19Фев

Повышенное газоотделение: Повышенное газообразование: причины, симптомы и лечение

Содержание

УЗИ диагностика — сделать ультразвуковую диагностику всех органов в Красноярске

Порою ритм современной жизни не дает нам время на долгую клиническую диагностику. С появлением же такого необходимого в медицине ультразвукового исследования, человечество сделало прорыв в диагностике заболеваний различной этиологии. На сегодняшний день УЗИ самый быстрый, безопасный и точный метод диагностики. Этот метод позволяет измерить орган, оценить его границы со всеми его мелкими деталями, а также увидеть структуру ткани и даже характер движения органа. На сегодняшний день сделать УЗИ практически любого органа нашего организма доступно каждому. Это безболезненный и возможно самый приятный вид исследования, как для врача, так и для пациента.

УЗИ диагностика популярна практически во всех областях медицины. Самое широкое распространение этот метод обследования получил в акушерстве и гинекологии. Доступный во всех отношениях метод исследования женской репродуктивной системы, позволяющий выявить многие гинекологические заболевания на ранней стадии развития.

Не менее востребовано ультразвуковое исследование в урологии, эндокринологии, травматологии и ортопедии, неврологии и конечно онкологии. Для хирургии метод УЗИ раскрыл больше возможностей, теперь врач может проводить сложные манипуляции не «вслепую», а под контролем УЗИ-аппарата: пункция молочной железы, пункция щитовидной железы.

Немаловажное значение в качестве проведения УЗИ имеет квалификация и опыт специалиста, а также оборудование, на котором проводится обследование. Сделать УЗИ в Красноярске у высококвалифицированных врачей на аппаратах экспертного класса можно в многопрофильных медицинских центрах «Медюнион». Врачебный состав медицинского центра имеет большой опыт в проведении всех видов ультразвуковых исследований. Наши доктора постоянно учатся, осваивают новые технологии, делятся опытом на конференциях и семинарах и, конечно же, применяют все свои знания на высоком уровне во врачебной практике. Способность увидеть полную картину, оценить ее и дать правильное заключение стоит во главе у специалистов нашей клиники. Мы ждем вас в наших центрах, где качество обслуживания и цены – приятно удивят.

  • УЗИ органов брюшной полости;
  • УЗИ щитовидной железы;
  • УЗИ органов малого таза;
  • УЗИ почек;
  • УЗИ мошонки;
  • УЗИ молочных желез;
  • УЗИ новорожденным;
  • УЗИ ЦДК И ДС сосудов шеи, нижних и верхних конечностей;
  • Нейросонография (НСГ).

Подготовка к обследованию:

УЗИ матки и придатков: при сохраненном менструальном цикле проводится на 5-9 ДМЦ, при отсутствии — в любой день менструального цикла. При себе необходимо иметь всю медицинскую документацию, относящуюся к зоне исследования, направление.

УЗИ молочных желез: при сохраненном менструальном цикле проводится на 5-9 ДМЦ, при отсутствии — в любой день менструального цикла. При себе необходимо иметь всю медицинскую документацию, относящуюся к зоне исследования, направление.

УЗИ простаты (трансректальное): За 1-2 дня до проведения обследования, необходимо избегать продуктов, провоцирующих повышенное газоотделение: капуста, дрожжевая и сладкая выпечка, макароны, фрукты. Нельзя употреблять газированную воду и напитки, категорически запрещен алкоголь, особенно накануне манипуляции; вечером накануне трансректального исследования нужно сделать очистительную клизму или растворить 1 пакет препарата Фортранс в 1 л воды и выпить; за 0,5-1 час до процедуры необходимо выпить около 1 литра негазированной воды или не мочиться 2-3 часа: для лучшей визуализации простаты мочевой пузырь должен быть полным. При себе иметь всю медицинскую документацию, направление.

УЗИ органов брюшной полости: Если запись в первой половине дня, то обследование проводится натощак (не пить не кушать). Если во второй за 6 часов не пить не кушать. При наличии газообразования можно принять препараты для его снижения.

Симптомы метеоризма

Дискомфортное вздутие в животе в современном мире преследует людей достаточно часто и виной тому плохая экология, несбалансированное питание, еда набегу, стрессовое состояние, в котором живет большая часть населения Земного шара. Симптомы метеоризма различны, но и он сам непосредственно может стать показателем одной из множества болезней, поражающих организм человека, в частности, органы пищеварительного тракта.

Симптомы метеоризма кишечника

Если человек начинает чувствовать повышенное выделение газов в кишечнике, сразу поднимать панику не стоит, ведь это может быть всего лишь ответ организма на плотный, сытный и жирный обед. Стоит потерпеть немного времени и все пройдет. Но если такой дискомфорт донимает болезненно часто, откладывать с походом к врачу не стоит. Симптомы метеоризма кишечника достаточно узнаваемы, их сложно перепутать. Такое нормативное отклонение показывает несколько репрезентативных особенностей и сопутствующих симптомов.

  • Урчание в кишечнике.
  • Боли в животе, зачастую, отдаваемые в подреберье. Они могут быть ноющими, схваткообразными или колющими.
  • Жидкий, порой водянистый, стул.
  • Или, наоборот, длительные запоры.
  • Чувство тяжести в желудке.
  • Повышенное газоотделение.
  • Тошнота, икота.
  • Чувство, что живот распирает изнутри.
  • Вздутый кишечник начинает давить на соседние органы, в том числе и на желудок. Такой прессинг может спровоцировать обратный заброс продуктов желудка в пищевод, что ощущается как отрыжка, изжога и появление кисловатого вкуса во рту. Это касается пациентов с язвенным анамнезом, сопровождающимся повышенной кислотностью желудочных секретов. В этой ситуации может появиться неприятный запах из ротовой полости.
  • Увеличиваясь в объемах, кишечник способен давить и на диафрагму. Этот фактор побуждает к появлению отдышки и тахикардии.
  • Стоит отметить, что при вздутии самого кишечника происходит рост давления в середине пищеварительного тракта. Такое отклонение приводит к натяжению одних участков кишки и спазмированию других. Признаком появления этого явления могут стать колики.
  • Отхождение газов приносит незначительное физическое облегчение, но является психологически не комфортным. Симптомы метеоризма кишечника, зачастую, ставят в неловкое положение, когда человек в общественном месте начинает издавать неприятные звуки и запахи, связанные с повышенной концентрацией аммиака и сероводорода в выходящих газах.
  • Частые проявления метеоризма способны снизить аппетит, привести к общей слабости организма.
  • Так как нервные окончания соединены в одну общую систему, покрывающую все тело человека, болевая симптоматика в области живота может спровоцировать ответ со стороны других систем и органов. Например, боль в животе способна вызвать ответную боль в районе сердца, сбои в его ритме, пульсирующую болевую симптоматику в голове. Это может быть связано со значительной патологией в системе кровообращения, а так же с нарушением функционирования обменных процессов.
  • Может появиться состояние беспокойства, ухудшения настроения, страх перед пищей.
  • Наблюдаются проблемы со сном.
  • Снижение двигательной активности, что приводит только к усугублению симптоматики.
  • Как следствие плохого аппетита, боязни постоянно проходящих флатусов (выбросов газа), может развиться анорексия.
  • На фоне психологического дискомфорта можно наблюдать проявления постоянного невротического возбуждения.

Если такая симптоматика появилась, необходимо проследить, какой фактор предшествует появлению метеоризма. Порой бывает достаточным откорректировать свой повседневный рацион и проблема исчезнет. Если этого не произошло, не лишним будет обращение к врачу и прохождение полного обследования.

Симптомы метеоризма у детей

Вздутие животика – это достаточно обыденная симптоматика у новорожденных деток. Данная патология может проявляться вследствие некоторых отклонений в структуре пищеварительного тракта маленького человечка. Появление газов вызывает у малыша беспокойство, симптомы метеоризма у детей можно увидеть даже визуально или ощутить при пальпации.

  • Животик малыша становится твердым и напоминает барабан.
  • Его распирает, и он увеличивается в объемах.
  • Данная симптоматика вызывает у грудничка беспокойство, которое проявляется плачем и повышенной нервозностью малыша.
  • Ребеночек может отказаться от еды или плохо кушать.
  • Он сучит ножками, периодически вздрагивая.
  • Может плохо, беспокойно спать.

Если приступы метеоризма наблюдаются преимущественно в вечернее время (продолжительность приступов до 20 минут), то быстрее всего малыш здоров и это связано с его еще не стабильной физиологией (например, заглатывание малышом воздуха во время приема пищи, неправильный подбор смеси или отклонение от инструкции при ее приготовлении – в случае искусственного вскармливания). Однако не стоит забывать, что вздутие кишечника у грудничков может быть связано с присутствующим в его организме заболеванием (например, дисбактериозом, воспалительными процессами в кишечнике). Поэтому о появлении данной симптоматики стоит поставить в известность педиатра. Доктор осмотрит малыша и, при необходимости, проведет исследование для установления причин, провоцирующих симптомы метеоризма, даст рекомендации по выходу из создавшейся ситуации.

У детей более старшей возрастной группы симптоматика метеоризма более приближена к проявлениям метеоризма у взрослой категории пациентов. Как ни странно это звучит, но метеоризм у детей, симптомы его проявления, наиболее часто встречаются у мальчиков, чем у девочек. Причиной вздутия в животе у детей дошкольного и школьного возраста, в большинстве случаев становиться нарушения режима сбалансированного питания, сбоев в пищеварительном процессе. Дети очень любят газированные напитки и продукцию фаст – фудов, что не делает их питание более здоровым. Постоянный контроль за тем, что ест ребенок, в большинстве случаев, позволяет откорректировать питание и убрать симптомы метеоризма. Но если дискомфорт появляется навязчиво часто, необходимо установить причину проявления, чтобы не пропустить более тяжелого заболевания.

В здоровом кишечнике обязательно присутствует незначительное количество газов – это норма. Такие небольшие объемы не причиняют человеку дискомфорта, но если количество вырабатываемых кишечником газов увеличивается, то можно уже говорить о проявлениях метеоризма.

Нормальный ребенок любознателен и эмоционален, он хочет все, и сейчас рассказать окружающим. Не останавливает его и прием пищи. Быстрое глотание плохо пережеванной еды, разговоры в процессе питания способствуют тому, что малыш вместе с пищей заглатывает и порции воздуха, которые впоследствии и вызывают метеоризм у детей, симптомы которого всем хорошо известны:

  • Чувство распирания изнутри в области животика.
  • Появление болевой симптоматики, локализацию которой достаточно тяжело определить.
  • Вследствие того, что детский пищеварительный тракт еще несовершенен, малыш растет и в этом процессе внутренние органы могут не успевать в размерах по параметрам увеличившейся костной ткани, кишечник ребенка местами может спазмировать, тогда как другие участки поддаются повышенному растягиванию. Такая дисгармония провоцирует появление колик, спазматических болей.
  • Организм малыша совершенствуется и развивается, но временная нехватка ферментных веществ, необходимых для нормализации метаболизма, допускает неполное переваривание поступившей пищи, что приводит к загниванию и брожению продуктов питания. Процесс брожения и происходит с выделением количества газов, превышающих физиологическую норму для кишечника человека. Газ пытается найти выход. Отсюда и получаем отрыжку, порой с изжогой и неприятным вкусом и запахом во рту, а так же наблюдается повышенный флатус.

Метеоризм, как симптом заболевания

Незначительное газоотделение, встречающееся от случая к случаю не должно вызывать каких – то страхов и паники. Это абсолютная норма в работе организма. Стоит только вспомнить, что человек ел накануне – это может быть ответ организма на жирную пищу. Повышенное выделение неприятного газа способна спровоцировать стрессовая ситуация, но положение дел может иметь и более серьезные корни, так как реально рассматривать метеоризм, как симптом заболевания более глубокой и тяжелой патологии. Список заболеваний, симптомом которого является метеоризм, достаточно обширен, и диагностировать болезнь только по одному признаку не удастся. Поэтому, чтобы получить полную картину заболевания, доктор изучает сопутствующую симптоматику и результаты проведенного обследования, только после этого можно говорить о правильной постановке диагноза.

Можно видеть метеоризм, как симптом заболевания при такой патологии:

  • Дисбактериоз – количественное нарушение бактериального равновесия в кишечнике между эробными и анаэробными микроорганизмами.
  • Воспалительные процессы, протекающие в пищеварительном тракте:
    • Колиты (воспалительный процесс в толстом кишечнике) и энтероколиты (воспаление слизистой оболочки одновременно тонкого и толстого кишечника).
    • В зависимости от показателя кислотности, хронические или острые гастриты (патология желудка).
    • Язвенное поражение органов пищеварительного тракта.
    • Панкреатиты – воспаление, локализованное в поджелудочной железе.
    • Инфекционное поражение слизистой и связанные с этим патологии.
  • Физиологическая невозможность прохождения каловых масс к заднему проходу (кишечная непроходимость).
  • Гельминтоз – паразитарное заболевание, вызванное паразитическими червями.
  • Синдром раздраженного кишечника (СРК) — устойчивая совокупность функциональных расстройств относительно длительного срока проявления.
  • Дефект строения зубов, неба и носа.
  • Непереносимость организма к некоторым продуктам питания, нехватка в организме ферментов для их расщепления.
  • Такую симптоматику может дать и цирроз печени. Сопутствующими проявлениями, преимущественно, являются: тяжесть в желудке, тупая или спазматическая боль в правом подреберье. Рецепторы языка могут ощущать горечь, особенно по утрам. Наблюдается постепенная интоксикация всего организма.
  • Повышенное выделение газов может быть следствием проведенного хирургического вмешательства на одном или нескольких органах пищеварительного тракта.
  • Причиной метеоризма способны стать различные неврозы, вызванные стрессами.
  • Длительные спазмы кишечника.
  • Физиологические изменения, протекающие в организме беременной женщины тоже способны спровоцировать симптомы метеоризма. Особенно это касается третьего триместра беременности: матка с плодом растет и начинает давить на близь лежащие органы, что ограничивает беспрепятственное выведение из организма будущей мамы газов и наблюдается разбухание геморроидальных узлов, тугой стул.
  • Протозойные инфекции – поражение организма человека паразитическими простейшими микроорганизмами.
  • Болезнь Крона – патология хронического характера, выражающаяся в протекающем воспалительном процессе, поражающем весь желудочно-кишечный тракт: от ротовой полости до анального отверстия.

Исходя из вышесказанного, необходимо понять, что если откорректированное питание не позволило избавиться от симптома метеоризма, без похода к доктору не обойтись. Ведь только он способен по симптоматике назначить необходимые исследования, проанализировав все, определиться с диагнозом и назначить эффективное лечение.

Ощущение, что ты с пищей проглотил и воздушный шарик знакомо, пожалуй, каждому человеку. Наш техногенный мир предполагает достаточно активный жизненный ритм, в который вклинить нормальное, спокойное питание не всегда получается. Но симптомы метеоризма – это не только физиологическая проблема пациента. Появление его признаков угнетает и психологически. Поэтому, чтобы не чувствовать себя некомфортно и не краснеть в кругу других людей, необходимо тщательно следить что человек ест и как он это делает. Если нормализации режима питания не удалось убрать неприятную симптоматику, необходимо незамедлительно обратиться за консультацией к терапевту, который, при необходимости, перенаправит пациента к более узкому специалисту, например, гастроэнтерологу. Не стоит заниматься самолечением, чтобы не потерять драгоценное время и не усугубить ситуацию. Только специалист способен поставит правильный диагноз, и назначить адекватную терапию.

Все новости Предыдущая Следующая

А нужен ли автомобильной батарее заряд под повышенным напряжением?

Одна из наиболее ответственных процедур, которую многие автовладельцы периодически проделывают с аккумулятором, — это его заряд. Между тем, по поводу того, как и какими приборами надо восполнять емкость стартерной батареи (АКБ), в интернете постоянно идут споры…

Очевидно, что речь прежде всего идет о 12-вольтовых аккумуляторах. В настоящее время их используют практически во всех современных легковушках, кроссоверах, внедорожниках, а также в микроавтобусах и малотоннажных грузовиках. Для заряда таких АКБ применяют либо автоматические зарядные устройства (ЗУ), либо приборы с предварительной установкой тока или напряжения. Как раз в отношении последних часто встает вопрос о том, какое максимальное напряжение надо выставлять при заряде стартерных батарей.

Например, одни владельцы машин утверждают, что напряжение заряда не должно превышать величину 14,4 В. Другие говорят, что его оптимальное значение может достигать 14,8–15 В. Ну а самые «продвинутые» водители считают, что и этого мало, а потому заряжать АКБ надо при напряжении не менее 16 В. При этом они ссылаются на некоторые модификации ЗУ с режимом 16-вольтового заряда, появившихся на рынке за последнее время.

Как видим, мнения пользователей по «зарядной» проблематике разнятся. Тогда как у самих производителей АКБ на этот счет давно выработаны вполне определенные рекомендации. Взять, к примеру, компанию TAB (Словения), одного из ведущих европейских производителей автомобильных батарей. Напомним, что эта фирма ежегодно поставляет в нашу страну несколько сот тысяч АКБ, среди которых особое место занимают популярные батареи одноименного бренда TAB, а также аккумуляторы марки Topla.

На основе кальция

Отметим, что основная масса поставляемых к нам словенских батарей — это так называемые кальциевые (Ca/Ca) источники тока. Они имеют ряд преимуществ в сравнении с обычными АКБ, в числе которых крайне малая степень саморазряда, низкий уровень электролиза воды, высокая антикоррозионная стойкость пластин, большие пусковые токи, способность выдерживать большое количество циклов заряда/разряда. Неудивительно, что, благодаря этим качествам, значительная доля кальциевых АКБ, включая батареи TAB и Topla, сегодня выпускается в необслуживаемом варианте (с символами SMF).

Особенность необслуживаемых стартерных аккумуляторов заключается в том, что они оснащены герметичной лабиринтной крышкой с системой возврата конденсата. Поэтому при эксплуатации и, что важно, при заряде они не требуют проверки плотности электролита или долива воды.

А вот у обслуживаемой батареи перед зарядом нужно вывинчивать пробку из каждой банки (фото выше). Это необходимо для контроля плотности и объема электролита и является обязательным требованием безопасности при обслуживании таких АКБ.

Как и чем лучше заряжать АКБ

К слову, требования безопасности при заряде АКБ всегда должны стоять на первом месте. Поскольку эта процедура представляет собой электрохимический процесс, сопровождающийся выделением газов, то, по правилам, она должна проводиться в хорошо проветриваемом, причем пожаробезопасном помещении. И обязательно при плюсовой (желательно в диапазоне 20–25 градусов) температуре. Только в этом случае будут обеспечиваться оптимальные условия для качественного заряда батареи и эффективного восполнения ее емкости.

Заряжать стартерные АКБ удобнее автоматическими зарядными устройствами

Вернемся к вопросу о том, какими приборами следует заряжать автомобильные аккумуляторы. Очевидно, что проще всего эта процедура выполняется с помощью автоматического ЗУ. Несомненное удобство большинства таких приборов в том, что они сами обеспечивают оптимальный режим заряда и автоматически меняют напряжение и ток в зависимости от степени заряженности батареи. Кстати, максимальное напряжение, которое выдают такие аппараты, не превышает 14,8–15 В, что также обусловлено требованиями безопасности.

Рекомендованные параметры

Отдельно стоит сказать о применении полуавтоматических «зарядок», имеющих режимы предустановки зарядного тока и напряжения. Напомним, что на таких ЗУ вручную должны выставляться те значения параметров, которые рекомендованы производителем АКБ. Это необходимо для обеспечения оптимального алгоритма заряда. Так, например, для большинства стартерных батарей Topla и TAB максимальное значение зарядного напряжения не должно превышать 14,8 В, а максимальное значение зарядного тока — одной десятой емкости батареи, указанной на ее этикетке. То есть, если емкость АКБ равна 65 А*ч, то максимальный ток заряда должен быть выставлен на значение 6,5 ампер.

Отметим, что стартерный аккумулятор считается полностью заряженным, если напряжение на его клеммах составляет не менее 12,8 В (фото выше). Важный момент: контролировать напряжение нужно не менее чем через 8–12 часов после отключения АКБ от зарядного устройства.

Теперь что касается 16-вольтового напряжения, о котором упоминалось выше. Его иногда применяют в сервис-центрах при восстановлении АКБ. Но лишь в строго определенных случаях и только как дополнение к основному заряду (читай выше) для некоторых типов аккумуляторов. Самостоятельно делать подобный «дозаряд» не рекомендуется, особенно для необслуживаемых батарей. Ведь в аккумуляторе, находящемся под напряжением свыше 16 В, идет более интенсивное газовыделение, которое визуально проконтролировать в герметичных SMF—аккумуляторах попросту невозможно.

А нужен ли автомобильной батарее заряд под повышенным напряжением?

Одна из наиболее ответственных процедур, которую многие автовладельцы периодически проделывают с аккумулятором, — это его заряд. Между тем, по поводу того, как и какими приборами надо восполнять емкость стартерной батареи (АКБ), в интернете постоянно идут споры…

А нужен ли автомобильной батарее заряд под повышенным напряжением?

Экстренные случаи для обращения к врачу / Блог / Клиника ЭКСПЕРТ

В настоящее время, в связи со складывающейся эпидемиологической ситуацией в мире, ограничении плановых посещений учреждений, включая медицинские, у многих пациентов возникает вопрос, куда, когда и с какими симптомами обращаться. Во избежание растерянности, страха и даже паники, мы решили акцентировать внимание на те основные симптомы – симптомы «тревоги», которые являются показанием для обращения к врачу в любой жизненной ситуации.

Итак, рассмотрим некоторые:
1. Симптом – боль.
• Головная боль – стойкая, выраженная, резко или впервые возникшая, нестерпимая, не снимающаяся привычными обезболивающими требует обязательного обращения к врачу-терапевту или неврологу, т.к. эта симптоматика может быть признаком органических заболеваний головного мозга (инсульт, опухоль, аневризма). Кроме того, стойкая боль, особенно на фоне стресса, может быть обусловлена повышением артериального давления и своевременная терапия гипертонической болезни не только устранит столь неприятный симптом, но и позволит предотвратить ряд жизнеугрожающих осложнений.
• Боль по передней поверхности грудной клетке (за грудиной)– внезапная, впервые возникшая, длящая более 15 мин, с распространением в левую половину тела требует экстренной госпитализации (подозрение на инфаркт).
• Боль в грудной клетке, по ходу ребер, по ходу позвоночника, связанная с движениями, наклонами туловища может быть обусловлена межреберной невралгией или остеохондрозом, что требует консультации невролога.
• Боль в животе – в случае возникновения боли впервые, сохраняющейся более суток или изменения характера, длительности, интенсивности привычной боли требует обязательного обращения к врачу с целью исключения не только острой хирургической патологии, но и обострения (при наличии) хронического заболевания желудочно-кишечного тракта или даже патологии сердца!
• Боль в правом подреберье или чувство тяжести может свидетельствовать о наличии серьезных нарушениях функции желчного пузыря, вплоть до желчнокаменной болезни, которая на ранних стадиях может быть пролечена без операции.
2. Синдром – желудочная диспепсия (изжога, отрыжка, тошнота и рвота, тяжесть в верхних отделах живота, горечь во рту, чувство раннего насыщения, ком в горле, затруднение глотания) – при регулярном появлении, стойком сохранении, а также – при отсутствии ответа на симптоматическое лечение требует визита к гастроэнтерологу (рефлюксная болезнь, гастрит, язва, панкреатит, рак).
3. Синдром – кишечная диспепсия (вздутие живота, распирание, повышенное газоотделение, стойкое нарушение стула или чередование запоров и поносов) при длительном течении требует исключения в первую очередь органической патологии кишечника (колит, энтерит, рак, наследственные заболевания кишечника).
4. Симптом – нарушение мочеиспускания (просто частое, частое ночное, болезненное, учащенное, уменьшение объема мочи, изменение цвета, наличие примесей) – требует консультации терапевта или уролога, а в ряде случаев – врача-нефролога, так как пренебрежение данной клинической картиной может привести к тяжелым последствиям, вплоть до инвалидизации.
Мы всегда готовы прийти на помощь. Это наше предназначение!

Проблема флатуленции в пожилом и старческом возрасте Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

УДК 612.67

DOI: 10.26347/1607-2499201801-02053-056

ПРОБЛЕМА ФЛАТУЛЕНЦИИ В ПОЖИЛОМ И СТАРЧЕСКОМ ВОЗРАСТЕ

Проблема флатуленции обостряется с увеличением возраста и имеет не только медицинский, но социальный характер. Обсуждены вопросы классификации, причины патологии, методы и средства, способные оказать влияние на течение процесса.

Ключевые слова: флатуленция, классификационный подход, профилактика и лечение Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов

Ю.В. Конев’, Л.Б. Лазебник’, Л.И Ефремов2

1 ФГБОУ ВО Московский государственный медико-стоматологический университет

им. А.И. Евдокимова Минздрава России

2 ГБУЗ Московский клинический научно-практический центр ДЗ, Россия

THE PROBLEM OF FLATULENCE IN ELDERLY AND SENILE AGE

The problem of flatulence tapers off with increasing age and is not only medical but also social in nature. Discussing the classification, causes, methods and tools makes it possible to influence the process.

Key words: flatulence, classification approach, prevention and treatment drug Authors declare lack of the possible conflicts of interests

Y.V. Konev’, L.B. Lazebnik’ L.I. Efremov2

Moscow State University of Medicine and Dentistry named after A.I. Evdokimov, Russia

2

GBUZMoscow Clinical Research Center of Moscow City Health Department, Russia

В медицинской научной литературе практически полностью отсутствует информация по проблеме выхода газов из кишечника.

Процесс испускания газов называется флату-ленцией. Флатуленция это естественная реакция организма. Можно с уверенностью констатировать, что 99,9% населения нашей планеты выпускают газы. Лица старших возрастных групп выпускают газы чаще, что связано с возрастными изменениями в работе желудочно-кишечного тракта. Около 20 флатуленций за сутки, как правило, отмечается у человека независимо от пола и, как правило, этот процесс связан с актом дефекации и не вызывает психологических затруднений. Однако очень часто повышенное газообразование в животе возникает совершенно неуместно.

В пожилом и старческом возрасте у значительного числа пациентов серьезные неудобства вызывает обильное выделением большого количества пищеварительных газов — флатус. Частые явления флатуса могут вызывать не только чувство дискомфорта, но и стать причиной социальных конфликтов, напряженных отношений на работе, в быту и даже является причиной семейных конфликтов. Это послужило причиной формирования целого научного направления, занимаю-

щегося изучением процесса испускания кишечных газов, — флатологии. И несмотря на то что не только пациенты, но и значительная часть врачей относятся к предмету изучения флатологии не очень серьезно, в последнее время этой сравнительно молодой науке удалось значительно продвинуться вперед. По сути это область гастроэнтерологии, которая не привлекала должного внимания к столь щекотливому предмету и взялась его классифицировать.

Вот несколько вариантов классификации фла-туленции.

По длительности: чаще всего длительность звучания газа составляет всего от половины до 2 с, что является нормой. Непродолжительное испускание чаще всего бывает незвучным, продолжительное связано, как правило, с употреблением продуктов, способствующих повышенному газообразованию.

По степени громкости:

— слабый или почти беззвучный — очень слабый, протекающий практически незаметно;

— звучный — звук во время всего акта испускания;

— очень громкий — может напугать окружающих.

По тональности звука:

— низкий, или басовый — свойственен лицам старших возрастных групп;

— обычный — распространен наиболее широко;

— высокий — как правило, короткий выхлоп, встречается редко.

По частоте:

— одиночный — однократный, хорошо различимый;

— многократный — больше одного флатуса. Можно разделить, на длинные и сверхдлинные. В некоторых странах проводятся соревнования по музыкальной характеристике испускания газов.

По степени влияния на обонятельные рецепторы:

— пустой — без запаха;

— кратковременный — запах продолжается несколько секунд;

— устойчивый — запах продолжается длительный промежуток времени.

По вкусу аромата:

— сладковатый — из-за чрезмерного употребления бобовых;

— прокисший — употребление маринадов и продуктов квашения;

— с примесью горечи — из-за нарушения метаболизма.

По интенсивности и резкости запаха:

— спокойный — слабо заметен для окружающих и не вызывает отрицательных эмоций;

— резкий — раздражающий, неприятный;

— чрезмерно резкий — неприятен самому пациенту;

— смрадный — отвратительный.

По совокупности:

— взаимосвязанный — при одновременном чи-ханьи (реже икании).о; — поднятие вверх, вздутие) — чрезмерное образование газов в кишечнике, сопровождающееся вспучиванием живота, испусканием газов, болью в животе, как правило, отрыжкой, икотой, чувством

тяжести, распирания в животе, приступами схваткообразной боли, исчезающей после отхождения газов.

На протяжении суток в организме образуется от 2 до 18 л газов, большинство всасывается через кишечную стенку постоянно, этот процесс осуществляется незаметно для человека. Постоянно в организме находится до 1 л газовой смеси, существенная доля которой произвольно или непроизвольно испускается наружу. За сутки объем газа, выпускаемого наружу, колеблется в зависимости от употребляемой пищи — от 150 мл до 2-2,5 л. Причина этого — рафинированное питание, отсутствие достаточных нагрузок в жизни человека — так называемый сидячий образ жизни, приводящий к замедлению функциональной активности кишечника и повышенному газообразованию. Однако, если придерживаться рационального питания и поддерживать на должном уровне функциональное состояние кишечника, газообразование не бывает чрезмерным и объем газа бывает невелик и не сопровождается неприятным запахом.

Структура испускаемого газа зависит от количественного и качественного состава потребляемых продуктов, степени выраженности нарушений микробиоценоза кишечника и ряда иных факторов, таких как средовые и климатические. В состав флатуса входят, как правило, следующие газы: азот, кислород, углекислый газ, водород, метан, сероводород в различной пропорции.

Неприятный запах газа определяется содержанием сероводорода, индола, скатола в просвете кишечника, образовавшихся под воздействием микробной флоры.

Наличие резкого запаха, который часто почти не воспринимается самим пациентом, отрицательно влияет на его социальный статус.

Высокий уровень испускаемого газа, как правило, свидетельствует о дисфункции пищеварительной системы. Прежде всего это выражается в нарушениях в пристеночном пищеварении, причина которых — повышенное пенообразование, так как мелкопузырчатая структура пены, покрытой густым слизистым секретом, выстилает все крипты и ворсинки кишечника. Эти процессы замедляют всасывание кишечных газов и питательных веществ, значительно понижают активность ферментов. А в старших возрастных группах в результате возрастных изменений нарастает снижение активности ферментативных систем, при-

водящих к развитию диспепсий, как правило, транзиторного характера. Вследствие этого в толстой кишке накапливаются непереваренные остатки пищевых продуктов, активирующих брожение и гниение, провоцирующих высокий уровень газообразования. Нарушения ферментной системы у лиц старших возрастных групп возникают при несбалансированном питании в зимний период времени, когда рацион состоит преимущественно из рафинированных продуктов.

Усиленное выделение газов может быть при различных воспалительных заболеваниях желудка и кишечника (гастрит или дуоденит, панкреатит, холецистит, желчнокаменная болезнь, гепатит).

Иногда у лиц старших возрастных групп провоцируют чрезмерное газообразование применяемый для лечения запора препарат на основе оригинальной лактулозы дюфалак, а также некоторые продукты питания, регулярно используемые человеком, сами по себе могут послужить причиной образования повышенного количества газов в кишечнике (зелень, бобовые, овощи и фрукты). Углеводистая и белковая пища не всегда полностью усваивается слизистой оболочкой кишки. Газированные напитки с повышенным содержанием газа провоцируют усиленное газообразование.

В пожилом и старческом возрасте нередко причиной увеличенного образования газов в кишечнике является нарушение функции автономных ганглиев кишечника, регулирующих нормальную моторику кишечника. Не секрет, что основной причиной нарушения функции автономных ганглиев кишечника является нарушение толерантности к глюкозе, возрастающей с увеличением возраста. Избыток газов, накапливающийся в кишечнике, провоцирует болевой синдром.

Психосоматические расстройства, имеющие широкое распространение в пожилом и старческом возрасте, часто являются причиной усиленного газообразования. Депрессивные расстройства, эмоциональные нагрузки, ранее привычные, но ставшие чрезмерными в связи с увеличением возраста и замедляющие перистальтику, нередко сопровождаются повышенным газообразованием и болевым синдромом.

Избыточное заглатывание воздуха вследствие торопливости при еде или ведение разговоров и переговоров на протяжении приема пищи, куре-

ние и жевательная резинка могут увеличить газообразование, способствуя прогрессированию метеоризма и флатуленции.

Высотный метеоризм обусловлен расширением газа в желудке и кишечнике вследствие резкого снижения атмосферного давления, с выраженным болевым синдромом

Для диагностического поиска при флатулен-ции не требуются сложные исследования, иногда достаточно собрать подробный анамнез, а при проведении врачебного осмотра обращать внимание на усиление тимпанического звука при перкуссии брюшной полости. Проведение обзорной рентгенографии позволит определить наличие избыточного количества газа в просвете кишечника.

Из дополнительных методов исследования: общеклинический анализ крови, мочи, кала, оценка уровня полиморбидности, при потребности консультация узких специалистов,

водородный дыхательный тест, при необходимости оценка функции всасывания,

исследование копрограммы. Основа начального этапа лечения увеличенного газообразования — его снижение.

1. Диетические рекомендации:

не употреблять продукты, способствующие газообразованию,

долго жевать пищу перед проглатыванием, не разговаривать за едой,

не употреблять вместе белковую и углеводистую пищу,

ограничить количество съедаемой пищи, что бы избежать застойных процессов, провоцирующих газообразование.

не ограничивать потребление воды: недостаток жидкости отрицательно сказывается на процессах пищеварения, способствуя повышенному газообразованию.

2. Соблюдать охранительный режим: прекратить курить, достаточная физическая нагрузка, режим сна и отдыха,

избегать стрессорных ситуаций. Другим принципом лечения может быть связывание и удаление избыточного газа из желудочно-кишечного тракта.

Лекарственных препаратов, с помощью которых можно вывести избыток газа, сегодня предо-

статочно. На первом месте прокинетики, приводящие в нормальное состояние перистальтику. Не следует пренебрегать средствами народной медицины — укроп, фенхель, тмин.

На втором месте — сорбенты, способные связывать эндо- и экзотоксины и довольно значительное количество газа и вывести его из организма. Несмотря на разработку новых сорбентов: смек-та, энтеросгель, лактофильтрум, полифепан, не потерял своей актуальности активированный уголь, его высокая поверхностная активность позволяет связывать не только химические вещества, но и эндотоксины. Недостатки этой группы — они связывают и удаляют сапрофитную микрофлору.

Широко используются лекарства, обладающие способностью разрушать структуру пузырька с газом в просвете кишки, т.е. гасить пену, -высокомолекулярные полимеры симетикон и ди-метикон, не способные растворяться в воде. Главное преимущество этих препаратов в том, что они нейтральны для организма в целом — не оказывают влияние на метаболизм органов и тканей и не проникают через стенку кишки, оставаясь в ее просвете.

Коррекция микробиоценоза кишечника -один из принципов лечения повышенного газообразования. При дисбактериозе кишечника прописывают пре- и пробиотики, способствующие восстановлению микрофлоры кишечника: аци-пол, бифиформ, линекс и т.д.

При кишечных инфекциях, особенно сопровождающихся диарейным синдромом, могут быть назначены противомикробные препараты (альфа нормикс, стопдиар).

Если диарейный синдром имеет выраженный характер и сопровождается обезвоживанием, крайне необходимы средства для оральной регидратации (регидрон).

При ферментной недостаточности с диарей-ным синдромом можно назначить ферментные препараты, нормализующие пищеварение, такие как панкреатин, панзинорм, мезим.

При затруднении желчеотделения следует назначить желчегонные средства, например хофи-тол, аллохол. Но не следует назначать желчегонные лекарства у пациентов с желчными камнями, это может увеличить риск закупорки протоков.

При полиморбидности, свойственной старшим возрастным группам, очень часто отмечается, что как только клинические проявления основного заболевания будут устранены, пройдет и чрезмерное отхождение газов.

Таким образом, чрезмерная флатуленция -это патологическое состояние, возникающее или из-за повышенного газообразования, или из-за недостаточного отхождения газов, которое требует лечения. Увеличение объема газов сопровождается увеличением количества пены, покрывающей поверхность слизистой оболочки кишки при метеоризме, и затрудняет полостное и пристеночное пищеварение, Возрастассоции-рованный характер степени флатуленции не вызывает сомнения и нередко требует врачебного вмешательства.

Поступила 13.12.2017 Принята к опубликованию 12.01.2018 Received 13.12.2017 Accepted 13.01.2018

Сведения об авторах

Конев Юрий Владимирович — д.м.н. профессор кафедры поликлинической терапии МГМСУ им. А.И. Евдокимова, Россия. Тел.: 8(499) 553-68-03. E-mail: [email protected]

Лазебник Леонид Борисович — д.м.н., профессор, кафедра поликлинической терапии МГМСУ им. А.И. Евдокимова, Россия. Тел.: 8(495) 609-67-00. www.msmsu.ru.

Ефремов Леонид Ильич — к.м.н., ведущий научный сотрудник Московский клинический научно-практический центр ДЗ, Россия. Тел.: 8(495) 304-19-42. E-mail: [email protected]

About the authors

Konev Yr.V. — Doctor of Medical Sciences, Professor of the Department of outpatient therapy, Moscow State University of Medicine and Dentistry named after A.I. Evdokimov, Russia. Tel.: 8(499) 553-68-03. E-mail: [email protected]

Lazebnik L.B. — Doctor of Medical Sciences, Professor of the Department of outpatient therapy, Moscow State University of Medicine and Dentistry named after A.I. Evdokimov, Russia. Tel.: 8(495) 609-67-00. E-mail: www.msmsu.ru.

Efremov L.I. — Candidate of Medical Sciences, Moscow Clinical Research Center Senior Research Scientist of Moscow City Health Department, Russia. Tel.: 8(495) 304-19-42. E-mail: [email protected]

У собаки газы

– Здравствуйте. У меня несколько деликатная беда, не подходящая для обсуждения за обеденным столом. Наш пес, французский бульдог, кобель, шесть лет, газами буквально выживает нас из дома. Вместе с ним в одной комнате находится просто невозможно. Он все время «портит воздух». Раньше такое с ним тоже случалось, но не так часто и интенсивно, как в последнее время. Иногда мне кажется, что пора, заходя в дом, надевать противогаз. 

Живем в частном секторе, и можно было бы его держать на улице. Но сейчас жарко, а этой породе жара смертельно опасна, ведь не смотря ни на что наш пес – любимец семьи. Постоянная порча воздуха его совершенно не беспокоит, аппетит хороший, и спать ему ничто не мешает, а я уже готова с подушкой и одеялом на улицу сбежать и жить там. 

Светлана Бирюкова, Ростовкая обл., г. Волгодонск


КОММЕНТАРИЙ

Обычно повышенное газоотделение нисколько не мешает собаке, но причиняет массу неудобств хозяевам. 

Повышенное газообразование у собаки – это сигнал того, что в организме питомца что-то не так. Газы – побочный продукт нормального пищеварения и являются естественной функцией организма. Плохо, когда их появляется слишком много. 

Основной причиной повышенного газообразования служит заглатывание воздуха во время еды. Это обычно случается со щенками или с животными, которые быстро и жадно едят, и заглатывают пищу целиком. Также избыточное газообразование возникает из-за застоя пищи или процессов ее брожения. Метеоризм у собаки может возникнуть и при кормлении некачественными продуктами. Свою роль играют в этом процессе пищевая аллергия или инфекции, а также заболевания кишечника или дефицит пищеварительных ферментов. 

Как помочь собаке? 

В первую очередь необходимо выяснить причину. Вспомните, может быть, вы недавно меняли корм или тип питания, может что-то добавили в рацион. 

Иногда продукты могут быть качественными, но проблемы возникают от их сочетания. Так, при кормлении фруктами после мяса газообразование в кишечнике повышается. 

Если ваша собака слишком жадно заглатывает пищу, попробуйте увеличить частоту приема пищи, не увеличивая суточную норму корма. То есть кормить не один раз, а два или три раза в день, но маленькими порциями. 

Можно попробовать подавать собаке активированный уголь, из расчета 1 таблетка на 10 кг веса животного. И добавить в рацион продукты, нормализующие микрофлору в кишечнике, например, йогурт, кефир или творог, или специальные ветеринарные препараты – пробиотики. 

После нормализации процесса пищеварения нужно подумать над правильным рационом для питомца. Сухой корм для собаки лучше выбирать высококачественный, премиум или супер-премиум класса. При натуральном кормлении не сочетать в одно кормление кашу и молочные продукты. Фрукты давать только как лакомство между приемами пищи.

Лактазная недостаточность у детей (непереносимость лактозы)

Непереносимость или не усвояемость лактозы у детей – это патологическое состояние, при котором детский организм не в состоянии переваривать молочный сахар лактозу, что происходит вследствие снижения активности или отсутствия фермента лактазы.

Патология выражается в том, что ребенок часто срыгивает, у него наблюдаются кишечные колики, повышенный метеоризм, диарея, темпы набора веса ниже нормы.

Непереносимость лактозы в первый год жизни может привести к серьезным проблемам, так как основная пища ребенка в это время — молоко матери, в котором содержится лактоза. Поэтому очень важно вовремя обнаружить лактазную недостаточность и скорректировать ситуацию, чтобы ребенок мог полноценно питаться.

Причины появления непереносимости лактозы

В норме при попадании молочного сахара в пищеварительный тракт (чаще всего это происходит при потреблении молока), он расщепляется на глюкозу и галактозу, которые, в отличие от лактозы способны всасываться. Расщепление происходит под влиянием фермента лактазы. Соответственно, при недостаточности или неактивности этого фермента лактоза не может перевариться и усвоиться организмом ребенка. Происходит это чаще всего по причине наследственной лактазной недостаточности.

Часто обнаруживается лактазная недостаточность у недоношенных детей. Также эта проблема может возникать на фоне ряда заболеваний кишечника.

С возрастом у многих людей происходит уменьшение активности лактазы, даже если в младенчестве не было проблемы с усваиванием молочных продуктов. Это начинается примерно с 3-5 лет и продолжается по мере взросления.

Симптомы непереносимости лактозы

Характерные симптомы непереносимости лактозы у маленьких детей:

  • вздутие живота,
  • частые срыгивания,
  • колика,
  • повышенное газоотделение,
  • жидкий стул, который часто имеет кислый запах,
  • проблемы с набором веса,
  • раздражительность, повышенная возбудимость, плаксивость,
  • проблемы со сном.

На фоне непереносимости лактозы у детей могут развиваться мышечная гипотония, рахит, синдром дефицита внимания и гиперактивности.

Диагностика непереносимости лактозы

Если родители заподозрили, что у ребенка непереносимость лактозы, нужно обязательно посоветоваться с врачом и точно диагностировать состояние.

Для этого применяется ряд диагностических методов:

  • Определяется pH кала (если цифра ниже 5,5 – возможна лактазная недостаточность),
  • Высчитывается общее содержание углеводов в кале,
  • Делается нагрузочный тест с лактозой,
  • Определяется количество водорода и метана в выдыхаемом воздухе (для детей старшего возраста),
  • Проводятся специальные генетические исследования.

Лечение непереносимости лактозы

При обнаруженной лактазной недостаточности для разного возраста применяются разные подходы. Для грудничков рекомендуется кормить ребенка сцеженным молоком с добавлением препаратов лактазы. Или же вместо молока назначают использование безлактозных питательных смесей.

После того как появляется прикорм, также нужно следить, чтобы с пищей не попадала лактоза. Чтобы контролировать состояние, периодически определяется уровень углеводов в кале.

Если непереносимость лактозы вторична и появилась на фоне какого-то заболевания, то в первую очередь нужно лечить его.

По мере взросления ребенку также рекомендуется низколактозная диета. Исключаются из рациона молоко и продукты его содержащие. Если непереносимость лактозы не абсолютная, то могут разрешаться кисломолочные продукты (в случае, если они не вызывают симптомов лактазной недостаточности).

Если вовремя обнаружить непереносимость лактозы и взять ситуацию под контроль, то развитие и рост ребенка будет абсолютно нормальным, он будет хорошо себя чувствовать и нормально прибавлять в весе.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Повышенные коэффициенты газоразделения микропористого полимера, ограниченного в каналах мембран из анодного оксида алюминия. 2). Было обнаружено, что диаметры пор имеют узкое распределение и почти пропорциональны напряжению окисления. Мембраны AAO известны линейной зависимостью проницаемости от обратного квадратного корня из молекулярной массы газов, что свидетельствует о преобладании кнудсеновского диффузионного механизма

6 .Газопроницаемость ААО-мембран представлена ​​в таблице 1.

Рисунок 2

Микроструктуры подложек из анодированного оксида алюминия, приготовленных при различных напряжениях: ( a ) 25 В ( b ) 40 В ( c ) В 120

Таблица 1 Общие условия приготовления, параметры микроструктуры и проницаемость мембран AAO.

Для изучения микроструктуры эталонной мембраны и мембран, частично пропитанных ПИМ-1, полимерные аналоги отделяли от композитных мембран путем осторожного растворения пленок ААО в 0.5 М водный раствор NaOH. Плоские реплики PIM-1 наблюдались в случае эталонной мембраны, не обнаруживая проникновения полимера в матрицу анодного оксида алюминия (рис. 3а). С другой стороны, на нижней стороне селективных слоев образцов композита были обнаружены волокнообразные наноструктуры, свидетельствующие о проникновении полимера в каналы ААО (рис. 3б). Такая же микроструктура была получена при отпечатывании поверхности полиэтилентерефталата анодным оксидом алюминия марки 12 . Следует отметить, что детальное изучение реплик PIM-1 выявляет наличие наноканалов внутри волокнообразных наноструктур.На увеличенном участке полимерной реплики из образца С-120 (вставка на рис. 3б) видно присутствие полимерных нанотрубок. По нашему мнению, эти половолоконные структуры могут существенно влиять на газотранспортные свойства композитных мембран, но подробный анализ этого вопроса выходит за рамки основной задачи настоящего исследования.

Рисунок 3

Полимерные аналоги композитных мембран: ( a ) эталонная мембрана C-40-F ( b ) композитная мембрана C-120. Вставки: увеличенные области реплик.

На основании микрофотографий СЭМ можно сделать вывод, что вакуумный отсос приводит к частичной инфильтрации полимера в жесткие поры носителей ААО. В результате селективные полимерные слои композиционных мембран состоят из двух подслоев (плоского внешнего подслоя и внутреннего подслоя с волокнообразными наноструктурами). Очевидно, газотранспортные параметры плоского внешнего подслоя композитных мембран должны соответствовать параметрам объемного ПИМ-1, тогда как проницаемость внутреннего подслоя может существенно отличаться, внося существенные изменения в общие характеристики мембраны.Удобно, что сравнение характеристик полимерных мембран проводится по коэффициентам проницаемости с учетом толщины полимерной пленки. С другой стороны, в случае мембран с частичным заполнением пор точное определение общей толщины селективных пленок является весьма нетрадиционной задачей. Нам не удалось определить точную длину волокнообразных наноструктур из-за их частичного гидролиза полимера в щелочном растворе. Кроме того, длина полимерных волокон зависит от степени проникновения хлороформного раствора ПИМ-1 в каналы мембран ААО и различна для отдельных диаметров каналов.Поскольку СЭМ-анализ позволяет визуализировать только внешние подслои, общую толщину полимерного слоя также оценивали с помощью люминесцентной спектроскопии (табл. 2). Расчетные значения толщины, полученные как максимальные, измеренные с помощью PL и SEM, были взяты для расчета коэффициентов проницаемости композитных мембран. Пористость пленки ААО не учитывалась при оценке проницаемости полимерного слоя, так как она дает большую неопределенность в результирующем значении. Из-за неопределенности в определении коэффициентов проницаемости мы использовали проницаемость, а также коэффициенты проницаемости для изучения характеристик композитных мембран (таблица 3).

Таблица 2 Эффективная толщина селективных слоев композитных мембран. Таблица 3 Проницаемость и коэффициенты проницаемости композитных мембран.

Анализ полученных данных показывает значительное снижение коэффициентов проницаемости и проницаемости композитных мембран по отношению к постоянным газам по сравнению с эталонной мембраной C-40-F. Следует отметить резкое снижение проницаемости, особенно для азота и метана.

Коэффициенты проницаемости проходят через максимум для образцов с пороподдерживающими размерами 35 и 49 нм, а затем плавно снижаются.Расчетный коэффициент проницаемости бутана для образца С-25, вероятно, ограничен проницаемостью 100 мкм ААО носителя (~8700 л ∙ м −2  ∙  бар −1  ∙ ч −1 ).

Для композитных мембран достигается существенное повышение коэффициентов разделения чистых газов по сравнению с эталонной мембраной С-40-Ф (рис. 4). Селективность композитных мембран также значительно превышает коэффициент разделения массивных пленок PIM-1 (α C 4 H 10 /CH 4  = 58) 11 .Коэффициенты разделения композитных мембран с меньшим диаметром пор необычайно высоки: максимальная идеальная селективность более 1400 для газовой пары C 4 H 10 /CH 4 , достигнутая для композитной мембраны C-25, существенно превышает все опубликованные значения селективности для полимеров с внутренней микропористостью. Кроме того, была достигнута повышенная селективность по чистому газу O 2 /N 2 8,7 по сравнению с максимумом 4,0 для свежеприготовленной мембраны PIM-1, активированной в метаноле 11 , и 5 для состаренной мембраны PIM-1 13 .

Рисунок 4

Зависимость селективности по чистому газу от диаметра пор носителей AAO.

Чистый газ C 4 H 10 /CH 4 и O 2 /N 2 Коэффициенты разделения почти монотонно уменьшаются с увеличением диаметра пор AAO. Вероятно, это зависит как от глубины проникновения полимера, так и от пространственного ограничения подвижности макромолекул. Второй фактор явно доминирует, что приводит к более сильному повышению селективности для мембран с меньшим диаметром пор.

Объяснение значительного повышения селективности по чистому газу, вероятно, можно объяснить синергизмом геометрического удержания макромолекул ПИМ-1 в каналах ААО и большой разницей коэффициентов растворимости постоянных и конденсирующихся газов в ПИМ-1. Повторяющееся звено макромолекул ПИМ-1 содержит два атома кислорода в диоксановом кольце и две CN-группы в бензольном кольце, что обеспечивает водородное связывание полимера с поверхностными ОН-группами стенок пор ААО. Адсорбция макромолекул полимера на поверхности пор приводит к замедлению динамики цепей, что приводит к образованию слипшегося поверхностного слоя.Ожидается, что адсорбированные макромолекулы будут влиять на динамику полимерных цепей, расположенных ближе к центру пор. Тяжесть удержания увеличивается с уменьшением диаметра пор AAO. Это явление усиливается внутренней жесткостью макромолекул PIM-1. В то же время ПИМ-1 характеризуется чрезвычайно высокими коэффициентами растворимости по сравнению с другими полимерами. Коэффициент растворимости C 4 H 10 в PIM-1 составляет примерно 90 см 3 (СТФ) см -3 бар -1 , что соответствует примерно 0.8 г растворенного бутана на 1 г полимера при давлении бутана 1 бар 10 . При такой высокой концентрации молекулы растворенного газа должны влиять на подвижность полимерных цепей, приводя к набуханию полимера. В результате должна наблюдаться высокая проницаемость растворенного газа через набухший полимер. Этим объясняется высокая проницаемость конденсирующихся газов в ПИМ-1. Ничто из этого не относится к постоянным газам. Можно предположить, что скорость массопереноса бутана менее чувствительна к подавлению динамики цепей в ограниченном ПИМ-1 по сравнению с постоянными газами и метаном в частности.Это приводит к значительному увеличению коэффициентов разделения чистого газа C 4 H 10 /CH 4 и, в меньшей степени, CO 2 /CH 4 .

Сильное увеличение селективности композитных мембран и чувствительности наблюдаемых коэффициентов разделения к диаметру пор означает, что транспортные характеристики замкнутого ПИМ-1 отличаются от характеристик объемного полимера. Возможная роль таких эффектов будет сильнее, если радиус пор меньше радиуса инерции R g или межконцевого расстояния R ee отдельных полимерных цепей.Косвенными характеристиками этих параметров могут служить сегменты Куна и температура стеклования. Несмотря на то, что нам не удалось найти оценочное значение куновского сегмента PIM-1, отсутствие температуры стеклования вплоть до точки термического разложения и лестничное строение макромолекул PIM-1 указывают на высокое значение куновского сегмента. Поскольку необычная селективность ПИМ-1, внедренного в мембрану ААО, наблюдается для более узких пор, можно предположить, что в ограниченном состоянии полимерные цепи могут иметь необычные конформации вблизи стенок пор.Косвенно в пользу этой интерпретации свидетельствует различие морфологии поверхности эталонной мембраны с плоским слоем ПИМ-1 и композитной мембраны с волокнообразными полимерными наноструктурами (рис. 3). Такое конформационное изменение может быть ответственным за наблюдаемые транспортные свойства композитных мембран.

Смешанный газ CO 2 /CH 4 были проведены измерения для выяснения влияния геометрического ограничения на пластификацию полимера (таблица 4). Для первых измерений использовали эталонную мембрану C-40-F и композитную мембрану C-40, выдержанную в течение двух месяцев.Выявлено, что фактическая селективность состаренной эталонной мембраны выше по сравнению с импрегнированной мембраной. Селективность композитных мембран, обработанных метанолом, совершенно иная. Эталонный образец склонен к пластификации, и его идеальная селективность снижена. С другой стороны, идеальная селективность композитной мембраны увеличивается, свидетельствуя о том, что полимер в ограниченном состоянии более устойчив к пластификации под действием CO 2 . Наша исследовательская группа проводит более подробные измерения смешанного газа, чтобы лучше понять эту проблему.

Таблица 4 CO 2 /CH 4 смешанные газопроницаемые свойства композитных мембран, давление подачи 1 бар, T = 25 °C, состав смеси 10 об.

Известно, что полимерные материалы подвержены физическому старению. Особенно это явление характерно для тонких пленок высокопроницаемых полимеров. Диффузия элементов свободного объема к поверхности тонкой пленки происходит при физическом старении в результате релаксации и упаковки полимерных цепей 14 .Одним из возможных способов замедления процесса физического старения полимерных пленок является отжиг при температуре выше температуры стеклования. Однако этот подход неприменим для PIM-1, так как этот полимер не проявляет стеклования ниже температуры разложения. Альтернативным способом омоложения PIM-1 после физического старения является обработка низшими спиртами (особенно CH 3 OH и C 2 H 5 OH). Показано, что наиболее эффективным способом ревитализации ПИМ-1 15 является обработка метанолом.Молекулы метанола способны образовывать водородные связи с макромолекулами полимера, что приводит к увеличению динамики цепей, что приводит к раскрытию элементов свободного объема. В настоящем исследовании мы наблюдали значительное улучшение проницаемости свежеприготовленных композитных мембран после обработки метанолом (таблица 5). Можно отметить, что увеличение постоянной газопроницаемости приводит к значительному снижению коэффициентов разделения чистых газов. Дальнейшее старение полимера в матрице ААО приводит к колоссальным изменениям характеристик мембраны во времени из-за быстрого физического старения волокнообразных селективных слоев.Точки, соответствующие первым дням после обработки метанолом, выходят далеко за верхнюю границу на диаграмме Робсона (рис. 5), в то время как состарившаяся мембрана указывает на значительное снижение проницаемости как для постоянных, так и для конденсируемых газов. Можно предположить, что геометрическое ограничение способствует физическому старению. Очевидно, что процесс упаковки цепей в наноструктурированном полимере существенно усиливается за счет гораздо меньших диффузионных длин по сравнению с объемным состоянием. Упаковка полимерных цепочек также влечет за собой снижение коэффициентов растворимости конденсирующихся газов.

Таблица 5 Проницаемость (л м -2 ч -1 бар -1 ) и селективность чистого газа мембраны C-40. Рисунок 5

Выбранные композитные мембраны на диаграмме Робсона.

Следует отметить, что протокол обработки PIM очень важен для его газоразделительных свойств. Заливка свежих мембран должна сопровождаться обработкой метанолом для удаления остаточного растворителя и открытия элементов свободного объема. С другой стороны, обработка метанолом переводит полимерные цепи в неравновесное состояние.Релаксация макромолекул к стабильным конформациям требует определенного времени и зависит от толщины пленки. При длительном физическом старении полимерные цепи становятся более жесткими и более плотно упакованными, что может способствовать избирательности растворимости полимера. Согласно Pinnau 13 сильно состаренные PIM-1 и триптицен-PIM-1 имеют селективность O 2 /N 2 5 и 8,6 соответственно, и эти числа согласуются с O 2 /N 2 . проходимость С-25 (8.6) и мембраны C-40 (4.9), что свидетельствует о жесткости PIM-1 в ограниченном состоянии.

Газ разделения – обзор

3.3.1 Разделение газа: основы и механизмы транспортировки

Разделение газа в мембранах происходит из-за различий в переносе различных частиц, протекающих через саму мембрану. Как пористые 1 неорганические, так и плотные полимерные мембраны могут использоваться в качестве селективных барьеров для разделения газов, но большинство мембран, используемых для разделения газов, изготовлены из полимеров, таких как производные целлюлозы, полисульфон, полиимиды и полиамиды.В зависимости от размера пор транспорт газа в неорганических мембранах может происходить по разным механизмам. Рисунок 3.7 иллюстрирует некоторые из различных механизмов проникновения газа через пористые и плотные мембраны.

3.7. Механизмы транспорта газа через пористые и плотные мембраны.

При крупных порах – от 0,1 до 10 мкм – газы пронизывают мембрану конвективным потоком (и разделения не происходит). Это случай проникновения через макропористые мембраны. Наоборот, мезопористость учитывает столкновения молекул со стенками поры, которые происходят чаще, чем столкновения между молекулами, и поэтому преобладает молекулярная диффузия.В этом случае длина свободного пробега молекул газа больше размера пор. Такая мезопористая оболочка представляет собой конгломерат капилляров, крупных и мелких, прямых и извилистых; диффузия регулируется механизмом Кнудсена, и, в соответствии с кинетической теорией, скорость переноса любого газа обратно пропорциональна квадратному корню из его молекулярной массы ( закон диффузии Грэма ). Наконец, если поры мембраны чрезвычайно малы (<2 нм), то газы разделяются, например, с помощью молекулярного сита.Транспорт в этих мембранах очень сложен и включает диффузию в газовой фазе и (однослойную или многослойную) поверхностную диффузию, которая возникает, когда проникающие частицы проявляют сильное сродство к поверхности мембраны и адсорбируются вдоль стенок пор.

С другой стороны, в плотных полимерных материалах поведение в основном определяется соотношениями растворимости и диффузии. Раствор-диффузия широко признана основным механизмом транспорта газов через плотные полимерные мембраны.Как уже было сказано, этот механизм обычно считается трехстадийным процессом: во время проникновения газ абсорбируется на одну поверхность мембраны (на стороне входа), диффундирует через полимерную матрицу и десорбируется на стороне ниже по потоку. Проникновение газов зависит как от диффузии, так и от градиента концентрации частиц вдоль мембраны. Как правило, движущая сила селективного транспорта вещества через мембрану обычно связана с градиентом концентрации, давления, температуры, электрического потенциала и т. д.В следующем разделе, ссылаясь на механизм растворения и диффузии, будет рассмотрена разность парциальных давлений, которую удобно выражать через мольные доли фаз ретентата и пермеата.

Ключевыми параметрами, определяющими характеристики мембраны, являются проницаемость и селективность.

Коэффициент проницаемости или проницаемости ( P ) (моль · м · м − 2 · с − 1 · Па − 1 ), который представляет собой коэффициент пропорциональности потоку в установившемся режиме конкретного газ через мембрану:

[3.1]Pδ=QA⋅Δp

, где δ – эффективная толщина мембраны, Q – скорость проникновения газа через мембрану, A – площадь поверхности мембраны и Δ p – перепад давления на мембране. . Это феноменологический закон, представляющий собой меру количества компонента, проникающего через мембрану; обычно принимается за единицу коэффициента проницаемости 1 барр, который равен 10 − 10 см 3 (ст. ст.) см/(см 2 с см рт. ст.) или моль/(м с Па) в единицах СИ. (Ямполкий, 2011).

Проницаемость зависит в самом общем случае от температуры, природы газа и химической и физической структуры полимера. В частности, она увеличивается с увеличением конденсируемости газа из-за наибольшей сорбции в полимере.

Селективность по идеальному газу, которая определяется как отношение коэффициентов проницаемости, так как проницаемость разных газов протекает независимо (например, в случае одиночной газопроницаемости):

[3.2]αij=PiPj

Этот параметр является мерой способности мембраны разделять два газа. Как правило, производительность мембраны связана с проницаемостью, тогда как количество ступеней мембраны, необходимых для данной чистоты, и/или количество продукта, которое теряется во время процесса, связано с селективностью. Коэффициент проницаемости связан как с коэффициентом диффузии ( D , который измеряет подвижность молекул внутри мембраны), так и с коэффициентом растворимости ( S , который измеряет растворимость молекул газа внутри мембраны).Связь между проницаемостью, диффузионной способностью и растворимостью для общего компонента и описывается формулой: коэффициент растворимости (моль/м 3 ⋅Па).

Как было сказано, коэффициент диффузии D отражает подвижность отдельных молекул в мембране; тогда как коэффициент растворимости, S , отражает количество молекул, растворенных в мембране.Растворимость в основном увеличивается с увеличением молекулярной массы, в то время как коэффициент диффузии уменьшается.

Часто толщина мембраны неизвестна из-за трудностей измерения, а также может не быть постоянной по всей мембране. В этих случаях величиной, характеризующей скорость проникновения газа через мембрану, является проницаемость P/ δ (см 3 (ст. ст.) см/(см 2 с см рт. ст.) или моль/(м с Па)) , определяемый как нормированный движущей силой поток через мембрану.Иногда проницаемость также выражается в единицах газопроницаемости: 1 GPU = 10 − 6 см 3 (СТП) см/(см 2 с см рт. ст.).

Поскольку проницаемость равна произведению коэффициентов диффузии и растворимости газовых частиц (уравнение [3.3]), селективность можно также записать как:

[3.4]αij=SiSjDiDj

Следует подчеркнуть, что как правило, невозможно предсказать массоперенос смеси, исходя из измерений отдельных компонентов.Будущие исследования по разделению газовых и паровых смесей имеют большое значение, поскольку эффективность разделения мембраны для практических приложений является решающим параметром. Тем не менее идеальная селективность проницаемости удобна тем, что при отсутствии сильных взаимодействий между проникающими газами можно использовать коэффициенты проницаемости чистых газов. И наоборот, в случае смесей, как правило, присутствуют сильные взаимодействия между проникающими компонентами, поэтому для конструкции мембранной установки более важен другой параметр: коэффициент разделения SF .Для бинарной смеси компонентов i и j он определяется как:

[3,5]SFij=Yi/YjXi/Xj

, где Y и X — молярные концентрации в пермеате и на входе. , соответственно, а нижние индексы i и j относятся к двум компонентам в смеси. При опытах и ​​ X i , и X j фиксируются условиями эксперимента, тогда как Y i и Y j должны определяться газовой хроматографией или масс-спектрометрией.Коэффициент разделения определяется как всегда> 1 и зависит от условий эксперимента, таких как перепад давления или абсолютное давление подаваемого газа. В реальных системах коэффициент диффузии D и коэффициент растворимости S могут быть функциями концентрации, поэтому теоретический анализ усложняется. D i / D j , отношение коэффициентов диффузии двух газов часто называют диффузионной селективностью и связано с разным размером молекул.С другой стороны, S i / S j , отношение коэффициентов растворимости двух газов, отражает относительную сорбцию газов и может рассматриваться как селективность растворимости. Этот термин определяет общую селективность каучуковых полимеров.

Коэффициент диффузии уменьшается с увеличением размера молекул в полимерных материалах. Фактически большие молекулы взаимодействуют с большим количеством сегментов полимерной цепи по сравнению с малыми молекулами; тогда как селективность подвижности всегда благоприятствует транспорту малых молекул по сравнению с большими.Когда мембранная селективность слишком низкая, потребуется более одной мембранной ступени. Это увеличит капитальные и эксплуатационные расходы из-за необходимой дополнительной площади мембраны и рекомпрессии между ступенями. Инвестиционные затраты на компрессор, вакуумный насос и участок мембраны должны быть сбалансированы с эксплуатационными расходами (Vansant, 1990; Baker, 2004; Javaid, 2005).

Каучукообразная мембрана представляет собой аморфный полимерный материал, который работает выше своих T г в условиях термодинамического равновесия.В этих мембранах сорбция низкомолекулярного вещества обычно описывается законом Генри для случаев, когда сорбированные концентрации малы:

[3.6]CD=KDf

, где мембранная матрица, K D константа закона Генри и f летучесть (мера химического потенциала) рассматриваемого газа. Для каучукоподобных полимеров и низких концентраций пенетранта коэффициент диффузии D D обычно является постоянным, а P не зависит от давления подачи.В случае наличия высокой активности газов или паров наблюдается отклонение от закона Генри сорбции. В каучукоподобных мембранах транспорт молекул обычно описывается механизмом растворения-диффузии, при этом растворение низкомолекулярных веществ в каучукообразных полимерах аналогично сорбции пенетранта в низкомолекулярные жидкости.

Стекловидная мембрана представляет собой аморфный полимерный материал, который работает при температурах ниже своих T g в условиях, далеких от термодинамического равновесия.Полимерные цепи упакованы несовершенно, что приводит к избыточному свободному объему в виде микроскопических пустот в полимерной матрице. Внутри этих пустот происходит ленгмюровская адсорбция газов, увеличивающая растворимость. В отличие от каучуковых мембран стеклообразные мембраны способны эффективно различать чрезвычайно малые различия в молекулярных размерах обычных газов (например, 0,2–0,5 ангстрем). В стеклообразных мембранах перенос молекул обычно описывается так называемой двухрежимной моделью.Часть молекул газа поглощается полимерной матрицей и подчиняется закону Генри, тогда как часть адсорбируется в микроскопические пустоты, и их концентрация C H описывается следующим уравнением:

[3.7]CH=CH’ bf1+bf

, где C H – максимальная адсорбционная емкость, а b – отношение скоростных коэффициентов адсорбции и десорбции. Тогда общая сорбция стеклообразных полимеров описывается суммой двух компонентов молекул газа, адсорбированных в полимерной матрице (Paul, 1994):

[3.8]C=CD+CH

Успех модели двухрежимной сорбции в описании сорбции пенетранта в стеклообразных полимерах обусловлен физическим значением, которое может быть связано с параметрами модели.

Как для стеклянных, так и для каучуковых мембран транспортные свойства для газов почти одинаковы, и взаимосвязь между температурой и транспортом малых молекул обычно рассматривается как активируемый процесс и подчиняется соотношению Аррениуса:

[3.9]P=P0exp− ЭПРТ

[3.10] d = d0exp-edrt

[3.11] s = s0exp-hsrt

где p 0 , d 0 и S 0 — начальные условия, E P и E D энергии активации процессов проникновения и диффузии соответственно, H S теплота сорбции, R универсальная газовая постоянная и T абсолютная температура.

Из этих уравнений следует, что как для стеклообразных, так и для каучукообразных полимеров повышение температуры приводит к увеличению проницаемости и снижению селективности мембраны.Наоборот, энергия активации обычно меньше у стеклообразных полимеров.

Для многих мембран существует компромисс между селективностью и проницаемостью: мембраны с высокой селективностью имеют низкую проницаемость, и наоборот. Другими словами, мембрана с высокой проницаемостью обычно имеет низкую селективность, и наоборот. Например, в случае полимерных мембран Робсон (2008) предположил, что этот компромисс может быть представлен графиком, на котором логарифм селективности представлен против логарифма проницаемости более проницаемого газа для бинарной смеси. , как схематично показано на рис.3.8.

3.8. Корреляция верхней границы для общего разделения бинарных смесей.

На этом рисунке верхняя граница представляет собой предел для достижения высокой селективности в сочетании с высокой проницаемостью. Соотношение верхней границы может быть выражено следующим уравнением [3.12]:

[3.12]Pi=kαijn

, где P i — проницаемость более проницаемого газа, а n — наклон каротажа – лог лимит.

Со времени статьи, опубликованной Робсоном, было опубликовано лишь несколько примеров полимерных мембран, которые превышают верхнюю границу, и преодоление этого является целью многих недавно выданных патентов на полимерные мембраны.Фактически желательно достижение как высокой проницаемости для диоксида углерода, так и высокой селективности. Следует также сказать, что превышение лимита Робсона не является жестким правилом. Фактически, Корос и Махаджан (2000) предположили возможность превышения верхней границы при использовании так называемых мембран со смешанной матрицей. Недавно Berchotold (2006) обнаружил, что полибензимидазольная мембрана превышает верхнюю границу Робсона для селективности H 2 /CO 2 по сравнению с проницаемостью H 2 в диапазоне температур 100–400 °C.

Помимо проницаемости и селективности, очень важны и другие свойства мембран, такие как их термическая, химическая стойкость и устойчивость к пластификации, а также эффекты старения для обеспечения непрерывной работы в течение длительного времени. Кроме того, немаловажно и то, что производство стандартных мембранных модулей экономически выгодно. Для достижения этих целей были проведены значительные экспериментальные исследования. Обширный обзор, описывающий патенты как на полимерные, так и на неорганические мембраны, был недавно опубликован Scholes et al. (2008 г.), при этом особое внимание уделялось отделению диоксида углерода с помощью систем с полимерными мембранами для дымовых газов. Этот обзор особенно интересен тем, что в нем основное внимание уделяется недавним новым подходам к полимерным мембранам, которые обеспечивают эффективность разделения выше верхней границы Робсона и поэтому, возможно, являются более конкурентоспособными с коммерческой точки зрения, чем современные технологии мембранного газоразделения.

В зависимости от состава газовых потоков и условий эксплуатации разработка полимерных мембран для желаемого разделения газов обязательно требует тщательной оценки как материалов, так и процедур сборки.

Повышение эффективности газоразделения мембран со смешанной матрицей на основе 6FDA-DAM за счет включения MOF UiO-66 и его производных

Синтезированы наночастицы (около 50 нм) UiO-66 и производных UiO-66-NH 2 и UiO-66-NH-COCH 3 .

MOF, включенные в сополимид 6FDA-DAM, для производства МММ с содержанием 5–24 мас.%.

МММ, характеризуемые XRD, SEM, TEM, FTIR, TGA и адсорбцией N 2 , CO 2 и CH 4 .

Разделение CO 2 :CH 4 бинарная смесь при 35°C, нескольких составах (CO 2 =10–90%) и давлении до 40 бар.

Атомистическое моделирование границы раздела MOF/полимер оценивало покрытие поверхности MOF полимером.

Abstract

Функционализация и постсинтетическая модификация (PSM) металлоорганических каркасов (MOF) являются двумя важными способами получения MOF с полным потенциалом для изготовления мембран со смешанной матрицей (MMM).Мы синтезировали UiO-66 и два производных UiO-66-NH 2 и UiO-66-NH-COCH 3 с размером частиц менее 50 нм. Поглощение CO 2 при 10 бар в двух функционализированных UiO-66 улучшилось на 44% и 58%, соответственно, по сравнению с исходным твердым веществом. Наночастицы MOF были включены в высокопроницаемый полимер 6FDA-DAM, создавая МММ с содержанием частиц 5–24 мас.%. Все наполнители и мембраны были соответствующим образом охарактеризованы, и их газоразделительные характеристики были оценены путем подачи эквимолярных смесей CO 2 /CH 4 при перепаде давления 2 бара при 35°C.CO 2 проницаемость (P CO2 ) исходного 6FDA-DAM (P CO2 =997±48 Баррер, α CO2/Ch5 =29±3) увеличилась на 92% при 20 мас.% загрузки UiO-66 , сохраняя при этом селективность CO 2 /CH 4 . Улучшения на 23% и 27% наблюдались для P CO2 при той же 20% масс. загрузке UiO-66-NH 2 и UiO-66-NH-COCH 3 соответственно. α CO2/Ch5 был улучшен на 16% с использованием обоих функционализированных MOF типа UiO-66.Наилучшие показатели разделения в данной работе были получены с 14 мас.% UiO-66 МММ (P CO2 =1912±115 Баррер, α CO2/Ch5 =31±1), 16 мас.% UiO-66-NH 2 МММ (P CO2 =1223±23 Барр., α CO2/Ch5 =30±1) и 16 мас.% UiO-66-NH-COCH 3 МММ (P CO2 =1263±42 Барр., α CO2/Ch5 =33±1) при перепаде давления подачи 2 бар. Измерения также проводились с различными бинарными составами (CO 2 = 10 – 90%), как при низком, так и при высоком давлении до 40 бар при 35°C, не показывая пластификации, вызванной CO 2 , связанной с давлением.Атомистическое моделирование границы раздела MOF/полимер согласуется с умеренным покрытием поверхности MOF 6FDA-DAM, что не оказывает отрицательного влияния на характеристики мембраны.

Ключевые слова

Ключевые слова

Разделение газа

6fda-Dam

Металлические органические рамки

MOF

ZR на базе MOF

Смешанная матрица MEMBRANE

Рекомендуемые изделия из натурального цикла (0)

Смотреть полный текст

© 2018 Elsevier B.V. Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Ссылающиеся статьи

Заметно улучшенное разделение газов за счет частичного самопревращения ламинированной мембраны в металлоорганические каркасы

.2015 март 2; 54 (10): 3028-32. doi: 10.1002/anie.201411550. Epub 2015 21 января.

Принадлежности Расширять

принадлежность

  • 1 Институт физической химии и электрохимии Университета Лейбница Ганновер, Callinstr.22, 30167 Ганновер (Германия). [email protected]

Элемент в буфере обмена

Йи Лю и соавт. Angew Chem Int Ed Engl. .

Показать детали Показать варианты

Показать варианты

Формат АннотацияPubMedPMID

.2015 март 2; 54 (10): 3028-32. doi: 10.1002/anie.201411550. Epub 2015 21 января.

принадлежность

  • 1 Институт физической химии и электрохимии Университета Лейбница Ганновер, Callinstr.22, 30167 Ганновер (Германия). [email protected]

Элемент в буфере обмена

Полнотекстовые ссылки Параметры отображения цитирования

Показать варианты

Формат АннотацияPubMedPMID

Абстрактный

В настоящее время широкое внимание привлекают методы разделения, основанные на двумерных межпластовых галереях.Однако потенциал таких галерей в качестве высокоэффективных газоразделительных мембран до сих пор мало изучен. Кроме того, хорошо известно, что газопроницаемость и коэффициент разделения часто обратно пропорциональны при мембранном разделении газов. Поэтому отказ от этого компромисса становится весьма желательным. Здесь газоразделительная характеристика двумерной ламинированной мембраны была улучшена за счет ее частичного самопреобразования в металлоорганические каркасы. Таким образом, композитная мембрана ZIF-8-ZnAl-NO3 со слоями из двойного гидроксида (LDH) была успешно получена в одну стадию частичной конверсией мембраны ZnAl-NO3 LDH, что в конечном итоге привело к значительному увеличению коэффициента разделения h3/Ch5 и проницаемости h3.

Ключевые слова: слоистые соединения; мембраны; металлоорганические каркасы; постсинтетическая модификация; сольвотермический рост.

© 2015 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Вайнхайм.

Похожие статьи

  • Значительно улучшенное разделение с использованием мембран ZIF-8 путем частичной конверсии прокаленных предшественников слоистых двойных гидроксидов.

    Лю И, Пэн И, Ван Н, Ли И, Пан Дж. Х., Ян В., Каро Дж. Лю Ю и др. ХимСусХим. 2015 ноябрь;8(21):3582-6. doi: 10.1002/cssc.201500977. Epub 2015 2 октября. ХимСусХим. 2015. PMID: 26427908

  • Высокопоточная вертикально ориентированная двухмерная ковалентная органическая каркасная мембрана с улучшенным отделением водорода.

    Фань Х., Пэн М., Штраус И., Мундсток А., Мэн Х., Каро Дж.Фан Х и др. J Am Chem Soc. 2020 15 апреля; 142 (15): 6872-6877. дои: 10.1021/jacs.0c00927. Epub 2020 1 апр. J Am Chem Soc. 2020. PMID: 32223155

  • Иерархические наноструктуры металлоорганических каркасов, применяемых в газоразделительных мембранах ZIF-8-on-ZIF-67.

    Кнебель А., Вульферт-Хольцманн П., Фрибе С., Павел Дж., Штраус И., Мундсток А., Штайнбах Ф., Каро Дж.Кнебель А. и соавт. Химия. 2018 17 апреля; 24 (22): 5728-5733. doi: 10.1002/chem.201705562. Epub 2018 19 февраля. Химия. 2018. PMID: 29393536

  • Двумерные нанолисты и их композитные мембраны для разделения воды, газа и ионов.

    Ким С., Ван Х., Ли Ю.М. Ким С и др. Angew Chem Int Ed Engl. 2019 2 декабря; 58 (49): 17512-17527. doi: 10.1002/anie.201814349.Epub 2019 18 июля. Angew Chem Int Ed Engl. 2019. PMID: 30811730 Бесплатная статья ЧВК. Рассмотрение.

  • Рост металлоорганического каркаса на функциональных границах раздела: тонкие пленки и композиты для различных применений.

    Брэдшоу Д., Гарай А., Хо Дж. Брэдшоу Д. и соавт. Chem Soc Rev. 21 марта 2012 г.; 41 (6): 2344-81. дои: 10.1039/c1cs15276a. Epub 2011 19 декабря. Chem Soc Rev.2012. PMID: 22182916 Рассмотрение.

Цитируется

9 статьи
  • Оптимизация MOF, смешанного с модифицированной полиимидной мембраной, для высокоэффективного разделения газов.

    Чжан И, Цзя Х, Ван Ц, Ма В, Ян Г, Сюй С, Ли С, Су Г, Цюй И, Чжан М, Цзян П.Чжан И и др. Мембраны (Базель). 2021 27 декабря; 12(1):34. doi: 10.3390/membranes12010034. Мембраны (Базель). 2021. PMID: 35054560 Бесплатная статья ЧВК.

  • Металлоорганические каркасные мембраны и мембранные реакторы: универсальное разделение и интенсивные процессы.

    Бан И, Цао Н, Ян В. Бан Ю и др. Исследования (Ваш округ Колумбия). 2020 12 мая; 2020:1583451.дои: 10.34133/2020/1583451. Электронная коллекция 2020. Исследования (Ваш округ Колумбия). 2020. PMID: 32510055 Бесплатная статья ЧВК. Рассмотрение.

  • Металлические и ковалентные органические каркасы для мембранных применений.

    Фанг М., Монторо С., Семсарилар М. Фанг М. и др. Мембраны (Базель). 2020 22 мая; 10 (5): 107. doi: 10.3390/membranes10050107. Мембраны (Базель). 2020. PMID: 32455983 Бесплатная статья ЧВК.Рассмотрение.

  • Микро- и наноумные композитные пленки на основе медно-йодного координационного полимера как термохромные биосовместимые сенсоры.

    Конеса-Эхеа Х., Морено-Васкес А., Фернандес-Морейра В., Баллестерос Ю., Кастельянос М., Самора Ф., Амо-Очоа П. Conesa-Egea J, et al. Полимеры (Базель). 2019 15 июня; 11 (6): 1047. doi: 10.3390/polym11061047. Полимеры (Базель). 2019.PMID: 31208029 Бесплатная статья ЧВК.

  • Новая стратегия постсинтетической полимеризации делает металлоорганические каркасы более стабильными.

    Ян С., Пэн Л., Сун Д.Т., Асгари М., Овейси Э., Трухина О., Булут С., Джамали А., Королева В.Л. Ян С. и др. хим. наук. 2019 25 марта; 10 (17): 4542-4549. дои: 10.1039/c9sc00135b. Электронная коллекция 2019 7 мая. хим. наук. 2019. PMID: 31123563 Бесплатная статья ЧВК.

Полнотекстовые ссылки [Икс] Уайли [Икс]

Укажите

Копировать

Формат: ААД АПА МДА НЛМ

Улучшенная газоразделительная способность ультрамикропористого каркаса со столбчатым слоем, индуцированная висящими незащищенными основными пиридиновыми группами Льюиса

Металлоорганические каркасы со столбчатым слоем демонстрируют большие перспективы для хранения и разделения газа, поскольку их размер пор, а также функциональность обычно можно контролировать и синергетически регулировать.Комбинируя общие пиридиновые и карбоксилатные группы, мы разрабатываем здесь новый трехмерный каркас со столбчатыми слоями [Co 2 (DBPT) (BPY) 2 (CO 3 )] п ( СННУ-95 ). Двуядерные мотивы [Co 2 ] соединены лигандами DBPT с образованием 2D-слоя, который далее соединяется BPY с образованием 3D-столбчатого каркаса SNNU-95 . Примечательно, что две нескоординированные пиридиновые группы DBPT не только помогают стабилизировать 2D-слой посредством π⋯π-стэкинга, но также указывают на 1D-каналы для создания ультрамикропористой среды.Воспользовавшись ультрамиропористостью и пиридином Льюиса Основные сайты, SNNU-95 показывает не только Extra High CO 2 2 на CH и C

9 и C 2 углеводорода на CH 4 Селективность , Но также замечательный C 2 H 2 / CO 2 , C 2 H 2

6 / C 2 H 4 , и C 2 H 4 /CO 2 разделение в условиях окружающей среды.Этот синергетический эффект, обусловленный функциональными группами и размером пор, обеспечивает многообещающий путь к разработке пористых материалов для максимально возможного поглощения и разделения газа.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

Понимание путей образования гидратов газа с пористыми материалами для усовершенствованного газоразделения

Причина того, что стехиометрия газа и воды в искусственных газогидратах, образующихся на пористых материалах, намного выше, чем в природе, до сих пор остается неясной.К счастью, на основе нашего экспериментального термодинамического и кинетического исследования поведения образования газовых гидратов с классическим упорядоченным мезопористым углеродом CMK-3 и нерегулярным пористым активированным углем в сочетании с расчетами теории функционала плотности мы обнаружили микроскопический путь образования газовых гидратов на пористых материалах. Выявлены два интересных процесса, в том числе (I) замещение газом воды, адсорбированной на поверхности углерода, и (II) дальнейшее замещение воды в поре газом, сопровождающееся конденсацией газа в поре и ростом кристаллов газогидратов из поры. выведено.В результате было достигнуто значительное повышение селективности и регенерации при разделении газов за счет точного управления поведением образования газовых гидратов.

1. Введение

Газогидраты представляют собой разновидность льдоподобных клатратных соединений, существовавших в природе, которые привлекли значительное внимание благодаря своим уникальным свойствам [1–5] и различным применениям. Например, искусственные газогидраты считаются одним из наиболее перспективных материалов для хранения газа [6–8] и разделения [9–11].Образование гидратов газа в гидрофобных порах широко известно как эффективный метод улучшения кинетики и емкости образования гидратов газа [12–18]. Сообщалось, что стехиометрия газа к воде в искусственных газогидратах, образованных на пористом углероде, намного выше, чем рассчитанная по кристаллической структуре [9, 19]. Приемлемая гипотеза состоит в том, что повышенное газообразование в искусственных газогидратах связано с дополнительной адсорбцией газа в зазорах между образовавшимися газогидратами и поверхностью пор или полуклатратом.Однако важные вопросы о том, какие щели и как они могут образовываться, до сих пор не выяснены, поскольку не существует действенного научного метода, позволяющего различить этот тип щелей и полуклатратов в порах, и количественного анализа газа в газогидратах или адсорбционных этап практически не выполняется. Некоторые методы, такие как молекулярное моделирование [11, 20], спектроскопия комбинационного рассеяния in situ [21], твердотельный ядерный магнитный резонанс [10, 22], дифракция нейтронов [23, 24] и синхротронная рентгеновская порошковая дифракция [21, 22], дифракция нейтронов [23, 24] 25] можно использовать только для подтверждения того, что образование газогидратов зависит от пористых материалов.Несомненно, что газогидраты могли образовываться на пористых материалах, но подробности о процессе образования и о том, образуются ли они внутри пор или нет, до сих пор неоднозначны.

Принято считать, что пористые материалы могут использоваться для увеличения образования гидратов газа благодаря эффекту наноудержания. После образования скоплений газовых гидратов в наноограниченном пространстве пустое пространство, по-видимому, допускает появление газа, как показано на рисунке 1. Однако из-за отсутствия убедительных методов характеризации образование газовых гидратов в замкнутом пространстве экспериментально не изучалось. доказано еще.По сравнению с этим классическим механизмом мы обнаружили другой процесс (I-IV на рис. 1) образования газовых гидратов на основе исследования образования гидрата CO 2 на пористом углероде. В этом случае при введении СО 2 в пористый уголь, полностью заполненный водой, наблюдалась значительная сорбция СО 2 за счет следствия интересных процессов, в том числе (I) замещения воды, адсорбированной на поверхности углерода СО 2 и (II-IV) дальнейшее замещение воды в поре на СО 2 , сопровождающееся ростом кристаллов газогидратов из поры.


В процессе (I), хотя расчетная энергия связи C-CO 2 немного слабее, чем у CH 2 O, часть воды, непосредственно адсорбированной на поверхности углерода, все же может быть заменена CO 2 управляется энтропией. Во время процесса (II) вода внутри поры дополнительно замещается CO 2 при повышении химического потенциала CO 2 . Наконец, газогидраты образуются вне замкнутого пространства, и СО 2 конденсируется в порах по маршруту III.Газогидраты также могли образовываться по другому пути (IV). Когда давление достигает значения для образования гидрата CO 2 , кристаллы микрогидрата сначала формируются в наноограниченном пространстве, а затем перемещаются, чтобы вырасти в большие кристаллы, чтобы уменьшить свободную энергию поверхности. При этом в порах происходят адсорбция и конденсация CO 2 . Таким образом, был сделан вывод о невозможности образования газовых гидратов в наноограниченном пространстве. Избыток газа, наблюдаемый в искусственных газовых гидратах, возникает в результате адсорбции и конденсации газа в наноограниченном пространстве, когда вода вытесняется с образованием газовых гидратов вне поры.Чтобы подтвердить это предположение, мы разработали строгий эксперимент по изучению поведения образования газовых гидратов в наноограниченном пространстве и достигли нового понимания поведения образования газовых гидратов на пористых углеродных материалах. Путь полностью отличается от предыдущей гипотезы образования газовых гидратов внутри нанопор. Кроме того, на основе предложенного нами механизма было достигнуто значительное повышение селективности и регенерации газоразделения на пористых материалах.

2. Результаты

Мы выбрали CO 2 в качестве репрезентативного газа для исследования. Адсорбционный CO 2 может конденсироваться в замкнутом пространстве с постоянной плотностью, удобной для количественного анализа. Таким образом, термодинамическими экспериментами, термодинамическими расчетами, кинетическим анализом, расчетами теории функционала плотности (DFT) и in situ исследовано образование гидрата СО 2 на классическом упорядоченном мезопористом углероде СМК-3 и нерегулярном пористом активированном угле (АУ). Рамановская спектроскопия.Пористость, рассчитанная по кривым изотерм N 2 при 77 K (рис. 2(a) и 2(b)), включая площадь поверхности Брумауэра-Эммета-Теллера (BET), размер пор DFT, объем пор и поглощение водяного пара ( Рисунки S1 и S2) сведены в таблицу S1. Объемы пор CMK-3 и AC составляют 1,58 и 1,0 см 3 /г соответственно. CMK-3 представляет собой упорядоченную мезопористую структуру, как показано на рисунке 2(c). Изображение AC, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), указывает на слоистую структуру (рис. 2(d)).


При сравнении изотерм СО 2 , определенных на СМК-3 при 273 К с разным массовым отношением воды к углероду ( Rw ), наблюдались очевидные различия, как показано на рис. 2(д). Изотерма CO 2 на сухой СМК-3 представляет собой изотерму типа IV, классифицированную IUPAC, из-за конденсации CO 2 в мезопоре (3,8 нм). При Rw = 1 (т.е. пора заполнена водой) поглощение СО 2 заведомо меньше, чем на сухом образце при давлении < 15 атм, так как адсорбционные центры заняты молекулой воды.По сравнению с кривой сорбции СО 2 в воде (рис. S3), незначительное поглощение СО 2 в основном связано с адсорбцией СО 2 на поверхности углерода. Очевидно, что углеродный материал с различным соотношением воды демонстрирует одинаковое поглощение CO 2 до 15  атм, и небольшая разница должна быть связана с растворенным CO 2 . Интересно было обнаружить, что небольшая ступенька возникает при давлении 15,1 атм, а большая — при давлении > 25 атм.Первую ступень в районе 14-15 атм, наблюдаемую на всех мокрых СМК-3, следует отнести к газогидратообразованию. Поглощение на первом этапе, очевидно, увеличивается в зависимости от значения Rw . При Rw > 1 вода переполняла бы поровый объем и занимала зазор между частицами с образованием газогидратов при относительно более низком давлении по сравнению с формированием в замкнутом пространстве. Исходя из уравнения, чем меньше форма кристалла гидрата газа, тем выше избыточная поверхностная свободная энергия Гиббса.Согласно уравнению, при образовании мелких кристаллов необходимо более высокое пластовое давление. Такое же давление образования газовых гидратов на пористый материал, как и в объемной водной системе, означает, что газовые гидраты образуются из пор.

Второй этап, который произошел при относительно более высоком давлении, следует отнести к образованию газогидратов. Тем не менее, было отмечено, что второй этап имел аналогичное увеличение поглощения независимо от значения Rw . Молярное отношение воды к CO 2 , определенное как, приведено в таблице 1.Очевидно, что значение (7,67) выше теоретического (5,75) при полном переходе воды в гидрат СО 2 . Причина в том, что 5 12 мелких клеток предпочтительно заняты молекулой воды, а для СО 2 в элементарной ячейке сохраняется только 6 крупных клеток. В прошлом это избыточное поглощение объяснялось (1) избыточной адсорбцией в зазоре между гидратом газа и поверхностью углерода или (2) образованием неполных клеток. В данном случае мы предлагаем более реальный механизм, согласно которому избыточное поглощение происходит за счет конденсации CO 2 в мезопоре CMK-3, где вода замещается CO 2 .Этот механизм подтверждается и другими экспериментальными результатами. При Rw = 2,01 (рис. 2(д)), вода вне пор сначала превращается в гидрат СО 2 при относительно более низком давлении 14 атм при 273 К. начинают формироваться в поре, чтобы уменьшить поверхностную свободную энергию Гиббса. Эти фрагменты и микрокристаллы имеют тенденцию объединяться и расти из поры. Однако резкого увеличения поглощения в этих условиях обнаружить не удалось, что свидетельствует о том, что миграция фрагментов газогидратов не может происходить самостоятельно, если только она не сопровождается конденсацией СО 2 в мезопоре.Взаимодействуя с конденсацией СО 2 , кластер воды мигрирует изнутри поры наружу для дальнейшего роста кристаллов гидрата СО 2 . Тем временем поры постепенно пустеют и позволяют происходить конденсации CO 2 . Сравнивая поглощение CO 2 на двух стадиях и количество адсорбции CO 2 на сухом угле (таблица 1), становится ясно, что предложенный нами здесь механизм является разумным. При вычитании адсорбционного количества СО 2 из общего поглощения газогидраты, полученные на всех влажных ЦМК-3, показывают приемлемое значение относительно теоретического.Результат можно было получить и из десорбционной ветви изотерм. Как показано на рисунке S4, ветвь десорбции CO 2 на CMK-3 ( Rw = 0,96) показывает очевидную петлю гистерезиса, которая сильно отличается от ветви десорбции CO 2 на сухой CMK-3. Для большей наглядности из десорбционной ветви вычтено расчетное количество газогидрата, образовавшегося на ЦМК-3 (6,83 ммоль/г). Установлено, что при давлении >23,7 атм ветвь десорбции хорошо совпадает с ветвью на сухом ЦМК-3, что свидетельствует об аналогичном механизме десорбции.При снижении давления поглощение СО 2 на влажном ЦМК-3 снижается быстрее, чем на сухом образце. На этом этапе газогидрат разлагается на свободную молекулу воды, которая повторно занимает поры CMK-3 и ускоряет десорбцию CO 2 . При расчете поглощения СО 2 путем десорбции на сухом угле в диапазоне 12,1-23,7  атм количество выделяемого газа при разложении газового гидрата составляет около 6,91, что согласуется со значением, оцененным по адсорбционной ветви.

90 944

Образец Rw Усвоение Молярное отношение воды к газу
Общее поглощение адсорбционного Сумма

C1 0 21.1 21,1 0
С2 0,96 27,9 21,1 1,38 5,45 7,83 7,80 7,85 7,65
С3 2.01 35,6 21,1 8,72 6,05 14,77 7,64 7,23 7,79
C4-2.39 38,8 21,1 12,50 5,23 17,43 7,48 7,96 7,29
A1 0 37,1 34,0 0 0 0
A2 1,58 34.6 34.6 34.0 0 0 0
A3 2.28 35,0 34,0
A4 3,10 56,5 34,0 22,50 7,65

, , и соответствуют поглощению, которое произошло в результате второй стадии образования гидрата, соответственно суммы двух стадий и газогидратообразования на первой стадии., , и – числа газогидратов, соответствующие образовавшемуся газогидрату на первой стадии, второй стадии и сумме двух стадий соответственно.

Когда аналогичные эксперименты проводились на АЦ с нерегулярным размером щели размером около 2 нм, были получены явно разные изотермы. Изотерма CO 2 (рис. 2(f)) на сухом AC показала кривую типа I из-за малого размера пор (2 нм). В отличие от изотермы на мокром ЦМК-3 изотерма СО 2 на мокром АУ имела только один перегиб.Когда количество воды, равное объему пор, количество адсорбции демонстрирует плавное увеличение около 15 атм при 273 К, что сильно отличается от резкого увеличения при 14 атм, наблюдаемого на влажной СМК-3. Примечательно, что поглощение на влажном АУ с Rw = 1,58 аналогично таковому на его сухом образце. Был сделан вывод, что плавное увеличение связано с заменой воды на CO 2 . Когда Rw = 1,58, поглощение достигает максимального значения на сухом АУ, что свидетельствует об отсутствии превращения воды в газогидраты.Такой же результат наблюдался на АС с Rw = 2,28. В этом случае, хотя водная нагрузка явно превышала объем пор АУ, образования газовых гидратов около 14 атм не наблюдалось, что отличалось от результатов на СМК-3. Вода из поры АУ не может образовывать газогидраты даже через 48 ч. Причина может быть связана с особой пористой структурой АЦ. Пора в AC имеет V-образную форму. Вода, замещенная CO 2 , может находиться в верхней части поры V, где давление для образования гидрата газа слишком велико, когда конденсация CO 2 происходит на дне поры.

Небольшая петля гистерезиса наблюдалась в ветви десорбции ( Rw = 2,28) (рис. S5), которая сильно отличается от ветви десорбции CO 2 на сухом АУ, что указывает на другой механизм десорбции. В этом случае адсорбированная молекула СО 2 отходит легче, чем на сухом углероде. При 1 атм десорбция CO 2 может достигать более 99%. При снижении давления адсорбированный CO 2 диссоциирует с поверхности и замещается молекулой воды.Диспергирование СО 2 при замещающем воздействии воды происходит легче, чем на сухом АУ, за счет как энтальпии, так и энтропии. С одной стороны, повторное связывание воды с поверхностью углерода компенсирует потерю энтальпии, когда CO 2 диспергируется с поверхности. С другой стороны, увеличение энтропии поступательного движения, вызванное десорбцией CO 2 , выше, чем снижение энтропии поступательного движения, вызванное адсорбцией H 2 O, что способствует протеканию процесса.Когда Rw увеличивается до 3,1, частичная вода из поры V может образовывать гидраты газа при относительно более низком давлении, заставляя воду в поре участвовать в образовании гидрата CO 2 . Изотерма ( Rw = 3,1) показывает, что резкое возрастание, произошедшее примерно при 15 атм, соответствует образованию гидрата СО 2 . При расчете молярного отношения воды к газу значение x = 7,65 хорошо согласуется с теоретическим (7,67), указывая на то, что вода на АС полностью превращается в гидрат газа при этих условиях.Также было замечено, что после вычитания поглощения, вызванного образованием газового гидрата, кривая изотермы ( Rw = 3,1) похожа на другие ( Rw = 1,58 и 2,28), что позволяет предположить, что механизм CO 2 адсорбция на АУ с давлением > 15 атм под разными Rw одинакова. Ветвь десорбции ( Rw = 3,1) показывает небольшую петлю гистерезиса (рис. S5). Резкое уменьшение поглощения СО 2 происходит при температуре около 13,9  атм, что соответствует диссоциации кристаллов гидрата и десорбции СО 2 из нанопоры, сопровождающейся повторным захватом молекулы воды в нанопоре.Как и в случае СМК-3, процессу диспергирования СО 2 способствует замещение молекулы воды после разложения газогидрата.

Чтобы различить механизмы, соответствующие поглощению газа, полученные из термодинамически-статических исследований на каждом этапе, были проведены кинетические адсорбционные эксперименты. И адсорбция газа, и образование гидратов являются экзотермическими процессами. Процесс образования газовых гидратов протекает намного медленнее, чем процесс адсорбции, поскольку первый включает в себя индукционный период для зародышеобразования и длительный период для роста кристаллов.Следовательно, индукционный период и медленная скорость роста с выделением тепла являются уникальными особенностями гидратообразования. Кинетические кривые при изменении температуры показаны на рисунках 2(g) и 2(h). Из кинетической кривой было обнаружено, что температурные пики, возникающие на обоих материалах, сопровождаются точками перегиба поглощения. По сравнению с холостым экспериментом (рис. S6), при загрузке CO 2 на сухую СМК-3 наблюдался только один температурный пик около 18°C, связанный с выделением тепла адсорбции, тепла расширения газа и тепла, переданного от окружающая обстановка.В случае Rw = 0,96 и 2,01 первый пик температуры снижается примерно до 9°С из-за большой емкости воды. На влажной СМК-3 вторая точка перегиба возникает примерно через 20 мин, и медленное снижение следует отнести к фазе, переносящей тепло.

Аналогичная тенденция изменения температуры наблюдалась и на АС. При загрузке СО 2 на сухой АУ температурный пик достигает около 45°С, что намного выше, чем на СМК-3, из-за большей адсорбционной величины и большей потенциальной интенсивности пор в АУ.При загрузке СО 2 на влажный АУ первый температурный пик снижается до 20°С из-за высокой теплоемкости воды. При Rw = 1,58 наблюдался только один температурный пик, соответствующий резкому увеличению поглощения без индукции времени. Это является веским основанием для вывода о невозможности образования гидратов СО 2 в данном случае. При Rw = 3,1 пик температуры около 8°С приходится на относительно более длинную платформу, что указывает на то, что процесс сопровождается медленным экзотермическим процессом, относящимся к газогидратообразованию.

Для получения точного значения теплоты были собраны кривые изотерм (рис. S7-S12) при различных температурах для анализа энтальпии фазового перехода. В соответствии с уравнением Клаузиуса-Клапейрона была получена энтальпия адсорбции на CMK-3 с различными Rw (подробнее см. вспомогательную информацию). Энтальпия первой стадии образования гидрата вне пор составляет 64,7 кДж/моль. Энтальпия второй стадии составляет 31,0 кДж/моль, что ниже энтальпии (64.7 кДж/моль) образования гидрата СО 2 , но выше энтальпии конденсации СО 2 (19,8 кДж/моль), полученной при адсорбции СО 2 на сухом ЦМК-3. Поскольку энтальпия не связана с путем, энтальпия всего процесса может быть рассчитана из начального состояния (газы CO 2 + жидкая вода) и конечного состояния (конденсированный CO 2 + CO 2 гидрат) . Суммарная расчетная энтальпия второй стадии составляет 32,0 кДж/моль, что удивительным образом согласуется со значением, рассчитанным по уравнению Клаузиуса-Клапейрона (31.0-32,6 кДж/моль). Эти результаты еще раз подтверждают наш вывод о том, что конденсация и гидратообразование происходят одновременно на второй стадии. Аналогичным образом, путем расчета энтальпии из изотерм на влажном АУ ( Rw = 3,1) при различных температурах (рис. S12), энтальпия фазового перехода, соответствующая резкому увеличению поглощения, составляет 68,0  кДж/моль. Одинаковая энтальпия на влажном АУ (20,0 кДж/моль, Rw = 1,58) и на сухом АУ (23,0 кДж/моль) указывает на один и тот же адсорбционный механизм.

Следует отметить, что начальное поглощение (8,2 ммоль/г) на влажной СМК-3 согласуется с количеством адсорбции (9 ммоль/г), рассчитанным по площади поверхности СМК-3 (998 м 2 /г) , но явно ниже, чем на сухом образце (21 ммоль/г). При введении в систему СО 2 первым делом происходит замещение СО 2 частью воды, адсорбированной на поверхности материала. После первого процесса молекула CO 2 адсорбируется на поверхности поры, а центр поры по-прежнему заполнен молекулой воды.При экспериментальных давлениях с индуцирующим временем вода в поре пересыщается гидратным зародышем. Таким образом, молекула СО 2 предпочитает конденсироваться в центре поры, а зародыш гидрата стремится вырасти до крупных кристаллов. В этих условиях вода в поре непрерывно уходит на конверсию, а СО 2 непрерывно конденсируется в свободном пространстве. Кинетические кривые влажного ЦМК-3 показывают, что сначала происходит поверхностная адсорбция СО 2 , а затем наряду с конденсацией СО 2 образуются газогидраты.Конечным результатом является замена воды в порах конденсированным CO 2 .

Что касается АС, то он отличается от СМК-3. Начальная адсорбционная величина на влажном АУ ( Rw = 1,58 и 3,1) такая же, как и на сухом АУ, что указывает на полную замену вначале. На СМК-3 первоначально СО 2 мог замещать только воду, адсорбированную на поверхности углерода, а на АС СО 2 мог замещать почти всю воду в поре. Это связано с тем, что размер пор этих двух материалов разный.Размер пор AC (2 нм) меньше, чем у CMK-3 (3,8 нм), что приводит к большей напряженности потенциала в порах AC и приводит к конденсации CO 2 в порах AC. Как упоминалось выше, на влажном АУ ( Rw = 1,58) газогидрат не мог образовываться. Было обнаружено, что при увеличении количества водной нагрузки образуются газовые гидраты, объем которых приближается к теоретическому объему гидратов. Понятно, что при увеличении Rw вода замещается и выдавливается из клиновидной поры молекулой CO 2 .В этих условиях часть воды из пор может образовывать гидраты CO 2 . Очень интересно, что как только газовые гидраты начинают формироваться из поры, вода внутри поры вытесняется из поры, чтобы участвовать в образовании гидрата CO 2 . По сравнению с адсорбцией СО 2 на ЦМК-3, имеющей зависимый процесс замещения с газогидратообразованием, замещение на АУ может происходить в любое время, т.е. до, во время или после газогидратообразования.

После первоначального процесса замены на ЦМК-3 и АС замена воды в среднем слое пор на СО 2 с нагнетанием СО 2 определяется размером пор. В мелких порах после первоначальной адсорбции СО 2 на поверхности углерода не остается места для молекулы воды, и вода полностью вытесняется из поры. Когда размер пор достаточно велик, чтобы вода могла занять средний слой поры, энергия связи H 2 O-H 2 O и H 2 O-CO 2 составляет 25  кДж/моль и 19.8 кДж/моль, соответственно, рассчитано методом DFT. Очевидно, что взаимодействие CO 2 -CO 2 (8,3 кДж/моль) слабее, чем CO 2 -H 2 O или H 2 OH 2 O, т.е. 2 вставка не является самопроизвольным процессом. Для преодоления энтальпийного барьера необходимо увеличить потенциал СО 2 в газовой фазе за счет увеличения давления СО 2 . При замещении воды на СО 2 в среднем слое поры СО 2 располагается в поре и конденсируется.Давление конденсации в поре 2 нм, очевидно, ниже, чем в поре 3 нм, так как потенциал перекрытия создается углеродными стенками. Как видно из экспериментов по статической адсорбции, давление для замены воды на CO 2 в щелевой поре размером 2 нм составляет около 16 атм. Напротив, в CMK-3 с размером пор 3,8 нм замены не наблюдалось. Давление, вызывающее этот процесс в поре 3,8 нм, значительно выше, чем при образовании газогидрата. Следовательно, сначала происходит образование гидрата газа, что приводит к перемещению молекулы воды изнутри поры наружу для участия в формировании кристаллов гидрата CO 2 .

На основании статических и кинетических исследований процесс введения СО 2 во влажные углеродные системы включает начальную замену воды на СО 2 на первом слое поверхности углерода, замену воды в среднем слое пор , и образование гидратов CO 2 . Затем мы рассчитали энтропию, энтальпию и свободную энергию, извлеченные из расчетов ab initio системы CO 2 -вода, ограниченной моделью слоистого графена с размером щели 1, 1.5, 2, 3 и 4 нм (рис. 3(а)). Процесс замещения мог происходить на поверхности углерода до образования газогидрата, хотя атом углерода на поверхности СМК-3 имеет более высокую энергию связи с H 2 O, чем с CO 2 , как показано на рис. 3(b). . Следовательно, в процессе замещения воды CO 2 должна преобладать энтропия.


Энтропия свободных молекул (CO 2 и H 2 O) и адсорбированных молекул на поверхности углерода и в гидратах CO 2 была рассчитана по их колебаниям (рис. S13 и S14).Полная энтропия представляет собой сумму поступательной, вращательной и внутренней колебательной составляющих: . Было получено шесть режимов вибрации воды и CO 2 , соответствующих изгибной вибрации, симметричной вибрации растяжения, асимметричной вибрации растяжения и вращательной вибрации. Подробная частота указана в Таблице S2. При сравнении частоты молекул до и после адсорбции было обнаружено, что явные изменения происходят в низкочастотной области, соответствующей вращательному колебанию.Вращательная вибрация воды сильно ограничена углеродными порами, особенно микропорами, на которые приходится 50% потери энтропии. Напротив, частота вращения CO 2 явно не изменяется, а это означает, что энтропия замещения воды CO 2 на поверхности углерода благоприятна, что могло бы компенсировать потерю энтальпии. С учетом эффекта размера пор взаимосвязь между давлением, размером пор и температурой, когда энергия Гиббса процесса меньше нуля, показана на рисунке 3(c).Очевидно, что чем больше размер пор и чем выше температура, тем выше давление, необходимое для того, чтобы свободная энергия Гиббса стала меньше нуля. В дополнение к энтропийному механизму процесса замещения в крупных порах замена H 2 O на CO 2 в однослойной области может самопроизвольно осуществляться не только энтропией, но и энтальпией. Как показано на рис. 3(a), когда молекула CO 2 расположена на углеродной сетке (001) вдоль ориентации COC, взаимодействие стэкинга π π позволяет одной стороне электронов π сфокусироваться. вблизи поверхности углерода, а противоположная сторона π электронов ослаблена, что приводит к тому, что неподеленные пары электронов атома сильно взаимодействуют с положительно заряженным атомом.Если неподеленные пары электронов воды непосредственно связаны с поверхностью углерода, они должны направиться к молекуле CO 2 . Если неподеленная пара электронов воды направлена ​​к , π электронов CO 2 все еще будут иметь сильное взаимодействие с поверхностью углерода. По сравнению с другой структурой C-H 2 O-CO 2 результаты моделирования показывают, что структура C-CO 2 -H 2 O более стабильна. Таким образом, стабильная конфигурация делает возможной замену воды на CO 2 .

Для дальнейшего подтверждения вывода о том, что гидраты CO 2 могут образовываться вне пор при определенных условиях, in situ рамановские исследования были выполнены на CMK-3 и AC. Спектр комбинационного рассеяния этих материалов имеет характерные пики в спектральном диапазоне от 1200 до 1800  см -1 . Признак G имеет характерный пик около 1582 см -1 , что соответствует всем углеродным структурам, имеющим гибридизацию sp 2 [26]. Полоса около 1351 см −1 ( λ = 532 нм) известна как полоса D (вызванная дефектами), и для ее активации требуется структурный дефект в сотовой решетке углерода.Из-за кривизны, в отличие от идеальной сотовой решетки графита, полоса G распадается на полосы G+ и G- с центрами около 1571 и 1593  см −1 соответственно (рис. 3(d) и 3(e)) . Затем рамановских спектров in situ были собраны на СМК-3 с водным отношением 1 ( Rw = 1). При начальной загрузке СО 2 адсорбция СО 2 по результатам кинетических исследований происходит быстро, а спектр КР разделяется на несколько частей (рис. 3(г)(I)).Спектр комбинационного рассеяния CO 2 в адсорбционной фазе показывает симметричное растяжение (1286 см -1 ) и изгибную вибрацию (1389 см -1 ). Когда молекула CO 2 окружена гидратной сеткой, спектр уширяется и смещается в красную область (рис. 3(d)(II)). Когда гидратация завершена, пики симметричных колебаний растяжения и изгиба CO 2 при 1278 и 1386 см −1 смещаются до 1277 и 1382 см −1 соответственно, что соответствует колебаниям CO 2 в 5 клеток.Аналогичные изменения наблюдались и на АС. Симметричные пики колебаний при растяжении и изгибе (рис. 3(e)(I)) смещаются, когда коэффициент загрузки водой составляет 3,1, что указывает на образование гидрата CO 2 . При Rw = 1,58 не наблюдалось явных сдвигов пиков колебаний CO 2 (рис. 3(e)(II)), что указывает на отсутствие образования гидратов при этом соотношении нагрузок, что хорошо согласуется с предыдущими экспериментальными результатами.

На основании наших экспериментальных результатов как на репрезентативных (СМК-3 и активированный уголь АУ), так и на ТФП хорошо раскрыт механизм газогидратообразования на пористых материалах.Вода, поступающая из внутренней поры, могла заполнять зазор между частицами, а образующиеся кристаллы газогидратов заполнять пустое пространство. Полученный вывод не только дает новую теорию газогидратообразования на пористых материалах, но и дает ориентир для дальнейшего применения газоразделения.

Предварительно адсорбированная в нанопоре молекула воды играет роль распознавателя различных газов (рис. 4(а)). После исследования нескольких изотерм адсорбции/десорбции газа (CO 2 , CH 4 и C 2 H 6 на рисунках S15-S17) на влажных углеродных материалах было обнаружено, что замещающее давление связано с тип газа.В случае CH 4 вода в порах могла быть вытеснена только с образованием кристаллов гидрата газа из поры при высоком давлении. По сравнению с CH 4 и C 2 H 6 (рис. 4(b)) на AC ( Rw = 1,58), C 2 H 6 может заменить воду, адсорбированную в порах при относительно низкое давление. Используя эту разницу, было достигнуто повышение селективности CH 4 /C 2 H 6 с 4 (на сухом АУ) до 24 (на влажном АУ) путем расчета по кривым проскока (рис. 4(с)). ).Только C 2 H 6 может заменить воду, адсорбированную на AC, в текущих условиях эксперимента из-за его высокой энергии связи и низкой энтропийной потери. Из-за низкой энергии связи в порах CH 4 не может просто заменить воду, что приводит к сверхнизкой адсорбционной способности на влажном АУ по сравнению с сухим АУ (рис. S18). Следует отметить, что наша находка здесь сильно отличается от газоразделения на основе газовых гидратов. Повышение селективности может быть достигнуто только в том случае, если не образуются газогидраты.После образования газовых гидратов вода будет вытесняться из пор с образованием скопления газовых гидратов, что увеличивает конкурентное заселение метаном пустых пор АУ и клетки образовавшихся газовых гидратов. Повышенное поглощение метана снизит селективность CH 4 /C 2 H 6 . Следовательно, усиленное газоразделение в нашем исследовании происходит по другому механизму. Что еще более важно, время регенерации C 2 H 6 на влажном кондиционере сокращается до 1/6 на сухом кондиционере (рис. 4(d)).Таким образом, путем простого использования воды в порах был преодолен недостаток регенерации сильного адсорбционного газа на пористых адсорбентах, препятствующий их промышленному применению.


Когда парциальное давление C 2 H 6 уменьшается, молекула воды может повторно занимать поры, способствуя десорбции молекулы C 2 H 6 . Это усиление можно также понять из изменения энтропии всего процесса. Когда молекула воды заменяется молекулой газа, энтропийный штраф должен компенсироваться энтальпией.Энергия связи CH 4 (-27,39 кДж) намного ниже, чем у C 2 H 6 (-39,09 кДж) в поре, так что вода может быть заменена только C 2 H 6 . В процессе регенерации как энтропия, так и энтальпия способствуют десорбции C 2 H 6 и реоккупации воды в порах АУ.

3. Обсуждение

На основе термодинамических и кинетических исследований адсорбции CO 2 в сочетании с расчетами DFT мы предложили новый механизм образования газовых гидратов на пористых материалах, который сильно отличается от предыдущей гипотезы.Мы обнаружили, что газогидраты не могли образовываться и оставаться в нанопоре, а избыток газа, наблюдаемый в искусственных газогидратах, возникал в результате адсорбции и конденсации газа в нанопространстве, когда вода вытеснялась из поры с образованием газогидратов. Установленный вывод не только дает теорию газогидратообразования на пористых материалах, но и дает ориентир для дальнейшего применения газогидратов в газоразделении. Значительное улучшение селективности по газу и регенерации может быть достигнуто за счет точного управления процессом образования гидратов газа.

В соответствии с новым пониманием метод повышения газогидратообразования за счет использования гидрофобных пористых материалов должен быть пересмотрен. При газогидратообразовании на пористых материалах предварительно насыщенная вода может быть заменена адсорбатами типа СО 2 , метана и этана. Низкая плотность упаковки всегда является проблемой, ограничивающей применение пористых материалов в хранилищах газа. Наше исследование, объединяющее хранение газа в порах и образование гидратов газа в пустом пространстве, преодолевает узкое место, связанное с низкой плотностью упаковки, и значительно увеличивает способность пористых материалов аккумулировать газ в практических условиях.Таким образом, настоящий механизм может быть применим для разделения других бинарных газовых систем.

Доступность данных

Все данные, необходимые для оценки выводов в документе, представлены в документе и дополнительных материалах. Дополнительные данные, относящиеся к данной статье, могут быть запрошены у авторов.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта финансовых интересов.

Вклад авторов

Цзя Лю и Яджуан Вей внесли равный вклад в эту работу и разработали исследование, подготовили образцы и провели термодинамические и кинетические эксперименты.Цзя Лю провел расчеты DFT. Вэй Мэн провел эксперименты с комбинационным рассеянием. Цзя Лю проанализировала данные и написала статью при участии Пей-Чжоу Ли, Жуцян Цзоу и Яньли Чжао.

Благодарности

Жуцян Цзоу выражает благодарность Национальному фонду естественных наук Китая за финансовую поддержку (грант 51772008). Янли Чжао благодарит за поддержку Сингапурский фонд академических исследований (гранты RG5/16, RG11/17 и RG114/17) и грант AME IRG Сингапурского агентства по науке, технологиям и исследованиям (ASTAR) (грант A1783c0007).

Дополнительные материалы

Метод, расчет энтальпии, термодинамический расчет и исследование DFT. Рисунок S1: Изотермы адсорбции/десорбции N 2 на CMK-3 (a) и AC (b) при 77  K. На вставках представлены распределения пор по размерам методом DFT. Рисунок S2: Изотермы адсорбции/десорбции водяного пара на сухих образцах (а) CMK-3 и (b) AC при 293 K Рисунок S3: Изотермы адсорбции/десорбции CO 2 в объемной воде при 273 K Рисунок S4: сравнение изотерм адсорбции/десорбции СО 2 на ЦМК-3 при 273 К.Красные пустые квадраты представляют ветвь десорбции после вычета расчетного значения образования газогидратов (6,83 ммоль/г) из действительной ветви десорбции. Рисунок S5: сравнение изотерм адсорбции/десорбции CO 2 на AC с различными значениями Rw при 273 K. Рисунок S6: холостой эксперимент кинетической температурной кривой адсорбции CO 2 . Рисунок S7: Изотермы адсорбции CO 2 на ЦМК-3 при разных температурах, когда Rw = 0. Рисунок S8: Изотермы адсорбции CO 2 на ЦМК-3 при разных температурах, когда Rw = 0.96. Рисунок S9: Изотермы адсорбции CO 2 на СМК-3 при разных температурах, когда Rw = 2. Рисунок S10: Изотермы адсорбции CO 2 на AC при разных температурах, когда Rw = 0. Рисунок S11: CO 2 Изотермы адсорбции на переменном токе при разных температурах, когда Rw = 1,58. Рисунок S12: Изотермы адсорбции CO 2 на переменном токе при различных температурах, когда Rw = 3,1. Рисунок S13: моды колебаний адсорбированной молекулы воды и CO 2 на графене.Рисунок S14: оптимизированные структуры кристаллов гидрата CO 2 на основе расчетов. Красный представляет атомы кислорода в CO 2 , серый представляет атом углерода, а синий и светло-зеленый представляют кислород и водород в воде соответственно. Рисунок S15: Изотермы адсорбции/десорбции C 2 H 6 на переменном токе при 273 K с различными значениями Rw . Закрашенные символы представляют собой адсорбционную ветвь, а пустые символы представляют десорбционную ветвь. Рисунок S16: Изотермы адсорбции/десорбции C 2 H 6 на переменном токе при различных температурах, когда Rw = 1.5. Рисунок S17: Изотермы адсорбции/десорбции CH 4 на переменном токе при 273 K с различными значениями Rw . Закрашенные символы представляют собой адсорбционную ветвь, а пустые символы представляют десорбционную ветвь. Рисунок S18: Изотермы адсорбции/десорбции CH 4 и C 2 H 6 на сухом AC при 273 K.