Air separation characteristics with liquid crystalline alkyl cellulose blend thin‐film composite membranes

Abstract

Composite membranes were made of liquid crystalline triheptyl cellulose (THC)/ethyl cellulose (EC) blends as dense thin films and poly(ether sulfone) (PES) or polysulfone (PSF) as porous support layer. The effects of the composite membrane composition and operating conditions on the air separation characteristics of oxygenenriched air (OEA) permeating through the membranes were studied using a constant pressure-variable volume method. The flux (OEA) through the membranes decreases slightly and the oxygen concentration in the OEA permeated increases with increasing THC content in the thin film from 4 to 15 wt.-%. The OEA flux increases significantly with decreasing thin-film thickness or increasing operating temperature and transmembrane pressure difference. The oxygen concentration in the OEA increases with increasing the thin-film thickness or the pressure difference but decreases slightly with increasing the operating temperature. There is no regular variation in the air separation properties by changing the support from PES to PSF. In long-term tests, the air separation properties remained almost constant for as long as 800 h. An OEA flux of 1.0–1.9·10-3 cm3 (STP)/s·cm2 containing 34.8–39.4 vol.-% oxygen can be attained at 30–55°C and 0.41–0.49 MPa pressure difference in a single pass through the membranes. The OEA flux is much higher for the thin-film composite membranes than for the homogeneous dense membranes made of the same materials. Aus dunnen, dichten Filmen von Blends aus flussigkristalliner Triheptylcellulose (THC) mit Ethylcellulose (EC) und porosen Tragerschichten aus Poly(ethersulfon) (PES) oder Polysulfon (PSF) wurden Verbundmembranen hergestellt. Die Auswirkungen der Membranzusammensetzung und der Betriebsbedingungen auf die Trenneigenschaften der Membranen beim Durchtritt von mit Sauerstoff angereicherter Luft (OEA) wurden mit einer Methode, die bei konstantem Druck und variablem Volumen arbeitet, untersucht. Die Trenneigenschften der Membranen erwiesen sich in Langzeitversuchen bis 800 Stunden als konstant und zeigten beim Wechsel zwischen PES- und PSF-Tragerschichten keine charakteristische Veranderung. Bei einem einmaligen Membrandurchtritt mit Durchflusraten von 1,0·10−3 bis 1,9·10−3 cm3 (STP)/s·cm2 bei Temperaturen von 30 bis 55°C und Druckdifferenzen von 0,41 bis 0,45 MPa wurden Sauerstoffanreicherungen zwischen 34,8 und 39,4 Vol.-% erreicht. Der OEA-Flus durch die hergestellten Dunnfilm-Verbundmembranen ist sehr vie1 hoher als durch homogene Membranen aus den gleichen Materialien.