Membrana, jako selektywna przegroda umożliwiająca transport wybranej substancji z jednej strony na drugą, w przypadku separacji gazów może odgrywać dwie role. Rozdzielanie gazów może odbywać się albo bezpośrednio na jej materiale, albo może być ona jedynie kontaktorem dla cieczy odbierającej gaz. Technologia membranowego rozdzielania gazów znajduje zastosowanie w oczyszczaniu gazu ziemnego odprowadzanego do atmosfery, głównie z zanieczyszczeń takich jak dwutlenek węgla, kwas siarkowodorowy oraz inne gazy o odczynie kwasowym.

Membrany polimerowe

Ze względu na wykorzystanie do rozdzielania gazów polimerowych membran nieporowatych (o litej strukturze), ich transport opiera się na mechanizmie rozpuszczania/dyfuzji. Składnik gazowy dociera do powierzchni membrany, rozpuszcza się w jej materiale i następnie dyfunduje na drugą stronę. Wykorzystuje się zatem materiały, które mają różne powinowactwo do rozdzielanych gazów, w taki sposób, aby rozpuszczanie i dyfuzja zachodziły szybko tylko dla jednego ze składników mieszaniny.

Membrany wykonane z octanu celulozy po raz pierwszy wykorzystane zostały w połowie lat 80. ubiegłego wieku do oczyszczania gazu ziemnego z dwutlenku węgla. Stanowią niemal 80% rynku membranowego w przetwórstwie metanu. Są ekonomicznie opłacalne w przypadku, gdy dwutlenek węgla stanowi od 10% do 20% całej mieszaniny gazowej. Kluczowym parametrem jest stopień acetylacji, czyli zastąpienia grup hydroksylowych w jednostce powtarzającej glukozydu grupami acetylowymi. Różnica wielkości pomiędzy grupami hydroksylowymi i acetylowymi zmniejsza efektywność upakowania łańcucha i poprawia jego elastyczność oraz mobilność, ze względu na zmniejszenie międzycząsteczkowego wiązania wodorowego pomiędzy łańcuchami. Dzięki temu zwiększona jest przepuszczalność gazu przez membranę, przy stosunkowo niskiej zmianie selektywności. Jedną ze znaczących wad membran z octanu celulozy jest natomiast tendencja do szybkiego uplastyczniania polimeru pod wpływem dużej ilości dwutlenku węgla lub ciężkich związków węglowodorowych w strumieniu zasilającym. Może to spowodować znaczne pogorszenie zdolności separacyjnych membrany.

Poliimidy również są grupą polimerów, z których wykonuje się membrany do separacji gazów. Charakteryzują się podobną, co membrany z octanu celulozy, stabilnością chemiczną i termiczną, wykazując przy tym większą selektywność. Membrany poliimidowe nie są jednak tak szeroko i powszechnie stosowane w przemyśle. Wynika to z większych strat oczyszczanego metanu niż w przypadku stosowania membran z octanu celulozy, a zatem – mniejszej opłacalności procesu. Dodatkowo poliimidy również są podatne na uplastycznienie. Aby stosować membrany wykonane z tych polimerów, należy więc dobrać odpowiednie dodatki i modyfikacje, które są opracowywane przez naukowców. Przykładowo już niewielki dodatek polisulfonu do membrany komercyjnej Matrimid umożliwił znaczne podwyższenie ciśnienia strumienia wlotowego, bez ryzyka jej uplastycznienia.

Membrany wspomagane cieczą jonową (SILM)

Gazy charakteryzują się większymi współczynnikami dyfuzji w cieczach, co powoduje również zwiększenie wydajności procesu membranowego. Z tego względu opracowane zostały porowate membrany polimerowe, w których do porów wtłaczana jest ciecz o odpowiedniej selektywności względem dwutlenku węgla. Dużą rolę w tej technologii odgrywają ciecze jonowe, które charakteryzują się bardzo niską lotnością, palnością oraz dużą stabilnością termiczną. Należą do nich anionowe związki organiczne, np. tetrafluoroboran 1-etylo-3-metyloimidazoliowy. Często jednak wyzwanie stanowi utrzymanie odpowiednio dużej stabilności cieczy jonowych, która gwałtownie maleje ze wzrostem ciśnienia gazu wlotowego. Kluczowe jest dobranie odpowiedniej porowatości membran, powinowactwa podłoża membranowego do wody oraz ciśnienia. Jednym ze sposobów na zapobieganie utracenia stabilności układu jest włączenie odpowiedniej cieczy jonowej do matrycy polimerowej, z której będzie wykonana membrana.