СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАННЫХ МАТЕРИАЛОВ
SURFACE PROCESSING FOR POLYMER MEMBRANE MATERIALS

Изобретение относится к области техники поверхностного модифицирования полимерных мембранных материалов, полимерных мембран различного вида (гомогенных, композитных, половолоконных и т.д.) и изготовленных из них газоразделительных устройств.
2
2
4
2
4
2
2
4
2
2
2
2
2
Известен способ модифицирования полимерных мембран [US 4759776, July 26, 1988; US 4657564, April 14, 1987], в котором модифицирование полимерных производных политриалкилсилилпропина и политриалкилгермилпропина и мембран на их основе происходит в потоке фторсодержащего газа при атмосферном давлении. Предлагается использовать модифицированные мембраны (гомогенные и гетерогенные плоские мембраны и мембраны, состоящие из полиолефиновой или полисульфоновой пористой подложки, покрытой с поверхности вышеупомянутыми полимерами) для разделения смеси газов O/N, He/CH, H/CH, H/CO, CO/CH, CO/N, H/N и He/N.
4
2
2
2
4
2
4
Известен способ модифицирования полимерных мембран на основе ароматических полиимидов [Pat. US №5112941, May 12, 1992] в котором модифицирование плоских мембран в виде пленок происходит при воздействии смесей фтора с HF, CF с целью улучшения селективности разделения смесей O/N, H/CH и CO/CH.
2
2
2
4
2
4
Известен способ модифицирования полимерных мембран [Pat. US №4828585, May 9, 1989] на основе полисульфона, полистирола, полиарилата, поликарбоната, этилцеллюлозы, стиролакрилонитрильного сополимера, и поли (4-винилапизол-4винилпиридина), в котором модифицирование плоских гомогенных и композитных волокон и половолоконных мембран происходит при воздействии фтора либо его смесей с диоксидом серы с целью улучшения селективности разделения смесей О/N, N/CH и СО/СН.
6
6
6
5
Известен способ химической модификации полимерной газоразделительной мембраны [SU 1776194, B01D 71/32, бюл. №42, 1992 г.], в котором мембраны из сополимера винилиденфторида с тетрафторэтиленом или гексафторпропиленом обрабатывают газообразной смесью. В качестве фторсодержащего агента используют летучий фторид тяжелого металла, выбранный из группы MoF, WF, UF, VF, и обработку осуществляют при содержании последнего 0-80 об.% и его давлении до 0,5 ата.

2
2
4
2
2
4
Известен способ модифицирования полимерных мембран в виде плоских гомогенных пленок поливинилтриметилсилана и полых волокон на основе полиимида Матримид 5218 [D.A.Syrtsova, A.P.Kharitonov, V.V.Teplyakov, G.H.Koops, Improving gas separation properties of polymeric membranes based on glassy polymers by gas phase fluorination. Desalination, 163 (2004) 273-279; A.P.Kharitonov. Direct fluorination of polymers. Nova Science Publishers Inc. N.Y., 2008], принятый за прототип. Согласно этому способу модифицирование мембран происходит при воздействии смесей F, Не и О с целью улучшения селективности разделения смесей Не/СН Не/N и СО/CH. Для исследования газотранспортных свойств полых полиимидных волокон использовались лабораторные имитации мембранных модулей, состоящие из 1-го до 3-х полых полиимидных волокон.
Наиболее близким к заявленному решению является способ модифицирования мембран для разделения смеси газов [RU 1754191, А1, B01D 71/32, бюл. №30, 1992 г.], включающий обработку газообразной смесью фтора с инертным разбавителем.
19
21
Общим недостатком всех вышеупомянутых способов является то, что при фторировании полимерных мембран на их поверхности и в объеме выделяется высокотоксичный фтористый водород (HF). Для удаления его из полимерной мембраны необходимы многократные чередующиеся циклы продувки реактора азотом и вакуумирования в течение не менее 1 часа. Однако даже после такой обработки около поверхности фторированной мембраны ощущается запах фтористого водорода. Кроме того, при фторировании полимерных мембран во фторированном слое формируются долгоживущие перекисные и фторрадикалы (см. фиг.1, кривая 1) в концентрациях до 10-10 радикалов на один грамм фторированного полимерного слоя, заметные концентрации которых в некоторых полимерах (например, в полиимиде) наблюдаются даже через 100 часов. Эти радикалы участвуют в медленных постреакциях, которые приводят к разрывам полимерных цепей и к образованию сшивок, что, со временем, приводит к деструкции и нарушению сплошности фторированного газоразделительного слоя на поверхности мембраны (см. фиг.2, а и 2, б) и резкому падению селективности газоразделения мембраны до величин, близких к 1.
Цель изобретения - быстрая нейтрализация фтористого водорода, адсорбированного на поверхности и растворенного в объеме полимерных мембран любого вида (плоские гомогенные и композитные, полые волокна), обработанных фторсодержащими газовыми смесями, сохранение при длительном хранении сплошности поверхности мембран и недопущение появления механических повреждений на поверхности мембран, сохраняя таким образом селективность газоразделения мембран.
2
Поставленная задача достигается тем, что после обработки поверхности полимерных мембранных материалов газообразной смесью фтора от 1 до 60 об.% с инертным разбавителем поверхности материалов дополнительно обрабатывают смесью из газообразных аммиака от 0,5 до 99 об.%, окиси азота NO и/или NO от 0,5 до 10 об.% и инертного разбавителя в течение не более 2 минут, а затем вакуумируют 5 минут или обдувают, причем, в качестве инертного разбавителя используют азот, гелий, аргон, двуокись углерода, воздух или их смесь.
2
2
3
Экспериментально было установлено, что кратковременная (в течение не более 2-х минут) обработка фторированных полимерных пленок окислами азота NO и NO приводит к полному разрушению долгоживущих радикалов (см. фиг.1, кривая 2). Поэтому долгоживущие радикалы не будут участвовать в постреакциях и не будут приводить к деструкции и нарушению сплошности фторированного газоразделительного слоя на поверхности мембраны или полого волокна. Проведенные электронно-микроскопические исследования показывают, что на поверхности полого волокна Матримид 5218, фторированного и обработанного газовой смесью NO (NO)+NH, после одного года хранения на воздухе не обнаружено видимых нарушений сплошности фторированного газоразделительного слоя (см. фиг.2, в).
3
4
Для быстрой нейтрализации фтористого водорода, адсорбированного на поверхности и растворенного в объеме полимерной мембраны, последнюю обрабатывают газообразным аммиаком NH с последующим вакуумированием или обдувкой каким-либо газом. Фтористый водород очень быстро реагирует с аммиаком с образованием твердого нетоксичного NHF в виде мелкодисперсной наноразмерной пыли по уравнению
3
4
HF+NH → NHF
Так как аммиак состоит из неполярных молекул, то он очень слабо адсорбируется на полимерной поверхности и легко удаляется при вакуумировании или при обдувании.
2
Для экспериментального подтверждения данного способа были использованы следующие полимерные мембранные материалы: отдельные плоские асимметричные мембраны из поливинилтриметалсилана (ПВТМС), полые асимметричные волокна из полиимида Матримид 5218 и полые асимметричные волокна из поли(4-метилпентена-1) (ПМП). Обработке подвергались как сами полимерные мембранные материалы, упомянутые выше, так и изготовленные мембранные газоразделительные устройства, в которых находились пленки ПВТМС общей площадью 1 м и по 100-200 полых волокон длиной 30 см каждое в виде распушенного жгута.
2
2
Пример 1. Опыт 1 - фторирование способом по прототипу. Асимметричная мембрана из ПВТМС площадью 100 см была обработана смесью 33% F+ 67% He при давлении 0,5 ати в течение 1 часа, после чего мембрана продувалась азотом, гелием, аргоном, кислородом, двуокисью углерода, сжатым воздухом или их смесью в течение 5 минут.
Мембрана обладала резким запахом фтористого водорода, адсорбированного на ее поверхности.
2
Опыт 1, а - фторирование по предлагаемому способу. Фторировали асимметричную мембрану из ПВТМС площадью 100 см. Провели три опыта, режимы обработки приведены в таблице 1.
После обработки газообразной смесью аммиака мембрану вакуумировали в течение 5 минут (режим 1), продували азотом 3 мин (режим 2), продували гелием 5 мин (режим 3).
Запах фтористого водорода у мембраны полностью отсутствовал. Проведенное через 1 год электронно-микроскопическое исследование поверхности показало отсутствие дефектов на поверхности мембраны.
2
Пример 2. Опыт 2. Мембранное газоразделительное устройство, в котором находились 200 полых волокон полиимида Матримид 5218 длиной 30 см каждое в виде распушенного жгута, было обработано смесью 10% F + 90% He при давлении 0,5 ати в течение 10 минут. Затем устройство продувалось азотом, гелием, аргоном, кислородом, двуокисью углерода, сжатым воздухом или их смесью в течение 5 минут.
Волокна газоразделительного устройства обладали резким запахом фтористого водорода, адсорбированного на их поверхности.
Опыт 2, а - фторирование по предлагаемому способу. Фторировали мембранное газоразделительное устройство, в котором находились 200 полых волокон полиимида Матримид 5218 длиной 30 см каждое в виде распушенного жгута. Провели три опыта, режимы обработки приведены в таблице 2.
После обработки газообразной смесью аммиака мембраны продували аргоном 3 мин (режим 1), вакуумировали 5 мин (режим 2), продували кислородом 2 мин (режим 3).
Запах фтористого водорода у волокон полиимида полностью отсутствовал. Проведенное через 1 год электронно-микроскопическое исследование поверхности показало отсутствие дефектов на поверхности волокон (см. фиг.2, в).
2
Пример 3. Мембранное газоразделительное устройство, в котором находились 100 полых волокон ПМП длиной 30 см каждое в виде распушенного жгута, было обработано смесью 10% F + 90% He при давлении 0,5 ати в течение 10 минут. После этого устройство продувалось азотом, гелием, аргоном, кислородом, двуокисью углерода, сжатым воздухом или их смесью в течение 5 минут.
Волокна газоразделительного устройства обладали резким запахом фтористого водорода, адсорбированного на их поверхности.
Опыт 3, а - фторирование по предлагаемому способу. Фторировали мембранное газоразделительное устройство, в котором находились 100 полых волокон ПМП длиной 30 см каждое в виде распушенного жгута. Провели три опыта, режимы обработки приведены в таблице 3.
Таблица 3
Режимы обработки волокон ПМП
Фторирующая смесь<sup>*</sup>
Азотосодержащая смесь
Газообразная смесь аммиака
Состав, об.%
Давление, ати
Состав, об.%
Время обработки, мин
Концентрация, %
Время обработки, мин
1
3% F<sub>2</sub> + 97% Ar
0,2
2% NO<sub>2</sub> + 98% Не
2
3
1
2
10% F<sub>2 </sub>+ 90% He
0,5
1% NO + 99% Ar
2
15
3
3
50% F<sub>2</sub> + 50% N<sub>2</sub>
0,1
1% NO + 1% NO<sub>2</sub> + 98% воздух
1
95
0,5
Примечание. * - время обработки 10 мин
После обработки газообразной смесью аммиака мембраны продували двуокисью углерода 3 мин (режим 1), сжатым воздухом 4 мин (режим 2), кислородом 2 мин (режим 3).
Запах фтористого водорода у волокон ПМП полностью отсутствовал. Проведенное через 1 год электронно-микроскопическое исследование поверхности показало отсутствие дефектов на поверхности волокон.
2
Таким образом, проведенные эксперименты показали, что полимерные мембранные материалы различного вида (гомогенные, композитные, половолоконные и т.д.), фторированные газообразной смесью фтора с инертными разбавителями, после дополнительной обработки смесью из газообразных аммиака от 0,5 до 99 об.%, окиси азота NO и/или NO от 0,5 до 10 об.% и инертного разбавителя в течение не более 2 минут, а затем вакуумирования в течение 5 минут или обдува каким-либо газом быстро освобождаются от фтористого водорода, адсорбированного на поверхности и растворенного в объеме полимерного мембранного материала. Кроме того, после такой обработки, достигается сохранение в течение длительного времени сплошности поверхности мембран и недопущение появления механических повреждений на их поверхности, сохраняя таким образом селективность газоразделения мембран.