Ανάπτυξη ιοντικών υγρών για τον διαχωρισμό και την αφύγρανση αερίων

Abstract

Gas dehumidification is an important process in industry (natural gas distribu-tion, purification of carbon dioxide and hydrogen streams) and it is also applied in eve-ryday life (dehumidifiers, air conditioning systems). The three main methods for dehu-midification are absorption by solid desiccants and refrigeration, the main disadvantage of which is the consumption of very large amounts of energy. One alternative technolo-gy includes the use of dense membranes, considered a «green» process as no heat source is required for their operation. However, in the case of polymer membranes, problems arise contributing to reducing their performance. The combination of ionic liquids with membrane-based technology is another strategy for dealing with these problems.Until now, nicotine-based ionic liquids have mainly been investigated as cata-lysts in various organic reactions, but they have never been tested in gas separation and dehumidification. In this work, supported nicotine-based ionic liquid membranes were examined as water vapor selective membranes. The investigation was focused on the effect of alkyl chain length, the presence of ether group in the alkyl chain, the effect of the anion in nicotine-based ionic liquids and the same effect in polymeric ionic liquids based on aromatic polyether copolymer containing main chain pyridine units. In conclusion, the alkyl chain lengthening of the cation contributes to ionic liq-uid hydrophobicity increase, while the presence of the ether group in the alkyl chain has a favorable effect in water vapor permeability. In addition, it has been demonstrated that the water vapor permeability of either supported membranes or polymeric ionic liquids can be tuned by selection of a counter anion with high hydrophilicity. The membranes containing the more hydrophilic counter anion ([ΕtOEtNic][MeSO3]/PVDF and PIL-MeSO4) had the highest water vapor permeability (1.46 x 10^6 and 1.84 x 10^5 Barrer at 30 oC respectively) and H2O/gas selectivities. The performance of these membranes in terms of water vapor permeation properties is among the highest reported in the literature.

Η αφύγρανση των αερίων είναι μια από τις πιο σημαντικές διεργασίες της βιομηχανίας (μεταφορά φυσικού αερίου, παραγωγή καθαρών ρευμάτων διοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου) και βρίσκει εφαρμογή στην καθημερινότητα (αφυγραντήρες, κλιματιστικά συστήματα). Οι τρεις βασικές μέθοδοι αφύγρανσης αέριων ρευμάτων είναι η απορρό-φηση, η προσρόφηση σε στερεά ξηραντικά υλικά και η ψύξη, βασικό μειονέκτημα των οποίων είναι η κατανάλωση πολύ μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας. Μια εναλλακτική τεχνολογία είναι η χρήση συμπαγών μεμβρανών, η οποία θεωρείται «πράσινη» καθώς δεν απαιτείται πηγή θερμότητας για θερμική αναγέννηση. Ωστόσο, στην περίπτωση των πολυμερικών μεμβρανών, ανακύπτουν προβλήματα που συμβάλλουν στη μείωση της απόδοσης τους. Ο συνδυασμός ιοντικών υγρών με την τεχνολογία των μεμβρανών αποτελεί στρατηγική για την αντιμετώπιση των προβλημάτων αυτών. Μέχρι σήμερα, τα ιοντικά υγρά βασισμένα στη νικοτίνη έχουν μελετηθεί ως κα-ταλύτες σε διάφορες οργανικές αντιδράσεις αλλά ποτέ στoν διαχωρισμό και την αφύ-γρανση αερίων. Σε αυτή την εργασία, οι στηριζόμενες μεμβράνες με ιοντικά υγρά με βάση τη νικοτίνη εξετάστηκαν ως εκλεκτικές μεμβράνες διαχωρισμού υδρατμών. Πραγματοποιήθηκε διερεύνηση της επίδρασης του μήκους της ανθρακικής αλυσίδας, της παρουσίας αιθερικής ομάδας στην αλυσίδα και της επίδρασης του ανιόντος στα ιοντικά υγρά της νικοτίνης αλλά και σε πολυμερικά ιοντικά υγρά βασισμένα σε ένα πρόδρομο πολυαιθέρα με κύρια αλυσίδα βασισμένη στην πυριδίνη.Συμπερασματικά, η αύξηση του μήκους της αλκυλικής αλυσίδας του κατιόντος συμβάλλει στην αύξηση της υδροφοβικότητας των ιοντικών υγρών, ενώ η παρουσία αιθερικών ομάδων στην αλκυλική αλυσίδα έχει την πιο θετική επίδραση στη διαπερα-τότητα υδρατμών. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι η διαπερατότητα είτε των στηριγμένων μεμβρανών είτε των πολυμερικών ιοντικών υγρών μπορεί να βελτιωθεί, επιλέγοντας ένα αντισταθμιστικό ανιόν με υψηλή υδροφιλικότητα. Oι μεμβράνες με τα πιο υδρόφι-λα ανιόντα ([ΕtOEtNic][MeSO3]/PVDF και PIL-MeSO4) εμφάνισαν την υψηλότερη διαπερατότητα υδρατμών (1.46 x 10^6 και 1.84 x 10^5 Barrer στους 30 oC αντίστοιχα) και εκλεκτικότητα Η2Ο/αερίων. Η απόδοση αυτών των μεμβρανών όσον αφορά τις ιδιότη-τες διαπερατότητας υδρατμών είναι από τις υψηλότερες που έχουν αναφερθεί στη βιβλιογραφία.