झिल्ली गैस पृथक्करण

पॉलियामाइड या सेलूलोज एसीटेट जैसे पॉलिमर या सिरेमिक सामग्री से बनी सिंथेटिक मेम्ब्रेन द्वारा गैस मिश्रण को प्रभावी रूप से भिन्न किया जा सकता है। जबकि पॉलिमरिक मेम्ब्रेन अल्पव्ययी और प्रौद्योगिकी रूप से उपयोगी हैं, वे अपने प्रदर्शन से बंधे हैं, जिसे रॉबसन सीमा के रूप में जाना जाता है (चयनात्मकता के लिए पारगम्यता का त्याग किया जाना चाहिए और इसके विपरीत)। यह सीमा ग्रिप गैस धाराओं से CO2 पृथक्करण के लिए पॉलिमरिक मेम्ब्रेन के उपयोग को प्रभावित करती है, चूंकि बड़े स्तर पर परिवहन सीमित हो जाता है और कम पारगम्यता के कारण CO2 पृथक्करण अधिक मूल्यवान हो जाता है। मेम्ब्रेन सामग्री अपने शक्तिशाली थर्मल और रासायनिक प्रतिरोध के साथ-साथ उच्च ट्यूनेबिलिटी (संशोधित और कार्यात्मक होने की क्षमता) के कारण सिलिकॉन डाइऑक्साइड, जिओलाइट्स, धातु-कार्बनिक आकृति और पेरोव्स्काइट्स के सीमा में विस्तारित हो गई है, जिससे पारगम्यता और चयनात्मकता में वृद्धि हुई है। मेम्ब्रेन का उपयोग गैस मिश्रण को भिन्न करने के लिए किया जा सकता है जहां वे पारगम्य बाधा के रूप में कार्य करते हैं जिसके माध्यम से विभिन्न यौगिक भिन्न-भिन्न दरों पर चलते हैं या नहीं चलते हैं। मेम्ब्रेन नैनोपोरस, बहुलक आदि हो सकती हैं और गैस के अणु अपने आकार, द्रव्यमान प्रसार या घुलनशीलता के अनुसार प्रवेश करते हैं।

मूल प्रक्रिया
मेम्ब्रेन गैस सेपरेशन प्रेशर-चालित प्रक्रिया है, जहां प्रेरक शक्ति कच्चे माल के प्रवेश और उत्पाद के आउटलेट के मध्य प्रेशर में अंतर है। प्रक्रिया में उपयोग की जाने वाली मेम्ब्रेन सामान्यतः अन्य-छिद्रपूर्ण परत होती है, इसलिए मेम्ब्रेन के माध्यम से गैस का गंभीर रिसाव नहीं होगा। मेम्ब्रेन का प्रदर्शन पारगम्यता और चयनात्मकता पर निर्भर करता है। पारगम्यता प्रवेशक आकार से प्रभावित होती है। बड़े गैस अणुओं का प्रसार गुणांक कम होता है। मेम्ब्रेन सामग्री के बहुलक में बहुलक श्रृंखला लचीलापन और मुक्त मात्रा प्रसार गुणांक को प्रभावित करती है, क्योंकि पारगम्य मेम्ब्रेन के अंदर का स्थान गैस अणुओं को विस्तृत करने के लिए पर्याप्त बड़ा होना चाहिए। घुलनशीलता को पॉलिमर में गैस की सांद्रता और उसके संपर्क में गैस के प्रेशर के अनुपात के रूप में व्यक्त किया जाता है। पारगम्यता मेम्ब्रेन की वह क्षमता है जो मेम्ब्रेन पर प्रेशर के अंतर के परिणामस्वरूप प्रवेश करने वाली गैस को मेम्ब्रेन की सामग्री के माध्यम से विस्तृत होने की अनुमति देती है, और इसे पारगम्य प्रवाह दर, मेम्ब्रेन की मोटाई और क्षेत्र और प्रेशर के संदर्भ में मापा जा सकता है। मेम्ब्रेन में अंतर मेम्ब्रेन की चयनात्मकता मेम्ब्रेन के लिए प्रासंगिक गैसों की पारगम्यता के अनुपात का माप है। इसकी गणना बाइनरी पृथक्करण में दो गैसों की पारगम्यता के अनुपात के रूप में की जा सकती है।

मेम्ब्रेन गैस पृथक्करण उपकरण सामान्यतः गैस को मेम्ब्रेन मॉड्यूल में पंप करता है और लक्षित गैसों को प्रसार और घुलनशीलता में अंतर के आधार पर भिन्न किया जाता है। उदाहरण के लिए, ऑक्सीजन को परिवेशीय वायु से भिन्न किया जाता है और ऊपरी भाग में एकत्र किया जाता है, और नाइट्रोजन को निचले भाग में एकत्र किया जाता है। 2016 तक, मेम्ब्रेन प्रौद्योगिकी को प्रति दिन 10 से 25 टन 25 से 40% ऑक्सीजन का उत्पादन करने में सक्षम बताया गया था।

मेम्ब्रेन संचालन पद्धति
तीन मुख्य प्रसार तंत्र हैं। प्रथम (बी), नुडसेन प्रसार कम प्रेशर पर होता है, जहां हल्के अणु वजनदार अणुओं की अपेक्षा में अधिक बड़े छिद्रों वाली सामग्री में तीव्र से मेम्ब्रेन के पार जा सकते हैं। दूसरा (सी), आणविक छलनी, वह विषय है जहां मेम्ब्रेन के छिद्र घटक को पारित करने के लिए अधिक छोटे होते हैं, प्रक्रिया जो सामान्यतः गैस अनुप्रयोगों में व्यावहारिक नहीं होती है, क्योंकि संबंधित छिद्रों को डिजाइन करने के लिए अणु अधिक छोटे होते हैं। इन विषयों में अणुओं की गति को केशिकाओं के माध्यम से प्रेशर-संचालित संवहनी प्रवाह द्वारा सबसे उचित वर्णित किया जाता है, जिसे डार्सी के नियम द्वारा निर्धारित किया जाता है। चूँकि, गैस अनुप्रयोगों में अधिक सामान्य मॉडल समाधान-प्रसार (डी) है जहां कण पूर्व मेम्ब्रेन पर घुल जाते हैं और फिर भिन्न-भिन्न दरों पर इसके माध्यम से विस्तृत होते हैं। इस मॉडल का उपयोग तब किया जाता है जब बहुलक मेम्ब्रेन में छिद्र कणों की गति के सापेक्ष तीव्रता से प्रदर्शित होते हैं और लुप्त हो जाते हैं। विशिष्ट मेम्ब्रेन प्रणाली में आने वाली फ़ीड स्ट्रीम को दो घटकों में पर्मेंट और रिटेन्टेट विभाजित किया जाता है। पर्मेंट वह गैस है जो मेम्ब्रेन के पार जाती है और रिटेन्टेट वह गैस है जो फ़ीड में बची रहती है। मेम्ब्रेन के दोनों किनारों पर, रासायनिक क्षमता का ढाल प्रेशर अंतर द्वारा बनाए रखा जाता है। जो गैस अणुओं के निकलने के लिए प्रेरक शक्ति है। प्रत्येक प्रजाति के परिवहन की सरलता को पारगम्यता, Pi द्वारा निर्धारित किया जाता है। मेम्ब्रेन के दोनों किनारों पर आइडियल मिश्रण, आइडियल गैस कानून, निरंतर प्रसार गुणांक और हेनरी के नियम की धारणाओं के साथ, किसी प्रजाति के प्रवाह को फ़िक के प्रसार के नियमों द्वारा प्रेशर अंतर से संबंधित किया जा सकता है:


 * $$J_i=\frac{D_i K_i(p_i'-p_i)}{l}=\frac{P_i(p_i'-p_i)}{l}$$

कहां, (Ji) मेम्ब्रेन के पार प्रजातियों का द्रव्यमान प्रवाह है, (l) मेम्ब्रेन की मोटाई है, (Pi) प्रजातियों i की पारगम्यता है, (Di) प्रसारशीलता है, (Ki) हेनरी गुणांक है, और (pi') और (pi") क्रमशः फ़ीड और स्थायी पक्ष पर प्रजातियों के आंशिक प्रेशर का प्रतिनिधित्व करता है। DiKi के उत्पाद को प्रायः उपयोग की जाने वाली विशिष्ट मेम्ब्रेन पर प्रजातियों i की पारगम्यता के रूप में व्यक्त किया जाता है।


 * $$P_i=D_i K_i $$

दूसरी प्रजाति, j, के प्रवाह को इस प्रकार परिभाषित किया जा सकता है:


 * $$J_j=\frac{P_j(p_j'-p_j'')}{l}$$

उपरोक्त अभिव्यक्ति के साथ, बाइनरी मिश्रण के लिए मेम्ब्रेन प्रणाली को पर्याप्त रूप से परिभाषित किया जा सकता है। यह देखा जा सकता है कि मेम्ब्रेन में कुल प्रवाह फ़ीड और पर्मिट प्रेशर के मध्य संबंध पर दृढ़ता से निर्भर है। पर्मिट प्रेशर पर (p") फ़ीड प्रेशर का अनुपात (p') को मेम्ब्रेन प्रेशर अनुपात (θ) के रूप में परिभाषित किया गया है।


 * $$\theta=\frac{P'}{P''} $$

उपरोक्त से यह स्पष्ट है कि मेम्ब्रेन के पार प्रजातियों i या j का प्रवाह केवल तभी हो सकता है जब:


 * $$ p_i'-p_i =p' n_i'-p n_i'' \neq 0$$ होता है

दूसरे शब्दों में, जब फ़ीड और पर्मिट के मध्य सांद्रण प्रवणता सम्मिलित होगी तो मेम्ब्रेन में प्रवाह का अनुभव होता है। यदि ग्रेडिएंट धनात्मक है, तो प्रवाह फ़ीड से पर्मेट तक होता है और प्रजाति I को फ़ीड से भिन्न कर दिया होता है।


 * $$p'n_i'-pn_i>0 \rightarrow \frac{n_i}{n_i'} \leq \frac{p'}{p}$$

इसलिए, प्रजातियों का अधिकतम पृथक्करण निम्न से होता है:


 * $$ n_i,max = \frac{p'}{p''}n_i'= \theta n_i'$$

पृथक्करण प्रक्रिया के लिए इष्टतम मेम्ब्रेन का चयन करते समय अन्य महत्वपूर्ण गुणांक मेम्ब्रेन चयनात्मकता αij है, प्रजाति j के संबंध में प्रजातियों की पारगम्यता के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है।


 * $$ \alpha_{ij}= \frac{P_i}{P_j} $$

इस गुणांक का उपयोग उस स्तर को प्रदर्शित करने के लिए किया जाता है जिस स्तर तक मेम्ब्रेन प्रजातियों i को j से भिन्न करने में सक्षम है। उपरोक्त अभिव्यक्ति से यह स्पष्ट है कि 1 की मेम्ब्रेन चयनात्मकता प्रदर्शित करती है कि मेम्ब्रेन में दो गैसों को भिन्न करने की कोई क्षमता नहीं है, इसका कारण यह है कि, दोनों गैसें मेम्ब्रेन के माध्यम से समान रूप से विस्तृत होती है।

पृथक्करण प्रक्रिया के डिजाइन में, सामान्यतः प्रेशर अनुपात और मेम्ब्रेन चयनात्मकता प्रणाली के प्रेशर और मेम्ब्रेन की पारगम्यता द्वारा निर्धारित की जाती है। प्रणाली की व्यय-प्रभावशीलता का मूल्यांकन करने के लिए मेम्ब्रेन द्वारा प्राप्त पृथक्करण के स्तर (पृथक की जाने वाली प्रजातियों की एकाग्रता)) का मूल्यांकन उपरोक्त डिज़ाइन मापदंडों के आधार पर किया जाना चाहिए।

मेम्ब्रेन प्रदर्शन
मेम्ब्रेन में प्रजातियों i और j की सांद्रता का मूल्यांकन उनके संबंधित प्रसार प्रवाह के आधार पर किया जा सकता है।


 * $$ n_i = \frac{J_i}{\sum{J_k}}, \quad  n_j = \frac{J_j}{\sum{J_k}} $$

द्विआधारी मिश्रण के विषय में, मेम्ब्रेन के पार प्रजातियों की सांद्रता i होती है:


 * $$ n_i'' = \frac{J_i}{J_i+J_j}$$

प्रपत्र की अभिव्यक्ति प्राप्त करने के लिए इसे और विस्तारित किया जा सकता है:


 * $$ n_i = n_i(\phi, \alpha_{ij}, n_i^')$$
 * $$ n_i = \frac{J_i}{J_i+J_j}= \frac{P_i(p_i'-p_i)}{P_i(p_i'-p_i)+P_j(n_j'-\frac{1}{\phi}n_j)}   $$

संबंधों का उपयोग किया जाता है:


 * $$ p_i'=p'n_i' ,\quad p_j'=p'n_j' = \frac{p'}{\phi}n_i'   $$
 * $$ p_i=pn_i' ,\quad p_j=pn_j = \frac{p'}{\phi}n_i   $$

अभिव्यक्ति को इस प्रकार पुनः लिखा जा सकता है:


 * $$ n_i=\frac{P_ip'(n_i'-\frac{1}{\phi}n_i)}{P_ip'(n_i'-\frac{1}{\phi}n_i)+P_jp'(n_j'-\frac{1}{\phi}n_j)}$$

फिर $$ n_j'=1-n_i'\quad  and \quad n_j =1-n_i $$ का उपयोग  किया जाता है,
 * $$ n_i=\frac{P_ip'(n_i'-\frac{1}{\phi}n_i)}{P_ip'(n_i'-\frac{1}{\phi}n_i)+P_jp'((1-n_i')-\frac{1}{\phi}(1-n_i))}$$
 * $$ (1-\alpha)(n_i)^2+(\phi+\phi(\alpha-1)n_i'+\alpha-1)n_i-\alpha\phi n_i' =0 $$

उपरोक्त द्विघात अभिव्यक्ति का समाधान इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:


 * $$ n_i = \frac{-(\phi+\phi(\alpha-1)n_i'+\alpha-1)\pm \sqrt{\phi+\phi(\alpha-1)n_i'+\alpha-1)^2+4(1-\alpha)\alpha\phi n_i'}}{2(1-\alpha)} $$

अंत में, स्थायी एकाग्रता के लिए अभिव्यक्ति निम्नलिखित द्वारा प्राप्त की जाती है:


 * $$ n_i''(\phi \alpha n_i')=\frac{\phi}{2}\left(n_i'+\frac{1}{\phi}+\frac{1}{\alpha-1}-\sqrt{\left(n_i'+\frac{1}{\phi}+\frac{1}{\alpha-1}\right)^2-\frac{4\alpha n_i'}{(\alpha-1)\phi}} \right)$$

पृथक्करण इकाई के साथ, मेम्ब्रेन में प्रसार के साथ फ़ीड सांद्रता कम हो जाती है जिससे मेम्ब्रेन पर सांद्रता तदनुसार कम हो जाती है। परिणामस्वरूप, कुल पारगम्य प्रवाह (qout) फ़ीड इनलेट (q'in) से फ़ीड आउटलेट (q'out) तक झिल्ली में प्रसार प्रवाह के एकीकरण से उत्पन्न होता है। अंतर लंबाई में द्रव्यमान संतुलन पृथक्करण इकाई इसलिए है:


 * $$ q'(x)=q'(x+dx)+\int_{x}^{x+dx} q''(x)dx$$

जहाँ:


 * $$q''(x)=J_i(x)+J_j(x)$$

मिश्रण की द्विआधारी प्रकृति के कारण, केवल प्रजाति का मूल्यांकन करने की आवश्यकता है। फलन n'i=n'i(x) निर्धारित करते हुए, प्रजाति संतुलन को इस प्रकार पुनः लिखा जा सकता है:


 * $$ q'(x)n'_i(x)=q'(x+\Delta x)n'_i(x+\Delta x) +\int_{x}^{x+dx}q(x)dx \bar{n_i} $$

जहाँ:


 * $$ \int_{x}^{x+dx} q(x)dx= \delta q, \quad \bar{n_i}=\frac{n_i(x)+n_i''(x+\Delta x)}{2} $$
 * $$ \delta q= \frac{n'_i(x)-n'_i(x+\Delta x)}{\bar{n_i}-n'_i(x+\Delta x)} q'(x) $$

अंत में, प्रति इकाई मेम्ब्रेन लंबाई के लिए आवश्यक क्षेत्र निम्नलिखित अभिव्यक्ति द्वारा प्राप्त किया जा सकता है:


 * $$ A=\frac{\delta q''}{J_i+J_j}$$

फ्लू गैस धाराओं में कार्बन कैप्चर के लिए मेम्ब्रेन सामग्री
मेम्ब्रेन की सामग्री वांछित प्रदर्शन विशेषताएँ प्रदान करने की क्षमता में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। उच्च पारगम्यता और पर्याप्त चयनात्मकता वाली मेम्ब्रेन का होना इष्टतम है और मेम्ब्रेन के गुणों का प्रणाली संचालन स्थितियों (उदाहरण के लिए प्रेशर और गैस संरचना) के समान होना भी महत्वपूर्ण है।

सिंथेटिक झिल्लियाँ पॉलीइथाइलीन, पॉलीमाइड्स, पॉलीइमाइड्स, सेलूलोज़ एसीटेट, पॉलीसल्फोन और पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन सहित विभिन्न प्रकार के पॉलिमर से बनाई जाती हैं।

बहुलक मेम्ब्रेन
विभिन्न प्रकार के उद्योगों, अर्थात् पेट्रोकेमिकल्स, में प्रौद्योगिकी की परिपक्वता के कारण ग्रिप गैस से CO2 को पकड़ने में उपयोग के लिए पॉलिमरिक मेम्ब्रेन सामान्य विकल्प है। आदर्श बहुलक मेम्ब्रेन में उच्च प्रतिक्रियाशीलता-चयनात्मकता और पारगम्यता दोनों होती है। पॉलिमर मेम्ब्रेन उन प्रणालियों के उदाहरण हैं जो समाधान-प्रसार तंत्र पर प्रभावी हैं। ऐसा माना जाता है कि मेम्ब्रेन में छेद होते हैं जिनमें गैस घुल सकती है (घुलनशीलता) और अणु एक कैविटी से दूसरे कैविटी में जा सकते हैं (प्रसार)।

1990 के दशक की प्रारम्भ में रॉबसन द्वारा यह ज्ञात किया गया था कि उच्च चयनात्मकता वाले पॉलिमर में कम पारगम्यता होती है और विपरीत सत्य है; कम चयनात्मकता वाली सामग्रियों में उच्च पारगम्यता होती है। इसे रॉबसन प्लॉट में सबसे उत्तम प्रकार से चित्रित किया गया है जहां चयनात्मकता को CO2 प्रवेश के फलन के रूप में प्लॉट किया गया है। इस प्लॉट में, चयनात्मकता की ऊपरी सीमा लगभग पारगम्यता का रैखिक कार्य है। यह पाया गया कि पॉलिमर में घुलनशीलता अधिकतर स्थिर होती है किन्तु प्रसार गुणांक में अधिक भिन्नता होती है और यहीं पर सामग्री की इंजीनियरिंग होती है। कुछ सीमा तक सहज रूप से, उच्चतम प्रसार गुणांक वाली सामग्रियों में अधिक खुली छिद्र संरचना होती है, जिससे चयनात्मकता कम हो जाती है। रॉबसन सीमा को तोड़ने के लिए शोधकर्ता दो उपायों का उपयोग कर रहे हैं, इनमें से ग्लासी पॉलिमर का उपयोग है जिसके चरण संक्रमण और यांत्रिक गुणों में परिवर्तन से ऐसा प्रतीत होता है कि सामग्री अणुओं को अवशोषित कर रही है और इस प्रकार ऊपरी सीमा को पार कर जाती है। रॉबसन सीमा की सीमाओं को आगे बढ़ाने की दूसरी विधि सुगम परिवहन विधि है। जैसा कि पूर्व में कहा गया है, पॉलिमर की घुलनशीलता सामान्यतः अधिक स्थिर होती है किन्तु सुगम परिवहन विधि चयनात्मकता को परिवर्तित किये बिना घटक की पारगम्यता को बढ़ाने के लिए रासायनिक प्रतिक्रिया का उपयोग करती है।

नैनोपोरस मेम्ब्रेन नैनोपोरस मेम्ब्रेन पॉलिमर-आधारित मेम्ब्रेन से मौलिक रूप से भिन्न होती है क्योंकि उनकी रसायन शास्त्र भिन्न होती है और वे कई कारणों से रॉबसन सीमा का पालन नहीं करती हैं। नैनोपोरस मेम्ब्रेन का सरलीकृत चित्र कैविटीओं और विंडोज के साथ उदाहरण मेम्ब्रेन संरचना का छोटा सा भाग दिखाता है। सफेद भाग उस क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करता है जहां अणु गति कर सकता है और नीला छायांकित क्षेत्र संरचना की दीवारों का प्रतिनिधित्व करता है। इन मेम्ब्रेन की इंजीनियरिंग में, कैविटी का आकार (Lcy X Lcz) और विंडो क्षेत्र (Lwy X Lwz) को संशोधित किया जा सकता है जिससे वांछित पारगमन प्राप्त हो सके। यह दिखाया गया है कि मेम्ब्रेन की पारगम्यता सोखना और प्रसार का उत्पादन है। कम लोडिंग स्थितियों में, सोखना की गणना हेनरी गुणांक द्वारा की जा सकती है।

यदि यह धारणा बनाई जाती है कि इस संरचना से निकलते समय किसी कण की ऊर्जा नहीं परिवर्तित होती है, तो केवल अणुओं की एन्ट्रापी छिद्रों के आकार के आधार पर परिवर्तित होती है। यदि हम पूर्व कैविटी ज्यामिति में परिवर्तन पर विचार करते हैं, तो कैविटी जितनी बड़ी होती है, अवशोषित अणुओं की एन्ट्रापी उतनी ही बड़ी होती है जो इस प्रकार हेनरी गुणांक को बड़ा बनाती है। प्रसार के लिए, एन्ट्रापी में वृद्धि से मुक्त ऊर्जा में कमी होती है, जिसके परिणामस्वरूप प्रसार गुणांक में कमी होती है। इसके विपरीत, विंडो ज्यामिति परिवर्तन से मुख्य रूप से अणुओं के प्रसार पर प्रभाव पड़ता है, न कि हेनरी गुणांक पर पड़ता है।

संक्षेप में, उपरोक्त सरलीकृत विश्लेषण का उपयोग करके, यह समझना संभव है कि रॉबसन लाइन की ऊपरी सीमा नैनोस्ट्रक्चर के लिए क्यों नहीं है। विश्लेषण में, प्रसार और हेनरी गुणांक दोनों को सामग्री की पारगम्यता को प्रभावित किए बिना संशोधित किया जा सकता है जो इस प्रकार बहुलक मेम्ब्रेन के लिए ऊपरी सीमा से अधिक हो सकता है।

सिलिका मेम्ब्रेन

सिलिका मेम्ब्रेन मेसोपोरस सामग्री है और इसे उच्च रूपता (पूर्ण मेम्ब्रेन में समान संरचना) के साथ बनाया जा सकता है। इन मेम्ब्रेन की उच्च सरंध्रता उन्हें अधिक पारगम्यता प्रदान करती है। संश्लेषित मेम्ब्रेन की सतह चिकनी होती है और चयनात्मकता में वजनदार सुधार करने के लिए सतह पर इसे संशोधित किया जा सकता है। अमीन युक्त अणुओं (सतह सिलानॉल समूहों पर) के साथ सिलिका मेम्ब्रेन सतहों को क्रियाशील करने से मेम्ब्रेन को ग्रिप गैस धाराओं से CO2 को अधिक प्रभावी रूप से भिन्न करने की अनुमति देता है। सूखी ग्रिप गैस धाराओं की अपेक्षा में गीली ग्रिप गैस धाराओं के लिए सतह क्रियाशीलता (और इस प्रकार रसायन विज्ञान) को अधिक कुशल बनाया जा सकता है। जबकि पूर्व, सिलिका मेम्ब्रेन उनकी प्रौद्योगिकी मापनीयता और व्यय के कारण अव्यावहारिक थी (बड़े स्तर पर अल्पव्ययी उपाय से उनका उत्पादन करना अधिक कठिन है), खोखले पॉलिमरिक समर्थन पर सिलिका मेम्ब्रेन के उत्पादन की सरल विधि का प्रदर्शन किया गया है। इन प्रदर्शनों से संकेत मिलता है कि अल्पव्ययी सामग्री और विधियाँ CO2 और N2 को प्रभावी रूप से भिन्न कर सकती हैं। ऑर्डर किए गए मेसोपोरस सिलिका मेम्ब्रेन ने सतह संशोधन के लिए अधिक संभावनाएं दिखाई हैं जो CO2 पृथक्करण  की सरलता की अनुमति देती है। अमाइन के साथ सतह क्रियाशीलता से कार्बामेट्स का प्रतिवर्ती निर्माण होता है (CO2 प्रवाह के समय) जिससे CO2 चयनात्मकता में वृद्धि होती है।

जिओलाइट मेम्ब्रेन जिओलाइट्स आणविक आकार के छिद्रों की नियमित दोहराई जाने वाली संरचना के साथ क्रिस्टलीय एलुमिनोसिलिकेट होते हैं। जिओलाइट मेम्ब्रेन छिद्र आकार और ध्रुवता के आधार पर अणुओं को भिन्न करती है और इस प्रकार विशिष्ट गैस पृथक्करण प्रक्रियाओं के लिए अत्यधिक अनुकूल होती है। सामान्य तौर पर, छोटे अणु और शक्तिशाली जिओलाइट-सोखने के गुणों वाले अणुओं को बड़ी चयनात्मकता के साथ जिओलाइट मेम्ब्रेन पर सोख लिया जाता है। आणविक आकार और सोखना संबंध दोनों के आधार पर भेदभाव करने की क्षमता जिओलाइट मेम्ब्रेन को N2, CH4, और H2 से CO2   पृथक्करण के लिए आकर्षक उम्मीदवार बनाती है।

वैज्ञानिकों ने पाया है कि जिओलाइट्स पर सोखने की गैस-चरण एन्थैल्पी (गर्मी) इस प्रकार बढ़ती है: H2 < CH4 <N2 <CO2 ,यह सामान्यतः स्वीकार किया जाता है कि CO2 इसमें सबसे बड़ी सोखने की ऊर्जा होती है क्योंकि इसमें सबसे बड़ा चतुर्भुज क्षण होता है, जिससे आवेशित या ध्रुवीय जिओलाइट छिद्रों के लिए इसकी आत्मीयता बढ़ जाती है। कम तापमान पर, जिओलाइट सोखने की क्षमता बड़ी होती है और सोखने वाली CO की सांद्रता अधिक होती है अणु अन्य गैसों के प्रवाह को अवरुद्ध करते हैं। इसलिए, कम तापमान पर, CO2 जिओलाइट छिद्रों के माध्यम से प्रवेश करता है। वर्तमान कई शोध प्रयत्नों ने नवीन जिओलाइट मेम्ब्रेन विकसित करने पर ध्यान केंद्रित किया है जो निम्न तापमान अवरोधक घटना का लाभ उठाकर CO2 चयनात्मकता को अधिकतम करते हैं।

शोधकर्ताओं ने Y-प्रकार (Si:Al>3) जिओलाइट मेम्ब्रेन को संश्लेषित किया है जो CO2/N2 और CO2/CH4 के लिए कमरे के तापमान पर 100 और 21 के पृथक्करण कारक प्राप्त करते हैं। डीडीआर-प्रकार और एसएपीओ-34 मेम्ब्रेन ने विभिन्न प्रकार के प्रेशर और फ़ीड संरचना पर CO और CH4 को भिन्न करने में भी क्रिया दिखाई है। एसएपीओ-34 मेम्ब्रेन, नाइट्रोजन चयनात्मक होने के कारण, प्राकृतिक गैस को मीठा करने की प्रक्रिया के लिए भी शक्तिशाली भागीदार हैं।   शोधकर्ताओं ने हाइड्रोकार्बन से H2 को भिन्न करने के लिए जिओलाइट मेम्ब्रेन का उपयोग करने का भी प्रयास किया है। हाइड्रोजन को उच्च चयनात्मकता के साथ C4H10 जैसे बड़े हाइड्रोकार्बन से भिन्न किया जा सकता है, यह आणविक छनाई प्रभाव के कारण होता है क्योंकि जिओलाइट्स के छिद्र H2 की अपेक्षा में अधिक बड़े होते हैं, किन्तु इन बड़े हाइड्रोकार्बन से छोटा है। छोटे हाइड्रोकार्बन जैसे CH4, C2H6, और C3H8 ये इतने छोटे होते हैं कि इन्हें आणविक छानने से भिन्न नहीं किया जा सकता है। उच्च तापमान पर पृथक्करण करते समय शोधकर्ताओं ने हाइड्रोजन की उच्च चयनात्मकता प्राप्त की, संभवतः प्रतिस्पर्धी सोखना प्रभाव में कमी के परिणामस्वरूप है।

धातु-कार्बनिक आकृति (एमओएफ) मेम्ब्रेन

धातु-कार्बनिक फ्रेमवर्क (एमओएफ) के उपवर्ग जिओलिटिक-इमिडाजोलेट फ्रेमवर्क (जेडआईएफ), में प्रगति हुई है, जिसने उन्हें ग्रिप गैस धाराओं से कार्बन डाइऑक्साइड को भिन्न करने के लिए उपयोगी होने की अनुमति दी है। एमओएफ को मेम्ब्रेन के रूप में उपयोग करने के मूल्य को प्रदर्शित करने के लिए व्यापक मॉडलिंग का प्रदर्शन किया गया है।  एमओएफ सामग्रियां सोखना-आधारित हैं, और इस प्रकार चयनात्मकता प्राप्त करने के लिए इसे ट्यून किया जा सकता है। एमओएफ प्रणाली का दोष ग्रिप गैस धाराओं में सम्मिलित पानी और अन्य यौगिकों में स्थिरता है। जेडआईएफ-8 जैसी चुनिंदा सामग्रियों ने पानी और बेंजीन में स्थिरता का प्रदर्शन किया है, ये सामग्री प्रायः फ़्लू गैस मिश्रण में सम्मिलित होती हैं। जेडआईएफ-8 को छिद्रपूर्ण एल्यूमिना समर्थन पर मेम्ब्रेन के रूप में संश्लेषित किया जा सकता है और यह CO2 को भिन्न करने में ग्रिप गैस धाराओं से प्रभावी साबित हुआ है। Y-प्रकार जिओलाइट मेम्ब्रेन की समान CO2/CH4 की चयनात्मकता पर जेडआईएफ-8 झिल्लियाँ अभूतपूर्व CO2 पारगम्यता प्राप्त करती हैं जो पिछले मानक से दो गुना अधिक है।

पेरोव्स्काइट मेम्ब्रेन
पेरोव्स्काइट उचित प्रकार से परिभाषित घन संरचना और ABO3 के सामान्य सूत्र के साथ मिश्रित धातु ऑक्साइड हैं, जहां A  क्षारीय पृथ्वी धातु या लैंथेनाइड तत्व है और B संक्रमण धातु है। धातु स्थलों की ट्यूनेबिलिटी के साथ-साथ ऊंचे तापमान पर ये सामग्रियां उनकी स्थिरता के कारण CO2 पृथक्करण के लिए आकर्षक हैं।

N2 से CO2 का पृथक्करण BaTiO3 के साथ संसेचित α-एल्यूमिना मेम्ब्रेन के साथ शोध की गई है। यह पाया गया कि CO2 और सामग्री के मध्य एंडोथर्मिक इंटरैक्शन के कारण CO2 का सोखना उच्च तापमान पर अनुकूल था, जिससे मोबाइल CO2 को बढ़ावा मिला जिसने CO2 सोखना-उजाड़ने की दर और सतह के प्रसार को बढ़ाया है। CO2 से N2का प्रायोगिक पृथक्करण कारक 100°C से 500°C पर 1.1-1.2 पाया गया, जो नुडसेन प्रसार द्वारा अनुमानित 0.8 की पृथक्करण कारक सीमा से अधिक है। यद्यपि मेम्ब्रेन में देखे गए पिनहोल के कारण पृथक्करण कारक कम था, यह CO2 पृथक्करण के लिए उनकी चयनात्मक सतह रसायन विज्ञान में पेरोव्स्काइट सामग्री की क्षमता को दर्शाता है।

अन्य मेम्ब्रेन प्रौद्योगिकियाँ
विशेष विषयों में अन्य सामग्रियों का उपयोग किया जा सकता है; उदाहरण के लिए, पैलेडियम मेम्ब्रेन केवल हाइड्रोजन के परिवहन की अनुमति देती है। पैलेडियम मेम्ब्रेन (जो सामान्यतः कम तापमान पर मिश्र धातु के विघटन को रोकने के लिए पैलेडियम सिल्वर मिश्र धातु होती हैं) के अतिरिक्त, अन्य-मूल्यवान धातु के विकल्प ढूंढने पर भी महत्वपूर्ण शोध प्रयास किया जा रहा है। यद्यपि मेम्ब्रेन की सतह पर विनिमय की धीमी गतिशीलता और कई कर्तव्य चक्रों के पश्चात या शीतलन के समय मेम्ब्रेन के टूटने या विघटित होने की प्रवृत्ति ऐसी समस्याएं हैं जिनका अभी तक पूर्ण प्रकार से समाधान नहीं हुआ है।

निर्माण
मेम्ब्रेन सामान्यतः तीन मॉड्यूल में समाहित होती हैं: *                                                                                                                                                                        धातु मॉड्यूल में खोखले फाइबर बंडल है।
 * धातु मॉड्यूल में सर्पिल घाव बंडल है।
 * प्लेट और फ्रेम मॉड्यूल प्लेट और फ्रेम हीट एक्सेचेंजेर्स के जैसे बनाया गया है।

उपयोग
मेम्ब्रेन का उपयोग निम्नलिखित में किया जाता है:
 * वायु से नाइट्रोजन या ऑक्सीजन का पृथक्करण (सामान्यतः केवल 99.5% तक) है।
 * नाइट्रोजन और मीथेन जैसी गैसों से हाइड्रोजन को भिन्न करना है।
 * अमोनिया संयंत्रों की उत्पाद धाराओं से हाइड्रोजन की पुनर्प्राप्ति है।
 * तेल रिफाइनरी प्रक्रियाओं में हाइड्रोजन की पुनर्प्राप्ति है।
 * बायोगैस के अन्य घटकों से मीथेन को भिन्न करना है।
 * चिकित्सा या धातुकर्म प्रयोजनों के लिए ऑक्सीजन सांद्रक। पानी के नीचे गोता लगाने के लिए नाइट्रोक्स श्वास गैस के व्यावसायिक उत्पादन के लिए उपयोग की जाने वाली विधियों में से है।
 * ईंधन टैंक विस्फोटों को रोकने के लिए डिज़ाइन की गई निष्क्रिय प्रणालियों में नाइट्रोजन द्वारा यूलेज का संवर्धन है।
 * प्राकृतिक गैस और अन्य गैसों से जलवाष्प को निकालना है।
 * प्राकृतिक गैस (पॉलियामाइड मेम्ब्रेन) से SO2, CO2, H2 S को निकालना है।
 * निकास धाराओं की वायु से अस्थिरता (रसायन विज्ञान) कार्बनिक तरल पदार्थ (वीओएल) को निकालना है।

वायु पृथक्करण
रासायनिक और दहन प्रक्रियाओं सहित कई चिकित्सा और औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए ऑक्सीजन-समृद्ध वायु की अत्यधिक मांग है। क्रायोजेनिक आसवन उच्च शुद्धता ऑक्सीजन और नाइट्रोजन की बड़ी मात्रा के उत्पादन के लिए वाणिज्यिक वायु पृथक्करण की परिपक्व प्रौद्योगिकी है। चूँकि, यह समष्टि प्रक्रिया है, ऊर्जा-गहन है और सामान्यतः छोटे स्तर पर उत्पादन के लिए उपयुक्त नहीं है। प्रेशर स्विंग सोखना का उपयोग सामान्यतः वायु पृथक्करण के लिए भी किया जाता है और यह मध्यम उत्पादन दर पर उच्च शुद्धता ऑक्सीजन का उत्पादन भी कर सकता है, किन्तु इसके लिए अभी भी अधिक जगह, उच्च निवेश और उच्च ऊर्जा व्यय की आवश्यकता होती है। मेम्ब्रेन गैस पृथक्करण विधि अपेक्षाकृत कम पर्यावरणीय प्रभाव और स्थिर प्रक्रिया है जो निरंतर उत्पादन, सरल संचालन, कम प्रेशर/तापमान आवश्यकताओं और कॉम्पैक्ट स्थान आवश्यकताओं को प्रदान करती है।

CO2 की वर्तमान स्थिति मेम्ब्रेन से कब्जा
ग्रिप गैस धाराओं से कार्बन कैप्चर के लिए अवशोषण या सोखने के अतिरिक्त मेम्ब्रेन का उपयोग करने के लिए अधिक सारे शोध किए गए हैं, चूँकि, कोई करंट नहीं है, ऐसी परियोजनाएं सम्मिलित हैं जो मेम्ब्रेन का उपयोग करती हैं। सामग्रियों में नवीन विकास के साथ प्रक्रिया इंजीनियरिंग से ज्ञात हुआ है कि प्रतिस्पर्धी प्रौद्योगिकियों की अपेक्षा में मेम्ब्रेन में कम ऊर्जा जुर्माना और व्यय की सबसे बड़ी क्षमता है।

पृष्ठभूमि

आज, मेम्ब्रेन का उपयोग व्यावसायिक पृथक्करणों के लिए किया जाता है जिनमें सम्मिलित हैं: N2 वायु से,हैबर-बॉश प्रक्रिया में अमोनिया से H2, प्राकृतिक-गैस प्रसंस्करण, और तृतीयक-स्तर की बढ़ी हुई तेल पुनर्प्राप्ति आपूर्ति है। एकल-चरण मेम्ब्रेन संचालन में चयनात्मकता मान वाली मेम्ब्रेन सम्मिलित होती है। एकल-चरण मेम्ब्रेन का उपयोग सबसे पूर्व प्राकृतिक गैस शुद्धिकरण में किया गया, जो मीथेन से CO2 को भिन्न करती थी। एकल-चरण मेम्ब्रेन का हानि चयनात्मकता मान द्वारा लगाई गई बाधाओं के कारण पर्मिट में उत्पाद का हानि है। चयनात्मकता बढ़ाने से पर्मिट में लुप्त उत्पाद की मात्रा कम हो जाती है, किन्तु फ़्लू स्ट्रीम की समतुल्य मात्रा को संसाधित करने के लिए बड़े प्रेशर अंतर की आवश्यकता होती है। व्यवहार में, आर्थिक रूप से अधिकतम प्रेशर अनुपात लगभग 5:1 है। मेम्ब्रेन पर्मिट में उत्पाद के हानि से निवारण के लिए, इंजीनियर "कैस्केड प्रक्रियाओं" का उपयोग करते हैं जिसमें पर्मिट को पुनः संपीड़ित किया जाता है और अतिरिक्त, उच्च चयनात्मक मेम्ब्रेन के साथ जोड़ा जाता है। रिटेन्टेट धाराओं को पुनर्चक्रित किया जा सकता है, जिससे उत्पाद की उत्तम उपज प्राप्त होती है।

मल्टी-स्टेज प्रक्रिया की आवश्यकता
पर्मेट स्ट्रीम में भिन्न सामग्री की उच्च सांद्रता प्राप्त करने के लिए एकल-चरण मेम्ब्रेन उपकरण संभव नहीं हैं। यह प्रेशर अनुपात सीमा के कारण है जिसे पार करना आर्थिक रूप से अवास्तविक है। इसलिए, पर्मेट स्ट्रीम को केंद्रित करने के लिए मल्टी-स्टेज मेम्ब्रेन का उपयोग आवश्यक है। दूसरे चरण का उपयोग कम मेम्ब्रेन क्षेत्र और विद्युत का उपयोग करने की अनुमति देता है। इसका कारण उच्च सांद्रता है जो दूसरे चरण से निकलती है, साथ ही पंप को संसाधित करने के लिए गैस की कम मात्रा भी है। अन्य कारक, जैसे कि चरण जोड़ना जो धारा को केंद्रित करने के लिए वायु का उपयोग करता है, फ़ीड स्ट्रीम के अंदर एकाग्रता को बढ़ाकर व्यय को कम करता है। अतिरिक्त विधियाँ जैसे कई प्रकार की पृथक्करण विधियों का संयोजन अल्पव्ययी प्रक्रिया डिज़ाइन बनाने में भिन्नता की अनुमति देता है।

संकर प्रक्रियाओं में मेम्ब्रेन का उपयोग
गैस पृथक्करण के साथ हाइब्रिड प्रक्रियाओं का दीर्घकालिक इतिहास रहा है। सामान्यतः, मेम्ब्रेन को पूर्व से सम्मिलित प्रक्रियाओं में इस प्रकार एकीकृत किया जाता है कि उन्हें पूर्व से सम्मिलित कार्बन कैप्चर प्रणाली में फिर से लगाया जा सकता है।

एमटीआर, मेम्ब्रेन टेक्नोलॉजी एंड रिसर्च इंक. और ऑस्टिन में टेक्सास विश्वविद्यालय ने CO2 कैप्चर के लिए अवशोषण और मेम्ब्रेन दोनों का उपयोग करते हुए हाइब्रिड प्रक्रियाएं बनाने के लिए काम किया है। सबसे पूर्व, विलायक के रूप में पाइपरज़ीन का उपयोग करने वाला कार्बन डाइऑक्साइड स्क्रबर कॉलम ग्रिप गैस में लगभग अर्ध कार्बन डाइऑक्साइड को अवशोषित करता है, फिर मेम्ब्रेन के उपयोग से 90% कैप्चर होता है। समानांतर सेटअप भी है, जिसमें मेम्ब्रेन और अवशोषण प्रक्रियाएं साथ होती हैं। सामान्यतः, ये प्रक्रियाएं सबसे प्रभावी होती हैं जब कार्बन डाइऑक्साइड की उच्चतम सामग्री अमीन अवशोषण कॉलम में प्रवेश करती है। हाइब्रिड डिज़ाइन प्रक्रियाओं को सम्मिलित करने से जीवाश्म ईंधन विद्युत संयंत्रों में रेट्रोफिटिंग की अनुमति मिलती है।

हाइब्रिड प्रक्रियाएं क्रायोजेनिक आसवन और मेम्ब्रेन का भी उपयोग कर सकती हैं। उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन और कार्बन डाईऑक्साइड को पूर्व क्रायोजेनिक गैस पृथक्करण का उपयोग करके भिन्न किया जा सकता है, जिससे अधिकांश कार्बन डाइऑक्साइड बाहर निकल जाता है, फिर शेष कार्बन डाइऑक्साइड को भिन्न करने के लिए मेम्ब्रेन प्रक्रिया का उपयोग किया जाता है, जिसके पश्चात इसे क्रायोजेनिक पृथक्करण के आगे के प्रयत्नों के लिए पुनर्नवीनीकरण किया जाता है।

व्यय विश्लेषण

व्यय, मेम्ब्रेन CO2 पृथक्करण चरण में अनुपात को 5 के मान तक सीमित करती है; उच्च दबाव अनुपात मेम्ब्रेन प्रक्रियाओं का उपयोग करके CO2 कैप्चर के लिए किसी भी आर्थिक व्यवहार्यता को समाप्त कर देता है। वर्तमान अध्ययनों से ज्ञात हुआ है कि बहु-चरण CO2 कैप्चर/पृथक्करण प्रक्रियाएं प्राचीन और अधिक सामान्य प्रौद्योगिकियों जैसे कि एमाइन-आधारित कार्बन डाइऑक्साइड स्क्रबर के साथ आर्थिक रूप से प्रतिस्पर्धी हो सकती हैं।  वर्तमान में, मेम्ब्रेन और एमाइन-आधारित दोनों अवशोषण प्रक्रियाओं को 90% CO2 कैप्चर दर उत्पन्न करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है   औसतन 600 मेगावाट कोयला आधारित विद्युत संयंत्र में कार्बन कैप्चर के लिए, CO2 की व्यय अमीन-आधारित अवशोषण का उपयोग करके कैप्चर करना $40-100 प्रति टन CO2 रेंज में है, जबकि वर्तमान मेम्ब्रेन प्रौद्योगिकी (वर्तमान प्रक्रिया सहित) का उपयोग करके CO2 कैप्चर की व्यय डिज़ाइन योजनाएँ) लगभग $23 प्रति टन CO2 है। इसके अतिरिक्त, औसतन 600 मेगावाट कोयला आधारित विद्युत संयंत्र में अमीन-आधारित अवशोषण प्रक्रिया चलाने से विद्युत संयंत्र द्वारा उत्पन्न ऊर्जा का लगभग 30% व्यय होता है, जबकि मेम्ब्रेन प्रक्रिया चलाने के लिए उत्पन्न ऊर्जा का लगभग 16% व्यय होता है। CO2 परिवहन (उदाहरण के लिए कार्बन कैप्चर और भंडारण स्थलों तक, या उन्नत तेल पुनर्प्राप्ति के लिए उपयोग किया जाने वाला) की व्यय लगभग 2-5 डॉलर प्रति टन CO2 है। यह व्यय सभी प्रकार के CO2 के लिए समान है मेम्ब्रेन पृथक्करण और अवशोषण जैसी कैप्चर/पृथक्करण प्रक्रियाएं। कैप्चर किए गए CO2 के प्रति टन डॉलर के संदर्भ में इस समय अध्ययन की जा रही सबसे कम व्ययीली मेम्ब्रेन प्रक्रियाएं बहु-चरणीय काउंटर-करंट प्रतिधारा विनिमय प्रक्रियाएं हैं।

संदर्भ


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