Optimisation of the pervaporation separation of isopropanol-water mixture using novel pervaporation membranes based on sodium alginate/fullerenol composites

Abstract

В рамках данной работы с целью оптимизации процесса первапорационной дегидратации изопропанола были разработаны новые диффузионные и композиционные мембраны на основе альгината натрия (АН), модифицированного полигидроксилированным фуллереном (фуллеренолом). Были разработаны два типа мембран: без дополнительной обработки и сшитые с использованием сшивающего агента – хлорида кальция (CaCl2) с целью использования разработанных АН мембран для разделения смесей с высоким содержанием воды. Структура и физико-химические свойства разработанных мембран были изучены методами ИК-Фурье спектроскопии, сканирующей электронной (СЭМ) и атомно-силовой (АСМ) микроскопии и экспериментами по набуханию. Транспортные свойства мембран были оценены в первапорационном разделении вода/изопропанол смеси в широком концентрационном диапазоне. Разработанная сшитая композиционная мембрана с тонким селективным слоем на основе композита АН/фуллеренол (5 масс. %), нанесенным на подложку из полиакрилонитрила, продемонстрировала наилучшие транспортные свойства в первапорационной дегидратации изопропанола (12-90 масс. % воды) при 22°C: 0,64-2,89 кг/(м2ч) удельная производительность и 73326-26 фактор разделения. Также, удельная производительность данной мембраны в ~23 раза выше по сравнению с коммерческой мембраной PERVAP TM 1201 при первапорационном разделении азеотропной вода/изопропанол (12 масс. % воды) смеси при 22 °C при том же уровне селективности (73326 фактор разделения). Таким образом, разработанная сшитая композиционная мембрана является перспективной для промышленной дегидратации изопропанола благодаря высокой производительности и селективности.

Within the framework of this work, novel dense and supported membranes based on sodium alginate (SA) modified with polyhydroxylated fullerene (fullerenol) were developed to optimize the pervaporation dehydration of isopropanol. Two types of membranes were developed: without additional treatment and cross-linked using a cross-linking agent - calcium chloride (CaCl2) in order to use membranes for the separation of mixtures with a high water content. The structure and physicochemical properties of the developed membranes were studied by FTIR spectroscopy, scanning electron (SEM) and atomic force (AFM) microscopies, and swelling experiments. The transport properties of membranes were evaluated in the pervaporation separation of a water/isopropanol mixture over a wide concentration range. The developed cross-linked supported membrane with a thin selective layer based on the SA-fullerenol (5 wt. %) composite deposited on a polyacrylonitrile substrate demonstrated the best transport properties in the pervaporation dehydration of isopropanol (12-90 wt. % water) at 22 °C: 0.64-2.89 kg/(m2h) permeation flux and 73326-26 separation factor. Also, the permeation flux of this membrane was ~ 23 times higher at the same selectivity level (73326 separation factor) compared to the commercial PERVAPTM 1201 membrane in the pervaporation separation of azeotropic water/isopropanol (12 wt. % water) mixture at 22 °C. Thus, the developed cross-linked supported membrane is promising for the industrial dehydration of isopropanol due to its high productivity and selectivity.