Цеолитовая мембрана — это синтетическая мембрана , изготовленная из кристаллических алюмосиликатных материалов, как правило, алюминия , кремния и кислорода с положительными противоионами, такими как Na + и Ca 2+ внутри структуры. Цеолитовые мембраны служат в качестве метода разделения с низкой энергией. Недавно они привлекли внимание из-за своей высокой химической и термической стабильности [1] и высокой селективности. В настоящее время цеолиты нашли применение в разделении газов , мембранных реакторах , опреснении воды и твердотельных батареях [2] . В настоящее время цеолитовые мембраны еще не получили широкого коммерческого применения из-за ключевых проблем, включая низкий поток, высокую стоимость производства и дефекты в кристаллической структуре.
Существует несколько методов формирования цеолитовых мембран.
Метод In Situ подразумевает формирование цеолитовых мембран на микропористых носителях из различных материалов, обычно оксида алюминия или нержавеющей стали. Затем эти носители погружаются в раствор алюминия и кремния в определенном стехиометрическом соотношении. Другие факторы этого раствора могут влиять на формирование цеолитовой мембраны, включая: pH, ионная сила, температура и добавление структуроопределяющих реагентов. При нагревании раствора кристаллы мембраны начинают расти на носителях.
В 2012 году был разработан «метод затравки» для производства цеолитовых мембран. В этом случае носитель засевается предварительно сформированными кристаллами цеолита, перед погружением его в раствор. Эти кристаллы позволяют формировать более тонкие мембраны, которые обычно содержат меньше дефектов, путем выращивания мембран из существующих структур. [3]
Цеолитовые мембраны изначально привлекли интерес как метод разделения из-за их высокой термической и химической стабильности. Кристаллическая структура цеолитовых мембран также создает равномерный размер пор приблизительно 0,3-1,3 нм в диаметре. Кристаллическая структура цеолитов также приводит к наличию нескольких дефектов, которые часто могут создавать зазоры в структуре, большие, чем эти поры. Наличие дефектов может сделать эти мембраны гораздо менее эффективными, и трудно производить цеолитовые мембраны без дефектов. [4]
Существует несколько механизмов транспорта, которые управляют разделением молекул цеолитовыми мембранами. Основными механизмами разделения цеолитовыми мембранами являются молекулярное сито, диффузия и адсорбция. Молекулярное сито включает в себя отторжение любых молекул, размер которых больше размера пор мембраны. Это относительно простой процесс просеивания, который может отделять очень большие молекулы. Адсорбция включает в себя прохождение молекул через поры мембраны, адсорбирующихся на поверхности мембраны. Адсорбционные свойства мембран можно изменять, регулируя различные структурные свойства мембраны. [5]
Поверхностная диффузия — это процесс, при котором молекулы адсорбируются на стенке пор мембраны и медленно транспортируются через поры. Во время поверхностной диффузии молекулы, которые адсорбируются с более высокой скоростью, могут начать блокировать поры мембраны от других, менее адсорбированных молекул. Поверхностная диффузия может объяснять высокую селективность определенных молекул, таких как водород, цеолитовыми мембранами. [6] Поверхностная диффузия обычно играет большую роль в транспорте молекул при более низких температурах.
Диффузия Кнудсена также способствует различной селективности цеолитовых мембран по отношению к различным молекулам. Диффузия Кнудсена происходит, когда молекулы на мгновение адсорбируются на стенке поры, а затем отражаются от поверхности в случайном направлении. Это случайное движение позволяет разделять молекулы на основе их скоростей. Закон Грэма для диффузии гласит, что более легкие молекулы будут иметь более высокую среднюю скорость, чем более тяжелые молекулы, что приводит к увеличению потока по отношению к более легким молекулам. Эти различия в потоке можно использовать для разделения различных молекул с помощью цеолитовых мембран. [3]
Цеолитовые мембраны оказались наиболее перспективными в отношении приложений для разделения газов . Способность цеолитовых мембран адсорбировать определенные молекулы на своей поверхности в различных условиях позволяет исследователям выполнять высокоселективное разделение. Адсорбированные молекулы блокируют диффузионные поры и предотвращают диффузию других молекул через эти поры. Цеолиты обычно адсорбируют углекислый газ с самой высокой скоростью, что позволяет использовать их для улавливания и разделения углекислого газа. Диффузионная селективность управляет разделением молекул в цеолитовых мембранах при более высоких температурах. Диффузионная селективность обеспечивает более быструю диффузию более мелких молекул через мембрану и более медленную диффузию крупных молекул через поры мембраны. [6]
В газовой промышленности появились цеолитовые мембраны для разделения метана, углекислого газа и водорода. Цеолиты обеспечивают преимущество термической стабильности и более высокой селективности по сравнению с полимерными мембранами, которые обычно использовались для этих целей. [7] Производство цеолитовых мембран все еще нуждается в улучшении, особенно в отношении стоимости, прежде чем они получат широкое распространение.
Цеолитовые мембраны также использовались в мембранных реакторах , поскольку их химическая и термическая стабильность позволяет им выдерживать условия реакции. Мембранные реакторы функционируют, удаляя продукт реакции по мере ее протекания. Это удаление смещает равновесие реакции, позволяя образовываться большему количеству продуктов, как описано в принципе Ле Шателье, создавая более эффективный процесс реакции. Высокая селективность цеолитовых мембран позволяет использовать их для удаления продуктов из реактора с высокой скоростью. [8]
Цеолитовые мембраны недавно были изучены как альтернатива для энергоэффективного опреснения воды . В настоящее время опреснение воды в основном выполняется с помощью фильтрации обратного осмоса , которая использует плотную полимерную мембрану для очистки воды. Цеолитовые мембраны были протестированы как альтернативный метод очистки воды и способны отделять воду от примесей. Цеолиты не были реализованы для промышленных целей опреснения воды в первую очередь из-за их высокой стоимости по сравнению с традиционными мембранами обратного осмоса. [9]