Permeation Behavior of Olefin/Nitrogen Gases through Siloxane based Polymeric Membranes

For the olefin recovery from polyolefin off-gas, the permeation behaviors of olefins and nitrogen were investigated through three kinds of PDMS membranes - cross-linked PDMS membranes, a polysiloxaneimide membrane, and oligo-PDMS modified PDMS membranes. Their pure gas permeabilities were measured as a function of operation temperature(-20 to $50^{\circ}C$) and pressure(1 to 25 atm) with ethylene($C_2\;H_4$), propylene($C_3\;H_6$), butylene($C_4\;H_8$), and nitrogen($N_2$) gases. The permeabilities of olefins and nitrogen highly depended upon the nature of PDMS membranes. Among these membranes, cross-linked PDMS membranes showed stable and high olefin/nitrogen selectivities over a wide operation pressure range and further study in various test conditions. Their permeability of olefin and nitrogen were governed by the condensation temperature(solubility selectivity) and plasticization, not the order of the size(diffusivity selectivity) of gases, which matched well with the general permeation behavior of rubbery polymeric membranes for condensable and non-condensable gases. With increasing feed pressure or decreasing feed temperature, the permeabilities of more condensible olefins increase highly, presumably due to high solubility and plasticization, but that of non-condensible nitrogen decreases slightly and thus, the selectivities of olefin/nitrogen increase highly.

실록산계 고분자 막을 통한 올레핀/질소 기체 투과 거동

폴리올레핀 산업에서 발생되는 올레핀 함유 배 가스(off-gas)에서 올레핀만을 선택적으로 분리하기 위해, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane)계열의 막 소재들에 대한 올레핀과 질소의 투과특성을 연구하였다. 막 소재로는 가교 형태의 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, 이하 PDMS라 칭함)막, 폴리실록산이미드(Polysiloxaneimide, 이하 PSI라 칭함)막, 아크릴변성 Oligo-PDMS가 부가된 Oligo-PDMS막들을 대상으로 공급기체의 온도($-20{\sim}50^{\circ}C$)와 압력(1∼25 atm)을 변화시키면서 에틸렌($C_2H_4$), 프로필렌($C_3H_6$), 부틸렌($C_4H_8$), 질소($N_2$) 기체의 단일투과특성을 조사하였다. 실험결과, 사용되는 막소재의 특징에 따라 다양한 투과특성을 보였다. 세 가지 막소재중에서 PDMS막이 가장 넓은 사용압력범위에서 높은 에틸렌투과도 및 에틸렌/질소의 분리특성을 보였으며 이 막을 대상으로 여러 투과조건에서 투과특성을 연구하였다. 선택된 가교 PDMS막을 통한 올레핀, 질소 기체들의 투과도는 투과기체의 분자크기(확산도 선택성)보다, 투과기체의 응축온도(용해도 선택성)에 좌우되는 경향을 보였다. 공급기체의 온도가 감소하거나 압력이 증가할 때, 응축성 기체인 올레핀 기체의 투과도는 증가하고, 비응축성 기체인 질소는 감소하는 특징을 보였으며 이에 따라 올레핀/질소의 선택도가 크게 증가하는 특징을 보였다. 이러한 결과들은 고무상 고분자막에서 보여지는 응축성, 비응축성 기체들의 전형적인 투과특성을 보여준다.