Zlepšení propustnosti kompozitních membrán pro zušlechťování bioplynu za pomoci chemické modifikace funkčních vrstev

Zušlechťování bioplynu membránami, tedy odstranění nespalitelného CO₂ ze směsi CO₂ + CH₄ je moderní technologie pro získání energie ve formě metanu z obnovitelných zdrojů a odpadů. Pro zlepšení energetické účinnosti procesu v průmyslových aplikacích je však třeba zvýšit propustnost plynů (permeanci) membránami současně se zachováním efektivní separační schopnosti, což je jeden z prioritních směrů výzkumu v Oddělení membránových separačních procesů. Nedávná práce publikovaná pod vedením Dr. Pavla Izáka v renomovaném vědeckém časopise Journal of Membrane Science ve spolupráci s Ústavem inženýrství pevných látek VŠCHT Praha a Materiálovým centrem UJEP se zabývala úpravou komerčních kompozitních membrán pro reverzní osmózu a nanofiltraci k efektivnějšímu využití na separaci plynů.

Funkční polyamidové vrstvy membrán byly modifikovány UV zářením nebo kapalným aktivátorem (oxidační činidlo „Piraňa“). Na aktivovaný polymerní povrch byly také navázány molekuly cysteaminu, u kterých byl již dříve prokázán vliv na povrchovou chemii a smáčitelnost. Za účelem zlepšení technologie čištění s pomocí kondenzující vodní membrány byla u vodou zbotnalých membrán zkoumána propustnost různých plynů a to jak samostatně tak i ve směsi. Téměř všechny upravené reverzně osmotické membrány vykazovaly vyšší propustnost pro CO₂, CH₄ i N₂ než původní membrány, přičemž bylo dosaženo 100% nárůstu propustnosti u reverzně osmotických membrán naroubovaných cysteaminem po UV aktivaci. Separace upřednostňovala menší molekuly plynu, přičemž zvýšení permeability plynů pomocí všech modifikací nemělo vliv na selektivitu separace.

Stejné metody aktivace funkčních vrstev nebo roubování cysteaminu aplikované na nanofiltrační membránu vedly pouze k velmi krátkým dobám fungování, přestože originální nanofiltrační membrána byla pro separace za vlhka stabilní. Nanofiltrační membrána byla také méně propustná pro všechny plyny než originální či modifikované reverzně osmotické membrány.

Snížení selektivity směsného plynu s rostoucím vstupním tlakem ukázalo, že směs plynů je nejefektivněji separována při nižším přetlaku na membráně, což znamená významnou energetickou úsporu v separačním procesu. Rovněž výpočetní model z této práce lze využít k lepšímu vyhodnocení koeficientu přenosu hmoty přes membránu a k posouzení intenzity tzv. „coupling efektu“ u separací plynných směsi ve měřících permeačních celách.

• P. Stanovský, M. Benkocká, Z. Kolská, M. Šimčík, P. Slepička, V. Švorčík, K. Friess, Marek C. Ruzicka, P. Izak:  Permeability enhancement of chemically modified and grafted polyamide layer of thin-film composite membranes for biogas upgrading. J. Membr. Sci. 2022, 641, 119890. DOI: https://doi.org/10.1016/j.memsci.2021.119890