झिल्ली गैस पृथक्करण

पॉलियामाइड या सेलूलोज एसीटेट जैसे पॉलिमर या सिरेमिक सामग्री से बनी सिंथेटिक झिल्लियों द्वारा गैस मिश्रण को प्रभावी ढंग से अलग किया जा सकता है। जबकि पॉलिमरिक झिल्ली किफायती और तकनीकी 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 CO के लिए पॉलिमरिक झिल्ली के उपयोग को प्रभावित करती है2 ग्रिप गैस धाराओं से पृथक्करण, चूंकि बड़े पैमाने पर परिवहन सीमित हो जाता है और CO2 कम पारगम्यता के कारण पृथक्करण बहुत महंगा हो जाता है। झिल्ली सामग्री अपने मजबूत थर्मल और रासायनिक प्रतिरोध के साथ-साथ उच्च ट्यूनेबिलिटी (संशोधित और कार्यात्मक होने की क्षमता) के कारण सिलिकॉन डाइऑक्साइड, जिओलाइट्स, धातु-कार्बनिक ढांचे और पेरोव्स्काइट्स के दायरे में विस्तारित हो गई है, जिससे पारगम्यता और चयनात्मकता में वृद्धि हुई है। झिल्लियों का उपयोग गैस मिश्रण को अलग करने के लिए किया जा सकता है जहां वे एक पारगम्य बाधा के रूप में कार्य करते हैं जिसके माध्यम से विभिन्न यौगिक अलग-अलग दरों पर चलते हैं या बिल्कुल भी नहीं चलते हैं। झिल्ली नैनोपोरस, पॉलिमर आदि हो सकती हैं और गैस के अणु अपने आकार, द्रव्यमान प्रसार या घुलनशीलता के अनुसार प्रवेश करते हैं।

मूल प्रक्रिया
झिल्ली में गैस पृथक्करण एक दबाव-चालित प्रक्रिया है, जहां प्रेरक शक्ति कच्चे माल के प्रवेश और उत्पाद के आउटलेट के बीच दबाव में अंतर है। प्रक्रिया में उपयोग की जाने वाली झिल्ली आम तौर पर गैर-छिद्रपूर्ण परत होती है, इसलिए झिल्ली के माध्यम से गैस का गंभीर रिसाव नहीं होगा। झिल्ली 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। झिल्ली सामग्री के बहुलक में बहुलक श्रृंखला लचीलापन और मुक्त मात्रा प्रसार गुणांक को प्रभावित करती है, क्योंकि पारगम्य झिल्ली के भीतर का स्थान गैस अणुओं को फैलाने के लिए पर्याप्त बड़ा होना चाहिए। घुलनशीलता को पॉलिमर में गैस की सांद्रता और उसके संपर्क में गैस के दबाव के अनुपात के रूप में व्यक्त किया जाता है। पारगम्यता झिल्ली की वह क्षमता है जो झिल्ली पर दबाव के अंतर के परिणामस्वरूप प्रवेश करने वाली गैस को झिल्ली की सामग्री के माध्यम से फैलने की अनुमति देती है, और इसे पारगम्य प्रवाह दर, झिल्ली की मोटाई और क्षेत्र और दबाव के संदर्भ में मापा जा सकता है। झिल्ली में अंतर. झिल्ली की चयनात्मकता झिल्ली 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।

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

झिल्ली संचालन पद्धति
तीन मुख्य प्रसार तंत्र हैं। पहला (बी), नुडसेन प्रसार बहुत कम दबाव पर होता है, जहां हल्के अणु भारी अणुओं की तुलना में काफी बड़े छिद्रों वाली सामग्री में तेजी से झिल्ली के पार जा सकते हैं। दूसरा (सी), आणविक छलनी, वह मामला है जहां झिल्ली के छिद्र एक घटक को पारित करने के लिए बहुत छोटे होते हैं, एक प्रक्रिया जो आमतौर पर गैस अनुप्रयोगों में व्यावहारिक नहीं होती है, क्योंकि संबंधित छिद्रों को डिजाइन करने के लिए अणु बहुत छोटे होते हैं। इन मामलों में अणुओं की गति को केशिकाओं के माध्यम से दबाव-संचालित संवहनी प्रवाह द्वारा सबसे अच्छा वर्णित किया जाता है, जिसे डार्सी के नियम द्वारा निर्धारित किया जाता है। हालाँकि, गैस अनुप्रयोगों में अधिक सामान्य मॉडल समाधान-प्रसार (डी) है जहां कण पहले झिल्ली पर घुल जाते हैं और फिर अलग-अलग दरों पर इसके माध्यम से फैलते हैं। इस मॉडल का उपयोग तब किया जाता है जब बहुलक झिल्ली में छिद्र कणों की गति के सापेक्ष तेजी से दिखाई देते हैं और गायब हो जाते हैं। एक विशिष्ट झिल्ली प्रणाली में आने वाली फ़ीड स्ट्रीम को दो घटकों में विभाजित किया जाता है: पर्मेंट और रिटेन्टेट। पर्मेंट वह गैस है जो झिल्ली के पार जाती है और रिटेन्टेट वह गैस है जो फ़ीड में बची रहती है। झिल्ली के दोनों किनारों पर, रासायनिक क्षमता का एक ढाल दबाव अंतर द्वारा बनाए रखा जाता है जो गैस अणुओं के गुजरने के लिए प्रेरक शक्ति है। प्रत्येक प्रजाति के परिवहन की आसानी को परमीएशन, पी द्वारा निर्धारित किया जाता हैi. झिल्ली के दोनों किनारों पर आदर्श मिश्रण, आदर्श गैस कानून, निरंतर प्रसार गुणांक और हेनरी के नियम की धारणाओं के साथ, किसी प्रजाति के प्रवाह को फ़िक के प्रसार के नियमों द्वारा दबाव अंतर से संबंधित किया जा सकता है|फ़िक का नियम:


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

कहां, (जेi) झिल्ली के पार प्रजातियों का द्रव्यमान प्रवाह है, (एल) झिल्ली की मोटाई है, (पी)।i) प्रजातियों की पारगम्यता है I, (Di) प्रसारशीलता है, (Ki) हेनरी गुणांक है, और (पीi') और (पृiundefined) क्रमशः फ़ीड और स्थायी पक्ष पर प्रजातियों के आंशिक दबाव का प्रतिनिधित्व करता है। डी का उत्पादiKi इसे अक्सर उपयोग की जाने वाली विशिष्ट झिल्ली पर प्रजातियों की पारगम्यता के रूप में व्यक्त किया जाता है।


 * $$P_i=D_i K_i $$

दूसरी प्रजाति, जे, 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 एक झिल्ली प्रणाली को पर्याप्त रूप से परिभाषित किया जा सकता है। यह देखा जा सकता है कि झिल्ली में कुल प्रवाह फ़ीड और पर्मिट दबाव के बीच संबंध पर दृढ़ता से निर्भर है। फ़ीड दबाव का अनुपात (पी') पर्मिट दबाव पर (पृundefined) को झिल्ली दबाव अनुपात (θ) के रूप में परिभाषित किया गया है।


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

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


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

दूसरे शब्दों में, जब फ़ीड और पर्मिट के बीच एक सांद्रण प्रवणता मौजूद होगी तो झिल्ली में प्रवाह का अनुभव होगा। यदि ग्रेडिएंट सकारात्मक है, तो प्रवाह फ़ीड से पर्मेट तक जाएगा और प्रजाति I को फ़ीड से अलग कर दिया जाएगा।


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

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 झिल्ली का चयन करते समय एक अन्य महत्वपूर्ण गुणांक झिल्ली चयनात्मकता α हैij 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 इंगित करने के लिए किया जाता है जिस स्तर तक झिल्ली प्रजातियों i को j से अलग करने में सक्षम है। उपरोक्त अभिव्यक्ति से यह स्पष्ट है कि 1 की झिल्ली चयनात्मकता इंगित करती है कि झिल्ली में दो गैसों को अलग करने की कोई क्षमता नहीं है, इसका कारण यह है कि, दोनों गैसें झिल्ली के माध्यम से समान रूप से फैलेंगी।

एक पृथक्करण प्रक्रिया के डिजाइन में, आम तौर पर दबाव अनुपात और झिल्ली चयनात्मकता प्रणाली के दबाव और झिल्ली की पारगम्यता द्वारा निर्धारित की जाती है। सिस्टम की लागत-प्रभावशीलता का मूल्यांकन करने के लिए झिल्ली द्वारा प्राप्त पृथक्करण के स्तर (पृथक की जाने वाली प्रजातियों की एकाग्रता) का मूल्यांकन उपरोक्त डिज़ाइन मापदंडों के आधार पर किया जाना चाहिए।

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


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

बाइनरी मिश्रण के मामले में, झिल्ली के पार प्रजातियों की सांद्रता i होती है:


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

फॉर्म 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 करना:


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

अभिव्यक्ति को इस प्रकार फिर से 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 उपयोग करना $$ n_j'=1-n_i'\quad and \quad n_j =1-n_i $$
 * $$ n_i=\frac{P_ip'(n_i'-\frac{1}{\phi}n_i)}{P_ip'(n_i'-\frac{1}{\phi}n_i)+P_jp'((1-n_i')-\frac{1}{\phi}(1-n_i))}$$
 * $$ (1-\alpha)(n_i)^2+(\phi+\phi(\alpha-1)n_i'+\alpha-1)n_i-\alpha\phi n_i' =0 $$

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 एक 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, झिल्ली में प्रसार के साथ फ़ीड सांद्रता कम हो जाती है जिससे झिल्ली पर सांद्रता तदनुसार कम हो जाती है। परिणामस्वरूप, कुल पारगम्य प्रवाह (qout) फ़ीड इनलेट (क्यू') से झिल्ली में प्रसार प्रवाह के एकीकरण का परिणाम हैin) आउटलेट फ़ीड करने के लिए (क्यू'out). पृथक्करण इकाई की अंतर लंबाई में एक द्रव्यमान संतुलन इसलिए है:


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

कहाँ:


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

मिश्रण की द्विआधारी प्रकृति के कारण, केवल एक प्रजाति का मूल्यांकन करने की आवश्यकता है। एक फ़ंक्शन निर्धारित करना n'i=n'i(x), प्रजाति संतुलन को इस प्रकार फिर से लिखा जा सकता है:


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

कहाँ:


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

अंत में, प्रति इकाई झिल्ली 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 झिल्ली सामग्री
झिल्ली की सामग्री वांछित प्रदर्शन विशेषताएँ प्रदान करने की क्षमता में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। उच्च पारगम्यता और पर्याप्त चयनात्मकता वाली झिल्ली का होना इष्टतम है और झिल्ली के गुणों का सिस्टम संचालन स्थितियों (उदाहरण के लिए दबाव और गैस संरचना) से मेल खाना भी महत्वपूर्ण है।

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

बहुलक झिल्ली
सीओ को पकड़ने में उपयोग के लिए पॉलिमरिक झिल्ली एक सामान्य विकल्प है2 विभिन्न प्रकार के उद्योगों, अर्थात् पेट्रोकेमिकल्स, में प्रौद्योगिकी की परिपक्वता के कारण ग्रिप गैस से। आदर्श बहुलक झिल्ली में उच्च प्रतिक्रियाशीलता-चयनात्मकता सिद्धांत और अर्धपारगम्य झिल्ली दोनों होते हैं। पॉलिमर झिल्ली उन प्रणालियों के उदाहरण हैं जो समाधान-प्रसार तंत्र पर हावी हैं। ऐसा माना जाता है कि झिल्ली में छेद होते हैं जिनमें गैस घुल सकती है (घुलनशीलता) और अणु एक गुहा से दूसरे गुहा में जा सकते हैं (प्रसार)।

1990 के दशक की शुरुआत में रॉबसन द्वारा यह पता लगाया गया था कि उच्च चयनात्मकता वाले पॉलिमर में कम पारगम्यता होती है और विपरीत सच है; कम चयनात्मकता वाली सामग्रियों में उच्च पारगम्यता होती है। इसे रॉबसन प्लॉट में सबसे अच्छी तरह से चित्रित किया गया है जहां चयनात्मकता को सीओ के एक फ़ंक्शन के रूप में प्लॉट किया गया है2 प्रवेश. इस प्लॉट में, चयनात्मकता की ऊपरी सीमा लगभग पारगम्यता का एक रैखिक कार्य है। यह पाया गया कि पॉलिमर में घुलनशीलता अधिकतर स्थिर होती है लेकिन प्रसार गुणांक में काफी भिन्नता होती है और यहीं पर सामग्री की इंजीनियरिंग होती है। कुछ हद 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 तरीकों का उपयोग कर रहे हैं, इनमें से एक 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 पहले कहा गया है, पॉलिमर की घुलनशीलता आम तौर पर काफी स्थिर होती है लेकिन सुगम परिवहन विधि चयनात्मकता को बदले बिना एक घटक की पारगम्यता को बढ़ाने के लिए रासायनिक प्रतिक्रिया का उपयोग करती है।

नैनोपोरस झिल्ली
नैनोपोरस झिल्ली पॉलिमर-आधारित झिल्ली से मौलिक रूप से भिन्न होती है क्योंकि उनकी रसायन शास्त्र अलग होती है और वे कई कारणों से रॉबसन सीमा का पालन नहीं करती हैं। नैनोपोरस झिल्ली का सरलीकृत चित्र गुहाओं और खिड़कियों के साथ एक उदाहरण झिल्ली संरचना का एक छोटा सा हिस्सा 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 झिल्लियों की इंजीनियरिंग में, गुहा का आकार (एलcy एक्स एलcz) और विंडो क्षेत्र (एलwy एक्स एलwz) को संशोधित किया जा सकता है ताकि वांछित पारगमन प्राप्त हो सके। यह दिखाया गया है कि झिल्ली 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 गुजरते समय किसी कण की ऊर्जा नहीं बदलती है, तो केवल अणुओं की एन्ट्रापी छिद्रों के आकार के आधार पर बदलती है। यदि हम पहले गुहा ज्यामिति में परिवर्तन पर विचार करते हैं, तो गुहा जितनी बड़ी होगी, अवशोषित अणुओं की एन्ट्रापी उतनी ही बड़ी होगी जो इस प्रकार हेनरी गुणांक को बड़ा बनाती है। प्रसार के लिए, एन्ट्रापी में वृद्धि से मुक्त ऊर्जा में कमी आएगी जिसके परिणामस्वरूप प्रसार गुणांक में कमी आएगी। इसके विपरीत, विंडो ज्यामिति बदलने से मुख्य रूप से अणुओं के प्रसार पर प्रभाव पड़ेगा, न कि हेनरी गुणांक पर।

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 झिल्ली के लिए ऊपरी सीमा से अधिक हो सकता है।

सिलिका झिल्ली
सिलिका झिल्ली मेसोपोरस सामग्री है और इसे उच्च एकरूपता (पूरी झिल्ली में समान संरचना) के साथ बनाया जा सकता है। इन झिल्लियों की उच्च सरंध्रता उन्हें बहुत अधिक पारगम्यता प्रदान करती है। संश्लेषित झिल्लियों की सतह चिकनी होती है और चयनात्मकता में भारी सुधार करने के लिए सतह पर इसे संशोधित किया जा सकता है। अमीन युक्त अणुओं (सतह सिलानॉल समूहों पर) के साथ सिलिका झिल्ली सतहों को कार्यात्मक बनाना झिल्ली को सीओ को अलग करने की अनुमति देता है2 ग्रिप गैस धाराओं से अधिक प्रभावी ढंग से। सूखी ग्रिप गैस धाराओं की तुलना में गीली ग्रिप गैस धाराओं के लिए सतह क्रियाशीलता (और इस प्रकार रसायन विज्ञान) को अधिक कुशल बनाया जा सकता है। जबकि पहले, सिलिका झिल्ली उनकी तकनीकी मापनीयता और लागत के कारण अव्यावहारिक थी (बड़े पैमाने पर किफायती तरीके से उनका उत्पादन करना बहुत मुश्किल है), खोखले पॉलिमरिक समर्थन पर सिलिका झिल्ली के उत्पादन की एक सरल विधि का प्रदर्शन किया गया है। इन प्रदर्शनों से संकेत मिलता है कि किफायती सामग्री और विधियाँ सीओ को प्रभावी ढंग से अलग कर सकती हैं2 और n2. ऑर्डर किए गए मेसोपोरस सिलिका झिल्ली ने सतह संशोधन के लिए काफी संभावनाएं दिखाई हैं जो सीओ की आसानी की अनुमति देती है2 जुदाई. अमाइन के साथ सतह क्रियाशीलता से कार्बामेट्स का प्रतिवर्ती निर्माण होता है (सीओ के दौरान)।2 प्रवाह), CO में वृद्धि2 चयनात्मकता उल्लेखनीय रूप से.

जिओलाइट झिल्ली
जिओलाइट्स आणविक आकार के छिद्रों की नियमित दोहराई जाने वाली संरचना के साथ क्रिस्टलीय एलुमिनोसिलिकेट  होते हैं। जिओलाइट झिल्ली छिद्र आकार और ध्रुवता के आधार पर अणुओं को चुनिंदा रूप से अलग करती है और इस प्रकार विशिष्ट गैस पृथक्करण प्रक्रियाओं के लिए अत्यधिक अनुकूल होती है। सामान्य तौर पर, छोटे अणु और मजबूत जिओलाइट-सोखने के गुणों वाले अणुओं को बड़ी चयनात्मकता के साथ जिओलाइट झिल्ली पर सोख लिया जाता है। आणविक आकार और सोखना संबंध दोनों के आधार पर भेदभाव करने की क्षमता जिओलाइट झिल्ली को CO के लिए एक आकर्षक उम्मीदवार बनाती है2 एन से अलगाव2, सीएच4, और वह2.

वैज्ञानिकों ने पाया है कि जिओलाइट्स पर सोखने की गैस-चरण एन्थैल्पी (गर्मी) इस प्रकार बढ़ती है: एच2 < सीएच4 <एन2 <सीओ2. यह आम तौर पर स्वीकार किया जाता है कि CO2 इसमें सबसे बड़ी सोखने की ऊर्जा होती है क्योंकि इसमें सबसे बड़ा चतुर्भुज 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 है2 अणु अन्य गैसों के प्रवाह को अवरुद्ध करते हैं। इसलिए, कम तापमान पर, CO2 जिओलाइट छिद्रों के माध्यम से चुनिंदा रूप से प्रवेश करता है। हाल के कई शोध प्रयासों ने नए जिओलाइट झिल्ली विकसित करने पर ध्यान केंद्रित किया है जो सीओ को अधिकतम करते हैं2 निम्न-तापमान अवरोधक घटना का लाभ उठाकर चयनात्मकता।

शोधकर्ताओं ने Y-प्रकार (Si:Al>3) जिओलाइट झिल्लियों को संश्लेषित किया है जो CO के लिए कमरे के तापमान पर 100 और 21 के पृथक्करण कारक प्राप्त करते हैं।2/एन2 और सह2/सीएच4 क्रमशः मिश्रण. DDR-type और SAPO-34 झिल्ली सीओ को अलग करने में भी वादा दिखाया है2 और सी.एच4 विभिन्न प्रकार के दबाव और फ़ीड संरचना पर। SAPO-34 झिल्ली, नाइट्रोजन चयनात्मक होने के कारण, प्राकृतिक गैस को मीठा करने की प्रक्रिया के लिए भी मजबूत दावेदार हैं। शोधकर्ताओं ने एच को अलग करने के लिए जिओलाइट झिल्ली का उपयोग करने का भी प्रयास किया है2 हाइड्रोकार्बन से. हाइड्रोजन को C जैसे बड़े हाइड्रोकार्बन से अलग किया जा सकता है4H10 उच्च चयनात्मकता के साथ. यह आणविक छनाई प्रभाव के कारण होता है क्योंकि जिओलाइट्स के छिद्र H की तुलना में बहुत बड़े होते हैं2, लेकिन इन बड़े हाइड्रोकार्बन से छोटा है। छोटे हाइड्रोकार्बन जैसे CH4, सी2H6, और सी3H8 ये इतने छोटे होते हैं कि इन्हें आणविक छानने से अलग नहीं किया जा सकता। उच्च तापमान पर पृथक्करण करते समय शोधकर्ताओं ने हाइड्रोजन की उच्च चयनात्मकता हासिल की, संभवतः प्रतिस्पर्धी सोखना प्रभाव में कमी के परिणामस्वरूप।

धातु-कार्बनिक ढांचा (एमओएफ) झिल्ली
जिओलिटिक इमीडाजोलेट फ्रेमवर्क|जिओलिटिक-इमिडाजोलेट फ्रेमवर्क (जेडआईएफ), धातु-कार्बनिक फ्रेमवर्क (एमओएफ) का एक उपवर्ग, में प्रगति हुई है, जिसने उन्हें ग्रिप गैस धाराओं से कार्बन डाइऑक्साइड को अलग करने के लिए उपयोगी होने की अनुमति दी है। एमओएफ को झिल्ली 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 सिस्टम का दोष ग्रिप गैस धाराओं में मौजूद पानी और अन्य यौगिकों में स्थिरता है। ZIF-8 जैसी चुनिंदा सामग्रियों ने पानी और बेंजीन में स्थिरता का प्रदर्शन किया है, ये सामग्री अक्सर फ़्लू गैस मिश्रण में मौजूद होती हैं। ZIF-8 को छिद्रपूर्ण एल्यूमिना समर्थन पर एक झिल्ली के रूप में संश्लेषित किया जा सकता है और यह CO को अलग करने में प्रभावी साबित हुआ है2 ग्रिप गैस धाराओं से. समान सीओ पर2/सीएच4 Y-प्रकार जिओलाइट झिल्लियों की चयनात्मकता, ZIF-8 झिल्लियाँ अभूतपूर्व CO प्राप्त करती हैं2 स्थायित्व, पिछले मानक से दो गुना अधिक परिमाण।

पेरोव्स्काइट झिल्ली
पेरोव्स्काइट एक अच्छी तरह से परिभाषित घन संरचना और एबीओ के एक सामान्य सूत्र के साथ मिश्रित धातु ऑक्साइड हैं3, जहां A एक क्षारीय पृथ्वी धातु या लैंथेनाइड तत्व है और B एक संक्रमण धातु है। ये सामग्रियां CO के लिए आकर्षक हैं2 धातु स्थलों की ट्यूनेबिलिटी के साथ-साथ ऊंचे तापमान पर उनकी स्थिरता के कारण पृथक्करण।

CO का पृथक्करण2 एन से2 BaTiO के साथ संसेचित α-एल्यूमिना झिल्ली के साथ जांच की गई3. यह पाया गया कि CO का अवशोषण2 CO के बीच एंडोथर्मिक अंतःक्रिया के कारण उच्च तापमान पर अनुकूल था2 और सामग्री, मोबाइल सीओ को बढ़ावा देना2 जिसने CO को बढ़ाया2 अधिशोषण-अवशोषण दर और सतह प्रसार। CO का प्रायोगिक पृथक्करण कारक2 से एन2 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 झिल्ली में देखे गए पिनहोल के कारण पृथक्करण कारक कम था, यह सीओ के लिए उनकी चयनात्मक सतह रसायन विज्ञान में पेरोव्स्काइट सामग्री की क्षमता को दर्शाता है।2 जुदाई.

अन्य झिल्ली प्रौद्योगिकियाँ
विशेष मामलों में अन्य सामग्रियों का उपयोग किया जा सकता है; उदाहरण के लिए, पैलेडियम झिल्ली केवल हाइड्रोजन के परिवहन की अनुमति देती है। पैलेडियम झिल्लियों (जो आम तौर पर कम तापमान पर मिश्र धातु के विघटन को रोकने के लिए पैलेडियम सिल्वर मिश्र धातु होती हैं) के अलावा, गैर-कीमती धातु के विकल्प खोजने पर भी एक महत्वपूर्ण शोध प्रयास किया जा रहा है। यद्यपि झिल्ली की सतह पर विनिमय की धीमी गतिशीलता और कई कर्तव्य चक्रों के बाद या शीतलन के दौरान झिल्ली के टूटने या विघटित होने की प्रवृत्ति ऐसी समस्याएं हैं जिनका अभी तक पूरी तरह से समाधान नहीं हुआ है।

निर्माण
झिल्ली आमतौर पर तीन मॉड्यूल में से एक में समाहित होती हैं: * धातु मॉड्यूल में खोखले फाइबर बंडल
 * धातु मॉड्यूल में सर्पिल घाव बंडल
 * प्लेट और फ्रेम मॉड्यूल एक प्लेट और फ्रेम हीट एक्सचेंजर की तरह बनाया गया है

उपयोग
झिल्ली का उपयोग निम्नलिखित में किया जाता है:
 * नाइट्रोजन जनरेटर#झिल्ली प्रौद्योगिकी या ऑक्सीजन संयंत्र#झिल्ली प्रौद्योगिकी को हवा से अलग करना (आम तौर पर केवल 99.5% तक)
 * नाइट्रोजन और मीथेन जैसी गैसों से हाइड्रोजन को अलग करना
 * अमोनिया संयंत्रों की उत्पाद धाराओं से हाइड्रोजन की पुनर्प्राप्ति
 * तेल रिफाइनरी प्रक्रियाओं में हाइड्रोजन की पुनर्प्राप्ति
 * बायोगैस के अन्य घटकों से मीथेन को अलग करना
 * 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 एक।
 * ईंधन टैंक विस्फोटों को रोकने के लिए डिज़ाइन की गई निष्क्रिय प्रणालियों में नाइट्रोजन द्वारा यूलेज का संवर्धन
 * प्राकृतिक गैस और अन्य गैसों से जलवाष्प को हटाना
 * सल्फर डाइऑक्साइड को हटाना|SO2, कार्बन डाइऑक्साइड|CO2और हाइड्रोजन सल्फाइड|एच2प्राकृतिक गैस से एस (पॉलियामाइड झिल्ली)
 * निकास धाराओं की हवा से अस्थिरता (रसायन विज्ञान) कार्बनिक तरल पदार्थ (वीओएल) को हटाना

वायु पृथक्करण
रासायनिक और दहन प्रक्रियाओं सहित कई चिकित्सा और औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए ऑक्सीजन-समृद्ध हवा की अत्यधिक मांग है। क्रायोजेनिक आसवन उच्च शुद्धता ऑक्सीजन और नाइट्रोजन की बड़ी मात्रा के उत्पादन के लिए वाणिज्यिक वायु पृथक्करण की परिपक्व तकनीक है। हालाँकि, यह एक जटिल प्रक्रिया है, ऊर्जा-गहन है और आमतौर पर छोटे पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयुक्त नहीं है। दबाव स्विंग सोखना का उपयोग आमतौर पर वायु पृथक्करण के लिए भी किया जाता है और यह मध्यम उत्पादन दर पर उच्च शुद्धता ऑक्सीजन का उत्पादन भी कर सकता है, लेकिन इसके लिए अभी भी काफी जगह, उच्च निवेश और उच्च ऊर्जा खपत की आवश्यकता होती है। झिल्ली गैस पृथक्करण विधि अपेक्षाकृत कम पर्यावरणीय प्रभाव और टिकाऊ प्रक्रिया है जो निरंतर उत्पादन, सरल संचालन, कम दबाव/तापमान आवश्यकताओं और कॉम्पैक्ट स्थान आवश्यकताओं को प्रदान करती है।

सीओ की वर्तमान स्थिति2 झिल्लियों से कब्जा
ग्रिप गैस धाराओं से कार्बन कैप्चर के लिए अवशोषण या सोखने के बजाय झिल्ली का उपयोग करने के लिए बहुत सारे शोध किए गए हैं, हालांकि, कोई करंट नहीं है ऐसी परियोजनाएं मौजूद हैं जो झिल्लियों का उपयोग करती हैं। सामग्रियों में नए विकास के साथ प्रक्रिया इंजीनियरिंग से पता चला है कि प्रतिस्पर्धी प्रौद्योगिकियों की तुलना में झिल्ली में कम ऊर्जा जुर्माना और लागत की सबसे बड़ी क्षमता है।

पृष्ठभूमि
आज, झिल्लियों का उपयोग व्यावसायिक पृथक्करणों के लिए किया जाता है जिनमें शामिल हैं: एन2 हवा से, एच2 हैबर प्रक्रिया में अमोनिया से|हैबर-बॉश प्रक्रिया, प्राकृतिक-गैस प्रसंस्करण, और तृतीयक-स्तर की बढ़ी हुई तेल पुनर्प्राप्ति आपूर्ति। एकल-चरण झिल्ली संचालन में एक चयनात्मकता मान वाली एकल झिल्ली शामिल होती है। एकल-चरण झिल्लियों का उपयोग सबसे पहले प्राकृतिक गैस शुद्धिकरण में किया गया, जिससे CO को अलग किया गया2 मीथेन से. एकल-चरण झिल्लियों का एक नुकसान एकल चयनात्मकता मान द्वारा लगाई गई बाधाओं के कारण पर्मिट में उत्पाद का नुकसान है। चयनात्मकता बढ़ाने से पर्मिट में खोए गए उत्पाद की मात्रा कम हो जाती है, लेकिन फ़्लू स्ट्रीम की समतुल्य मात्रा को संसाधित करने के लिए बड़े दबाव अंतर की आवश्यकता होती है। व्यवहार में, आर्थिक रूप से अधिकतम दबाव अनुपात लगभग 5:1 है। मेम्ब्रेन पर्मिट में उत्पाद के नुकसान से निपटने के लिए, इंजीनियर "कैस्केड प्रक्रियाओं" का उपयोग करते हैं जिसमें पर्मिट को पुनः संपीड़ित किया जाता है और अतिरिक्त, उच्च चयनात्मक झिल्लियों के साथ जोड़ा जाता है। रिटेन्टेट धाराओं को पुनर्चक्रित किया जा सकता है, जिससे उत्पाद की बेहतर उपज प्राप्त होती है।

मल्टी-स्टेज प्रक्रिया की आवश्यकता
पर्मेट स्ट्रीम में अलग सामग्री की उच्च सांद्रता प्राप्त करने के लिए एकल-चरण झिल्ली उपकरण संभव नहीं हैं। यह दबाव अनुपात सीमा के कारण है जिसे पार करना आर्थिक रूप से अवास्तविक है। इसलिए, पर्मेट स्ट्रीम को केंद्रित करने के लिए मल्टी-स्टेज झिल्लियों का उपयोग आवश्यक है। दूसरे चरण का उपयोग कम झिल्ली क्षेत्र और बिजली का उपयोग करने की अनुमति देता है। इसका कारण उच्च सांद्रता है जो दूसरे चरण से गुजरती है, साथ ही पंप को संसाधित करने के लिए गैस की कम मात्रा भी है। अन्य कारक, जैसे कि एक और चरण जोड़ना जो धारा को केंद्रित करने के लिए हवा का उपयोग करता है, फ़ीड स्ट्रीम के भीतर एकाग्रता को बढ़ाकर लागत को कम करता है। अतिरिक्त विधियाँ जैसे कई प्रकार की पृथक्करण विधियों का संयोजन किफायती प्रक्रिया डिज़ाइन बनाने में भिन्नता की अनुमति देता है।

संकर प्रक्रियाओं में झिल्ली का उपयोग
गैस पृथक्करण के साथ हाइब्रिड प्रक्रियाओं का दीर्घकालिक इतिहास रहा है। आमतौर पर, झिल्लियों को पहले से मौजूद प्रक्रियाओं में इस तरह एकीकृत किया जाता है कि उन्हें पहले से मौजूद कार्बन कैप्चर सिस्टम में फिर से लगाया जा सके।

एमटीआर, मेम्ब्रेन टेक्नोलॉजी एंड रिसर्च इंक. और ऑस्टिन में टेक्सास विश्वविद्यालय ने सीओ के लिए अवशोषण और झिल्ली दोनों का उपयोग करते हुए हाइब्रिड प्रक्रियाएं बनाने के लिए काम किया है।2 कब्जा। सबसे पहले, एक विलायक के रूप में पाइपरज़ीन का उपयोग करने वाला एक कार्बन डाइऑक्साइड स्क्रबर कॉलम ग्रिप गैस में लगभग आधे कार्बन डाइऑक्साइड को अवशोषित करता है, फिर एक झिल्ली के उपयोग से 90% कैप्चर होता है। एक समानांतर सेटअप भी है, जिसमें झिल्ली और अवशोषण प्रक्रियाएं एक साथ होती हैं। आम तौर पर, ये प्रक्रियाएं सबसे प्रभावी होती हैं जब कार्बन डाइऑक्साइड की उच्चतम सामग्री अमीन अवशोषण कॉलम में प्रवेश करती है। हाइब्रिड डिज़ाइन प्रक्रियाओं को शामिल करने से जीवाश्म ईंधन बिजली संयंत्रों में रेट्रोफिटिंग की अनुमति मिलती है।

हाइब्रिड प्रक्रियाएं वायु पृथक्करण और झिल्लियों का भी उपयोग कर सकती हैं। उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन और कार्बन डाईऑक्साइड  को पहले क्रायोजेनिक गैस पृथक्करण का उपयोग करके अलग किया जा सकता है, जिससे अधिकांश कार्बन डाइऑक्साइड पहले बाहर निकल जाता है, फिर शेष कार्बन डाइऑक्साइड को अलग करने के लिए एक झिल्ली प्रक्रिया का उपयोग किया जाता है, जिसके बाद इसे क्रायोजेनिक पृथक्करण के आगे के प्रयासों के लिए पुनर्नवीनीकरण किया जाता है।

लागत विश्लेषण
लागत एक झिल्ली कार्बन डाइऑक्साइड | CO में दबाव अनुपात को सीमित करती है25 के मान पर पृथक्करण चरण; उच्च दबाव अनुपात CO के लिए किसी भी आर्थिक व्यवहार्यता को समाप्त कर देता है2 झिल्ली प्रक्रियाओं का उपयोग करके कैप्चर करें। हाल के अध्ययनों से पता चला है कि मल्टी-स्टेज CO2 झिल्लियों का उपयोग करके कैप्चर/पृथक्करण प्रक्रियाएं पुरानी और अधिक सामान्य प्रौद्योगिकियों जैसे कि एमाइन-आधारित कार्बन डाइऑक्साइड स्क्रबर के साथ आर्थिक रूप से प्रतिस्पर्धी हो सकती हैं। वर्तमान में, झिल्ली और एमाइन-आधारित दोनों अवशोषण प्रक्रियाओं को 90% CO उत्पन्न करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है2 कब्जा दर. औसतन 600 मेगावाट कोयला आधारित बिजली संयंत्र में कार्बन कैप्चर और भंडारण के लिए, CO की लागत2 अमीन-आधारित अवशोषण का उपयोग करके कैप्चर करना $40-100 प्रति टन CO में है2 रेंज, जबकि CO की लागत2 वर्तमान झिल्ली प्रौद्योगिकी (वर्तमान प्रक्रिया डिजाइन योजनाओं सहित) का उपयोग करके कैप्चर करना लगभग $23 प्रति टन CO है2. इसके अतिरिक्त, औसतन 600 मेगावाट कोयला आधारित बिजली संयंत्र में अमीन-आधारित अवशोषण प्रक्रिया चलाने से बिजली संयंत्र द्वारा उत्पन्न ऊर्जा का लगभग 30% खर्च होता है, जबकि झिल्ली प्रक्रिया चलाने के लिए उत्पन्न ऊर्जा का लगभग 16% खर्च होता है। सीओ2 परिवहन (उदाहरण के लिए कार्बन कैप्चर और भंडारण स्थलों तक, या उन्नत तेल पुनर्प्राप्ति के लिए उपयोग किया जाने वाला) की लागत लगभग 2-5 डॉलर प्रति टन CO है2. यह लागत सभी प्रकार के CO के लिए समान है2 झिल्ली पृथक्करण और अवशोषण जैसी कैप्चर/पृथक्करण प्रक्रियाएं। कैप्चर किए गए CO के प्रति टन डॉलर के संदर्भ में2इस समय अध्ययन की जा रही सबसे कम खर्चीली झिल्ली प्रक्रियाएं मल्टी-स्टेप प्रतिधारा विनिमय|काउंटर-करंट फ्लो/स्वीप प्रक्रियाएं हैं।

संदर्भ


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