Молекулярные сита для газоразделительных мембран

Наноматериалы все больше используются в медицине Наноматериалы все больше используются в медицине

Цеолиты – пористые и прочные алюмосиликатные кристаллы с очень сложной структурой, элементарный кирпичик которой содержит многие десятки атомов. Их поры правильной формы, соединяясь между собою через «окна», образуют внутри кристаллов правильную сеть сквозных каналов (галерей).

Pory_sinteticheskogo_tsiolita_0.jpgРис.1. Поры синтетического цеолита типа A, образующие канал. Если к другим 8-членным «окнам» присоединить такие же фигуры, то получится трёхмерная система пересекающихся каналов – молекулярное сито, со сквозными калиброванными отверстиями, что благоприятно для тонкого разделения.

Нами рассмотрена физическая модель воздухоразделения в каналах цеолитов. Процесс селекции определяется тремя одновременно действующими механизмами: на входных «окнах» (1), при движении внутри цеолита (2) и более сильным квадрупольным взаимодействием молекул азота с катионами решётки цеолита (3). Все они работают в пользу кислорода, как пермеата (проходящего мембрану газа), что предполагает высокую степень разделения смеси. Меняя цеолиты и их состав, можно управлять этими механизмами.

Poverhnost__kristallov_tsiolitov.jpgРис.2. Поверхность кристаллов цеолитов Y и NaA в наномасштабе, площадь «окон» составляет ~7% – Y и ~9,5% – NaA, диаметры окон, соответственно, –7,4Å и 4,2Å, (субнано).

Проблема создания цеолитовой мембраны заключается в том, что хорошую структуру имеют только чистые искусственные цеолиты, а они синтезируются в виде отдельных микрокристалликов, размерами ~1мкм, и не образуют плёнок.

  • Квадрупольное взаимодействие – это особенность структуры молекулы азота, проявляющаяся внутри полости цеолита и сильный фактор селекции.

В начале 80-х годов нами была разработана технология получения поликристаллических монолитов из порошков цеолита Ж («окна» – 2,2Å) и производных от него рядов нестехиометрических содалитов, сохраняющая физические свойства исходных микрокристалликов. В то же время зарегистрированы патенты (перечисляешь страны) на саму технологию производства и сам материал в СССР, Японии, США, Англии, Италии, Франции, ФРГ и Швеции.

Membrana.jpgРис. 3. Монолитная поликристаллическая пластинка цеолита Ж толщиной 0,3 мм: оптически прозрачна, плотность соответствует кристаллической, много лучше 99%, по механическим свойствам близка к стеклу, вибростойка, допускает механическую очистку и мойку, работоспособна во всём диапазоне температур, включая высокие, до предела стойкости цеолита, выдерживает высокие давления.

Наши работы с цеолитом Ж демонстрируют, что сложный алюмосиликатный каркас цеолитов способен перестраиваться с сохранением структуры, т. е. участвовать в рекристаллизационных процессах, когда происходит рост или уменьшение отдельных зёрен, с заполнением свободного пространства между ними и образованием прочных связей. Обнаружение рекристаллизационных процессов в столь сложных системах и возможность их активизации в реальном времени – это событие в экспериментальной минералогии. Это также означает, что существует принципиальная возможность получения плотных поликристаллических форм и для других цеолитов.

Предлагаемое решение: порошок цеолита, с подходящими для воздухоразделения каналами, прессуется так, чтобы возник стеклообразный, монолитный блок, со структурой исходных микрокристалликов. Далее блок режут на пластинки и используют их как мембраны.

Авторы: Р.А.Денисов, А.В.Чернышев, С.А.Якушев


Полную версию статьи вы можете скачать в присоединенном файле!

ВложениеРазмер
MOLECULAR-SIEVES-PRESENTATION-RU.doc573.5 КБ
Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 4.7 (3 votes)


Anonymous аватар

То, что проект делали 2 физика и инженер – это видно невооруженным глазом, а то, что цеолиты изучаются чуть ли не столетие, а в работе ничего нового нет – это видно только специалисту.