В.В. ТЕПЛЯКОВ , М.В. ЦОДИКОВ

УДК 530.1(06) Молекулярно-селективные и нелинейные явления и процессы
В.В. ТЕПЛЯКОВ2, М.В. ЦОДИКОВ2
1
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
2Институт нефтехимического синтеза им А.В.Топчиева РАН, Москва
3ОАО “Аквасервис”, Москва
ОСОБЕННОСТИ ГАЗОПЕРЕНОСА
ЧЕРЕЗ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МЕМБРАНЫ
С НЕЛИНЕЙНЫМ ГРАДИЕНТОМ ПОРИСТОСТИ
В данной работе исследована проницаемость различных газов через пористые
металлокерамические композиционные мембраны с градиентом пористости, модифицированные каталитически активными оксидами и с нанесенным на геометрическую поверхность мембраны слоем PxTi1-0,5xO2.
Исходные мембраны марки Trumem состоят из двух слоев: металлическая подложка с распределением пор по размерам около 3м (толщина 200 м ) и металлооксидного слоя (TiO2), с размерами пор около 0.09
м и толщиной порядка 20м. Каталитический слой металлооксидов
(Cr2O3Al2O3ZnO) формировали во внутреннем объеме каналов мембран с
использованием алкоксо-метода на основе органических растворов металлокомплексных предшественников в толуоле, взятых в заданных количествах, для получения оксидов заданного состава с добавкой агентов, стабилизирующих маточные растворы [1]. Было исследовано распределение
пор по размерам для данной мембраны до каталитической модификации и
после нее. Оказалось, что после каталитической модификации размер пор
слоя TiO2 уменьшился с 0.09 м до 0.07 м. Последним этапом было
формирование на поверхности мембраны (методом spincoating) слоя
PxTi1-0,5xO2, характеризуемого упорядоченной структурой пор с диаметром
~20 À и толщиной 2 м.
В результате была получена трехслойная мембрана с нелинейным градиентом пористости в диапазоне пор от 20 до 3000 нм.
Эксперименты по проницаемости проводились на установке в институте нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева (РАН). Было обнаружено, что для исследуемой мембраны проницаемость резко зависит от
того, с какой стороны подается поток газа. Другими словами, если мы
подаем газ на мембрану со стороны слоя PxTi1-0,5xO2 ,то проницаемость
при одинаковых условиях эксперимента в несколько раз больше чем в
случае, когда газ подается со стороны подложки (то есть сначала молекулы газа проходят через подложку и только после этого через слой PxTi122
ISBN 5-7262-0633-9. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2006. Том 9
УДК 530.1(06) Молекулярно-селективные и нелинейные явления и процессы
0,5xO2).
Эксперименты проводились с различными газами, такими как H2,
He, воздух и т. д. Для H2 отличие в проницаемости для данных случаев
подачи газа составляет до 8 раз, для He- порядка 3 раз. Более того, обнаружено, что проницаемость в первом случае падает с повышением температуры, а во втором случае проницаемость растет с ростом температуры и
слабо зависит от молекулярной массы молекул газа. В работе[2] исследовалась проницаемость подобных керамических мембран, состоящих из
подложки, трех слоев -Al2O3 и последнего слоя -Al2O3, с порами порядка 6 нм и толщиной 2–3 м, но различие в проницаемости для этой мембраны составляет 3-10% и объясняется различием градиента давления в
прямом и обратном направлениях, то есть используется модель сопротивлений[3,4]. Так как по оценкам для мембраны, исследуемой в данной
работе анизотропия потоков не должна превышать 10–15%, наблюдаемые
различия коэффициентов газопроницаемости (в 3–8 раз) в зависимости от
вектора потока – со стороны малых пор или со стороны больших пор – не
могут быть объяснены подобным образом.
Вероятно, этот эффект связан с запутыванием траектории движения
молекул газа в тонком (~ 20 À) канале, вследствие рассеяния ее на неоднородностях поверхности.
Список литературы
1. Tsodikov M.V., Teplyakov V.V., Spiridonov P.V., Magsumov M.I., Trusov L.I., Uvarov V.I., Borovinskaya I.P., Moiseev I.I. Alkoxo method is way of inorganic ceramic membranes
modification, Proceedings of AIChE Annual Meeting. November 16–21. 2003. (San Francisco, CA,
USA). Р.78e.
2. Thomas S., Schafer R., Caro J., Seidel-Morgenstern A. Investigation of mass transfer
through inorganic membranes with several layers, Catalysis Today. 67 (2001) 205–216.
3. Pinnau et al., Gas Permeation through Composite Membranes. J. Membrane Sci. 37 (1)
(1988) 81.
4. Jay M.S. Henis, Mary K. Tripodi J. Membrane Sci. 8 (1981) 233–246.
ISBN 5-7262-0633-9. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2006. Том 9
23