством магистрали 19. Камера 2 содержит излучатель 20 ультразвуковых волн, питающийся от генератора ультразвуковых колебаний 21. Устройство также оснащено сушильной камерой 22 для тепловой обработки подложки 23 с нанесенным с помощью калиброванного щелевого сопла полимерным слоем 24, образующим диффузионную полимерную мембрану 25. Физико-химические свойства этой мембраны определяют в процессе разделения экспериментальной жидкой среды, поступающей из емкости 26 по магистрали 27 в накопительную емкость 28, предназначенную для размещения в ней полученной диффузионной полимерной мембраны, из которой пробу подают на анализ методом газовой хроматографии, осуществляемой прибором 29. Конденсацию паров пермеата осуществляют с помощью камеры 30, заполненной хладагентом. Полученная на этом устройстве мембрана обладает высокими транспортными свойствами, значительной производительностью и селективностью выделения заданного компонента из разделяемой жидкой среды.

Работа устройства осуществляется следующим образом. В полость реакционной камеры 1 подают исходные компоненты: поливиниловый спирт и воду из бункеров 8, 9 соответственно, включают нагревательный элемент 3 и импеллер 4, перемешивая смесь до однородного состава; при этом в камере 2 контролируют тепловой баланс, например с помощью датчика температуры. Затем в полость реакционной камеры 1 из бункера 10 добавляют исходный компонент фуллеренол С₆₀-(ОН)_22-24. Получаемую композицию с помощью насоса 6 переводят в камеру 2, дополнительно в эту смесь вводят компонент из бункера 17, в качестве такого компонента используют малеиновую кислоту, смесь активируют с помощью излучателя ультразвуковых волн 20. Приготовленную композицию наносят щелевым соплом на подложку 23 равномерным слоем 24, подают в сушильную камеру 22. После сушки отделяют диффузионную мембрану 25 от подложки 23 и исследуют физико-химические свойства мембраны. Для этого ее размещают в емкости 28, на мембрану подают экспериментальную жидкую среду, содержащую уксусную кислоту, этанол, воду и этилацетат, из емкости 26, конденсацию обрабатываемой среды ведут с помощью хладагента, подаваемого в камеру 30. Результаты испытаний получают путем исследования на газовом хроматографе 29.

Заявленное изобретение апробировано в режиме реального времени на лабораторной базе Санкт-Петербургского государственного университета.

Результаты проведенных исследований приведены на конкретных примерах реализации.

При этом, исследование транспортных свойств мембраны (селективности и проницаемости) проводилось на основе поливинилового спирта, модифицированной 2 мас.% фуллеренола и содержащего 35 мас.% малеиновой кислоты осуществляли в процессе первапорационного разделения равновесной смеси реакции этерификации этилацетата и азеотропной смеси этанол-вода. Проницаемость мембран рассчитывали по формуле , где m - масса пермеата, образовавшегося за время τ с поверхности мембраны площадью F. Эффективная площадь мембраны была 14.8 см². Состав исходной смеси и пермеата определяли методом газовой хроматографии на хроматографе «Цвет» с детектором по теплопроводности (катарометром). В качестве газа-носителя использовался гелий. Хроматографическое разделение проводилось на насадочной тефлоновой колонке длиной около 3-х метров и внутренним диаметром около 3 мм, заполненной сорбентом «Полисорбом-1» зернением 0,25-0,315 мм. Рабочая температура термостатирования колонок составляла 403 К, испарителя - 448 К. Поток газа-носителя составлял 40 мл/мин. Ток моста детектора 120 мА. Площади хроматографических пиков устанавливались методом триангуляции. Пробы анализируемых жидкостей вводились микрошприцем МШ-10М. Объем пробы в зависимости от состава жидкости составлял 0,8-3 мкл. Обработка хроматограмм производилась на основе метода внутренней нормализации.

Пример 1.

При разделении равновесной смеси реакции этерификации: 56.92 мас.% этанола, 39.06 мас.% воды, 1.52 мас.% этилацетата, 2.50 мас.% уксусной кислоты проницаемость мембраны при температуре 20°С составляла 0,10 кг/м².час, содержание воды в пермеате (продукт, прошедший через мембрану) составляло 98.73 мас.% и 1.27 мас.% этанола.

Пример 2.

В процессе первапорационного разделения азеотропной смеси этанол-вода: 4.4. мас.% воды, 95.6 мас.% этанола проницаемость мембраны при температуре 20°С составляла 0,096 кг/м².час, содержание воды в пермеате (т.е. это продукт, прошедший через мембрану) составляло 98.93 мас.%.

Как показывают результаты исследований, проведенных в режиме реального времени, и конкретные примеры реализации заявляемого изобретения, полученные данные по транспортным свойствам диффузионной полимерной мембраны, подтверждают качественно новые возможности заявленной конструкции, оригинальность ее технологической схемы, а также, что очень важно, высокую эффективность, производительность и селективность выделения воды из водосодержащих смесей, особенно востребованных при очистке и разделении разных технологических жидких сред в таких сферах производства, как пищевой, химической, нефтехимической, фармацевтической и других отраслях промышленности.

Список использованной литературы

1. RU Патент 2129910, 1999.

2. RU Патент 2206500, 2003.

3. RU Патент 88009, 2009 - прототип.