УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕРВАПОРАЦИОННЫХ МЕМБРАН

Предложение относится к мембранным технологиям и предназначено для получения первапорационных мембран, используемых для разделения спиртовых и водно-спиртовых смесей.
В настоящее время известны установки для получения мембран, предназначенных для тонкого разделения растворов на составляющие компоненты. Технологический процесс получения мембран включает следующие стадии: растворение полимера, подготовку раствора полимера к формированию, формирование необходимой формы из раствора полимера, удаление растворителя, сушку мембраны (Дубяга В.П., Перепечкин Л.П., Каталевский Е.Е. Полимерные мембраны. М., «Химия». 1981; Свитцов А.А. Введение в мембранные технологии. М.ДеЛи принт. 2007). Наиболее характерной и представительной в этом классе технических решений является установка для получения термостойкой полимерной мембраны [RU 77273, 20.05.2008], содержащая аппарат для приготовления формовочного раствора, фильеру с регулируемым зазором, ванны с формовочными осадительными растворами, термостат для сушки и термообработки получаемой мембраны, при этом установка оснащена ультрафильтрационной ячейкой.
Существенным и очевидным недостатком этой установки является наличие специфических узлов, ответственных за формирование только мембран пористой, структуры (ванны с формовочными осадительными растворами), кроме того, факт оснащения установки ультрафильтрационной ячейкой свидетельствует о возможности исследования транспортных свойств полученных мембран только в условиях ультрафильтрации.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является установка для получения композитных полимерных мембран [RU 88009, 27.07.2009], содержащая подложку для формирования мембраны, ультразвуковой излучатель, сушильную камеру, контейнеры с исходными компонентами для формирования поверхностного слоя мембраны, имеет смеситель полимера и фуллерена, реакционную камеру, содержащую контейнеры с реагентами (этанолом, водой, этилацетатом, уксусной кислотой), подаваемыми в реакционную камеру для процесса первапорационного разделения равновесной смеси реакции этерификации четырехкомпонентной системы.
Существенным недостатком установки-прототипа является ограниченность сферы ее применения только для разделения четырехкомпонентной смеси реакции этерификации и невозможность эффективного использования для разделения спиртовых и водно-спиртовых смесей; кроме того, присутствие в установке специфических элементов, связанных с формированием композита полимер-фуллерен: подложки для формирования мембраны и ультразвукового излучателя, делает установку излишне сложной и дорогой.
Технической задачей и положительным результатом разработанной установки является получение первапорационных мембран, обладающих более высокими показателями транспортных свойств при разделении спиртовых смесей с более высоким фактором разделения (до 19000); в частности, выделять метанол и воду из раствора этанола, полученного в процессах ферментации.
Это достигается разработкой более совершенной конструкции установки для получения первапорационных мембран, раскрываемой далее со ссылкой на прилагаемый чертеж.
Установка для получения первапорационных мембран, характеризующаяся тем, что она содержит контейнеры с исходными компонентами, реакторы для синтеза мономера и форполимера, устройство для формирования пленки форполимера в виде дозатора форполимера и фильеры для нанесения его на подложку, при этом дозатор, фильера и подложка помещены в вытяжной шкаф, сообщенный с термостатом для окончательного формирования мембраны, состоящей из полибензоксазинонимида; полученную мембрану тестируют на первапорапионной установке, имеющей терморегулятор и вакуумный насос, в качестве разделяемой жидкой среды используют спиртовую смесь, а результат эксперимента анализируют на газовом хроматографе.
Установка содержит технический комплект приборов для синтеза полимера и формирования мембран, используемых при первапорации. Для этого установка содержит реактор 1 для синтеза мономера и реактор 2 для получения форполимера в растворе N-метилпирролидона; через дозатор 3 с помощью фильеры 4 раствор форполимера 5 наносится на подложку 6 (стеклянную, металлическую или тефлоновую), где происходит испарение растворителя с отводом парогазовой фазы в вытяжной шкаф 7; полученная пленка форполимера на подложке подвергается термообработке в термостате 8 и превращается в мембрану 9, которая легко отделяется от подложки 6. Химический состав мембраны, состоящей из полибензоксазинонимида, подтверждают на ИК-спектрометре 10, толщину мембраны измеряют с помощью микрометра 11. Мембрану помещают в первапорационную ячейку 12, снабженную мешалкой 13 и терморегулятором 14. Транспортные свойства полученной мембраны 9 устанавливают при разделении спиртовой смеси в режиме вакуумной первапорации, который обеспечивается вакуумным насосом 15. Конечный продукт разделения собирают в приемнике 16 и анализируют на газовом хроматографе 17.
Разработанная мембрана на основе полибензоксазинонимида позволяет направленно разделять спиртовые смеси с высоким фактором разделения (до 19000); в частности, выделять метанол и воду из раствора этанола, полученного в процессах ферментации.
Пример получения искомой первапорационной мембраны
⁄
⁄
Реактор 1, имеющий штуцер для ввода аргона из баллона 18, использовали для синтеза мономера дихлорангидрида 4,4-дифенилоксид-бис(тримеллитимидо)кислоты в растворе диметилформамида с загрузкой следующих реагентов диаминодифенилового эфира (1 моль) и тримеллитового ангидрида (2 моля). Процесс проводили при перемешивании и температуре не выше 10°С в течение 6 часов, после чего в реактор добавляли смесь уксусного ангидрида и пиридина (4:1) и содержимое прогревали при 150°С в течение 5 часов, затем охлаждали до комнатной температуры. Жидкие компоненты реакции сливали, а образовавшееся твердое вещество обрабатывали десятикратным избытком хлористого тионила при нагреве в течение 4 часов. Выпавшие кристаллы сушили в вакууме при 80°С в течение 3 часов, после чего перемещали в реактор 2, предназначенный для синтеза форполимера поли-[(4,4-дифенилоксид-бистримеллитимидокислоты) -метилен-бисантранилид]а. В реактор 2, помещали также второй мономер метилен-бисантраниловую кислоту и растворитель N-метилпирролидон. С помощью ультратермостата 19 в реакторе создавали температуру -15°С. Через 50-60 мин. отключали охлаждение, добавляли окись пропилена, и раствор перемешивали при комнатной температуре в течение 4-5 часов, после чего полученный раствор форполимера помещали в дозатор 3.
Из дозатора 3 с помощью фильеры 4 определенное количество раствора форполимера 5 наносили на подложку 6 (стеклянную, металлическую или тефлоновую), где происходило испарение растворителя с отводом парогазовой фазы в вытяжной шкаф 7, связанный с вакуумной установкой 20. В термостате 8 полученная пленка форполимера на подложке подвергалась термообработке путем ступенчатого нагревания в течение 5 часов до температуры 250°С, в результате чего форполимер превращался в соответствующий полибензоксазинонимид (ПБОИ), а мембрана 9 легко отделялась от подложки 6. Химический состав ПБОИ мембраны оценивали с помощью ИК-спектрометра 10, толщину мембраны измеряли с помощью микрометра 11.
Характеризацию транспортных свойств ПБОИ мембраны 9 осуществляли в первапорационной ячейке 12, снабженной мешалкой 13 и терморегулятором 14, при разделении спиртовой смеси в режиме вакуумной первапорации, который обеспечивается вакуумным насосом 15. Конечный продукт разделения собирали в приемнике 16 и анализировали на газовом хроматографе 17.
2
Транспортные свойства ПБОИ мембраны толщиной 15 мкм были измерены на первапорапионной ячейке 12 при разделении смеси этанола с 5 мас.% метанола при температуре 50°С. Взвесив конечный продукт из приемника 16, оценили проницаемость мембраны, которая составила 2,4 г/м час. По показаниям газового хроматографа 17, был рассчитан фактор разделения смеси, равный 19000.