Tamis moléculaires de carbone de cellulose pour la séparation de l’hydrogène

La production d’hydrogène (H2) à partir du gaz naturel est considérée comme l’une des technologies les plus prometteuses pour l’énergie à faible émission de carbone à l’avenir et la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Par rapport aux technologies conventionnelles de purification en H, les technologies de séparation à base de membrane ont fait l’objet d’une grande attention en raison de leur efficacité énergétique supérieure et de leur respect de l’environnement. Cependant, les membranes de séparation H2 et CO2 actuellement couramment utilisées souffrent généralement de faibles performances de séparation, d’un coût élevé et d’une faible stabilité à haute température et haute pression. Par conséquent, il est encore difficile de préparer des membranes de purification de H2 commercialement viables. Les membranes de tamis moléculaire de carbone (CMS) sont fabriquées par carbonisation contrôlée de précurseurs de polymères à haute température et ont des structures poreuses rigides. Lorsque la membrane CMS est transformée en une fibre creuse adaptée à un module membranaire, elle devrait avoir les propriétés de résistance aux hautes températures et aux hautes pressions.
La cellulose a de fortes liaisons hydrogène interchaînes et intrachaînes, ce qui la rend peu soluble dans la plupart des solvants, avec seulement quelques solvants tels que la N-méthylmorpholine-N-oxyde (NMMO), les liquides ioniques et les sels inorganiques peuvent perturber efficacement leur réseau de liaison hydrogène. Cependant, l’obtention d’un diagramme de phase ternaire cellulose/solvant/non solvant précis est toujours difficile en raison de l’énorme viscosité de ce système.
Sur cette base, Xuezhong He et al. de l’Université norvégienne de technologie ont préparé des membranes en fibre creuse de carbone (CHFM) en ajustant la température de solidification et la température de carbonisation finale du système cellulose/ionique liquide/eau et les ont utilisées pour la séparation H2.
Les chercheurs ont préparé des précurseurs de fibres creuses de cellulose asymétriques par un processus de filage sec et humide, puis échangés avec de l’eau pour éliminer le solvant d’origine EmimAc et DMSO, et enfin obtenu la structure microporeuse correspondante par carbonisation à haute température. D’après les images SEM, on peut constater que les structures asymétriques de la couche sélective externe et de la couche de support interne poreuse d’environ 3 μm sont toujours maintenues lorsque différentes températures de carbonisation sont utilisées. CHFM-550 à la température de carbonisation la plus basse a la dureté et le module de Young les plus bas. Avec l’augmentation de la température de carbonisation, la dureté et le module de Young augmentent progressivement. L’augmentation de la dureté et du module peut être attribuée aux changements structurels internes causés par l’augmentation de la température de carbonisation. Dans le même temps, avec l’augmentation de la température de carbonisation, les pics de pores >5 Å affaiblis, tandis que les pics de pores Les membranes préparées à des températures de carbonisation plus élevées ont une sélectivité H2/CO2 plus élevée, mais une perméabilité H2 plus faible, ce qui indique que la perméabilité au gaz est principalement déterminée par le diamètre de mouvement des molécules de gaz, c’est-à-dire le mécanisme de transport du tamis moléculaire. Lorsque le rapport sp3/sp2 a diminué de 0,73 à 0,36, la perméabilité au H2 est passée de 466,8 GPU à 148,2 GPU, tandis que la sélectivité H2/CO2 est passée de 11,1 à 83,9, ce qui suggère également que les performances de séparation des gaz peuvent être ajustées en ajustant la structure du carbone. En raison de la présence simultanée de tamis moléculaire et du transport par diffusion de surface des molécules de CO2, l’énergie d’activation apparente du CO2 est relativement inférieure à celle du H2, ce qui indique que la température a un effet plus important sur la perméabilité au H2, ce qui réduit l’adsorption du CO2 à des températures plus élevées. Lorsque la membrane a été exposée à l’atmosphère de laboratoire pendant 50 jours, sa perméabilité au H2 et sa sélectivité h2/CO2 ont diminué d’environ 40 % et 10 %, respectivement, et la perméabilité aux gaz et la perméabilité aux gaz ont été efficacement restaurées après traitement thermique et purge à l’hélium. Optionnel.
CHFM présente une excellente sélectivité H2/CO2 et une perméabilité H2 élevée par rapport aux autres membranes, dont CHFM-850 affiche les performances globales de séparation des gaz les plus élevées avec une sélectivité H2/CO2 idéale de 83,9 à 130 °C, dépassant les films non polymères. Dans le même temps, la sélectivité de CHFM-850 à H2/N2 est >800 et la sélectivité de H2/CH4 est de >5700, ce qui offre la possibilité de purification de H2 dans certains processus.
En résumé, ces travaux ont produit un matériau de fibre creuse de cellulose asymétrique en filant de la cellulose microcristalline et de l’EmimAc. Les fibres creuses de cellulose obtenues sont carbonisées à haute température pour obtenir des membranes de fibres creuses asymétriques dont la structure microporeuse les aide à séparer H2 des autres gaz.