DE2825788A1

DE2825788A1 - Verfahren zum abtrennen eines gasfoermigen bestandteiles aus einer gasmischung und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2825788A1
Application number: DE19782825788
Authority: DE
Inventors: Stephen Lee Matson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-06-22
Filing date: 1978-06-13
Publication date: 1979-01-18
Also published as: US4119408A; DE2825788C2; JPS6159774B2; JPS5417382A; GB1577103A

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectadyj Ν.Υ._Λ U.S.A.

Verfahren zum Abtrennen eines gasförmigen Bestandteiles aus einer Gasmischung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Entfernen eines gasförmigen Bestandteiles aus einer Gasmischung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Es wird

gemachter mindestens eine Membran mit unbeweglich/bzw. immobilisierter Flüssigkeit oder immobilisierte Flüssigkeitsmembran benutzt, die von einer Spülflüssigkeit durch eine gasdurchlässige Sperre getrennt ist.

Es wird Bezug genommen auf die am gleichen Tage eingereichte deutsche Patentanmeldung , für die die Priorität der US-Patentanmeldung vom 15. Juni 1977, Serial No. 8O6 8^5 beansprucht ist. Diese Anmeldung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufrechterhalten der Trennwirksamkeit einer immobilisierten Flüssigkeitsmembran, nachfolgend abgekürzt als IFM

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bezeichnet, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Bei dem Verfahren nach dieser Patentanmeldung wird frische Flüssigkeit in einen ersten Bereich der Membran eingeführt, um das Austreten von mindestens teilweise deaktivierter Flüssigkeit aus einem zweiten Bereich der Membran zu bewirken.

In der US-PS 3 819 &06 ist aie Anwendung von IFM¹s für die selektive Abtrennung von Schwefelwasserstoff aus einer Gasmischung beschrieben.

In der vorliegenden Erfindung wurde nun festgestellt, dass die Aufrechterhaltung der Trennwirksamkeit der IFM beträchtlich verbessert werden kann.

Gemäss einem Aspekt uer vorliegenden Erfindung ist die Vorrichtung zum selektiven Entfernen eines gasförmigen Bestandteiles aus einer Gasmischung mit

einer IFM, die in der Flüssigkeit einen Stoff enthält, der sich chemisch reversibel mit dem gasförmigen Bestandteil umsetzt,

einer gasdurchlässigen Sperre, die gegenüber der Flüssigkeit im wesentlichen undurchlässig ist, wobei die Sperre mit einer Oberfläche gegenüber einer Oberfläche der IFM liegt,

einer Einrichtung zum Inberührungbringen der Gasmischung mit einer gegenüberliegenden Oberfläche der IFM und

einer Einrichtung zum Leiten einer Strömung von Spülflüssigkeit an der gegenüberliegenden Oberfläche der Gassperre vorbei, um die davon austretenden Gase zu absorbieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwirksamkeit der IFM im wesentlichen dadurch aufrecht erhalten wird, dass

die Sperre mindestens einen Durchgang und vorzugsweise eine Mehrzahl von Durchgängen aufweist, die sich von ihrer ersten

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bis zur zweiten Oberfläche erstrecken und

der Durchgang eine solche Grosse hat, dass Spülflüssigkeit darin aufgenommen werden kann, so dass die Spülflüssigkeit durch den Durchgang hindurch in Verbindung mit der Membran steht, wodurch eine Menge des sich reversibel umsetzenden Stoffes, der in der Spülflüssigkeit enthalten ist, durch den Durchgang mittels Diffusion in die Flüssigkeit übertragen wird, die immobilisiert in der Membran vorhanden ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Struktur eingesetzt, die aus IFM/Sperre/IFM/Sperre besteht und zwischen der Einrichtung zum Inberührungbringen der Gasmischung mit der Membran und der Einrichtung für die Spülflüssigkeitsströmung angeordnet ist. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist jede der gasdurchlässigen Sperren mit mindestens einem und vorzugsweise einer Mehrzahl von Durchgängen versehen.

Gemäss einem anderen Aspekt deijjErfindung ist das Verfahren zum Entfernen eines gasförmigen Bestandteiles aus einer Gasmischung mit folgenden Stufen:

A) Inberührungbringen üer Mischung mit einer IFM, die in der Flüssigkeit mindestens einen Trägerstoff enthält, der sich chemisch reversibel mit dem zu entfernenden Gasbestandteil umsetzt, um aen erleichterten Transport des Bestandteiles durch die Membran zu einer gasdurchlässigen Sperre, die gegenüber der Flüssigkeit im wesentlichen undurchlässig ist, zu bewirken,

ß) Hindurchführen der aus aer IFM austretenden Gase durch die gasdurchlässige Sperre und

C) Absorbieren der aus der Sperre austretenden Gase in einer

Spülflüssigkeit,
dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwirksamkeit der Membran

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im wesentlichen aufrechterhalten oder dadurch wiederhergestellt wird, dass

a) die Sperre mindestens einen sich quer hindurch erstreckenden Durchgang aufweist,

b) die Spülflüssigkeit eine Menge des Trägerstoffes enthält und

c) die Spülflüssigkeit durch den Durchgang hindurch mit der IFM in Berührung gebracht wird, um die übertragung mindestens eines Teiles des Trägerstoffes von der Spülflüssigkeit in die Flüssigkeit, die immobilisiert in der IFM vorhanden ist, durch Diffusion zu bewirken.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens werden zwischen den oben genannten Stufen B) und C) die Stufen A) und B) unter Verwendung einer zusätzlichen IFM und einer zusätzlichen gasdurchlässigen Sperre nochmals wiederholt.

Die Trennwirksamkeit der Membranen wird im wesentlichen aufrechterhalten oder wiederhergestellt dadurch, dass

a). jede der Sperren mindestens einen sich quer dadurch erstreckenden Durchgang aufweist,

b) die Spülflüssigkeit eine Menge des Trägerstoffes enthält und

c) die Spülflüssigkeit mit der zusätzlichen IFM durch den bzw. die Durchgänge in der zusätzlichen Sperre in Berührung gebracht wird und in Diffusionsströmungsverbindung mit der ersten IFM durch den oder die Durchgänge in der ersten Sperre steht, um die Übertragung mindestens eines Teiles des Trägerstoffes von der Spülflüssigkeit in die in beiden IFM's vorhandene immobilisierte Flüssigkeit zu bewirken.

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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 eine schematische Ansicht der erfindungsgemässen Vorrichtung mit einer einzelnen IFM, einer Spülflussigkeitskammer und einer dazwischen angeordneten gasdurchlässigen Sperre mit Durchgängen, und

Figur 2 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung mit einer Baueinheit aus IFM/gasdurchlässiger Sperre/IFM, einer Spülflussigkeitskammer und einer dazwischen angeordneten gasdurchlässigen Sperre, wobei beide Sperren Durchgänge aufweisen.

In Figur 1 ist die Vorrichtung zum Entfernen eines gasförmigen Bestandteiles aus einer Gasmischung mit 10 bezeichnet. Diese Vorrichtung 10 schliesst eine IFM 12 ein, deren Flüssigkeit mindestens einen Trägerstoff enthält, der sich chemisch reversibel mit dem zu entfernenden Gasbestandteil umsetzt. Die gasdurchlässige Sperre lh ist mit einer ersten Oberfläche gegenüber einer ersten Oberfläche der IFM 12 angeordnet, wobei sich aie genannten Oberflächen vorzugsweise in inniger Berührung miteinander befinden. Bei der in Figur 1 gezeigten Orientierung ist die IFM 12 mechanisch durch die gasdurchlässige Sperre 14 abgestützt, die auch dazu dient, die Flüssigkeit in der IFM 12 unter einem positiven Druckunterschied von zugeführter Gasmischung und Spülflüssigkeit zu halten. Eine ununterbrochen strömende Gas Zuführungsmischung, die Schwefelwasserstoff und Kohlendioxyd enthalten kann, wie es bei vergaster Kohle der Fall ist, wird in die Strömungskammer 16 geführt, die die Gasmischung in Berührung mit der Aussenoberfläche der IFM 12 an dieser entlang leitet. Bei der Verwendung von Kohlegas kann zwischen der Kammer 16 und der IFM

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ein gasdurchlässiger Deckel 17 vorgesehen sein, um die IPM frei von irgendwelchen Teilchen zu halten. Wird ein solcher Deckel 17 verwendet, dann wird die GasZuführungsmischung an diesem Deckel entlang geleitet und befindet sich somit in indirekter Berührung mit der IB¹M 12. Eine ununterbrochen strömende Spülflüssigkeit, die eine Lösung sein kann, wird durch die Strömungskammer 18 geleitet, durch die die Flüssigkeit entlang und in Berührung mit der äusseren Oberfläche der Sperre Ik geführt wird.

Die gasdurchlässige Sperre 14 und,wo ein solcher benutzt wird, der gasdurchlässige Deckel 17 sind aus im wesentlichen flüssigkeitsundurchlässigem Material, d.h. im wesentlichen undurchdringbar für die Flüssigkeit der IFM, hergestellt. In einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist das Material für Sperre I¹I und Deckel 17 mikroporös und zumindest im wesentlichen nicht benetzbar durch die in der IFM 12 enthaltene Flüssigkeit. Wenn, wie dies bevorzugt ist, in der IFM eine wässrige Flüssigkeit immobilisiert ist, dann können gasdurchlässige Sperre 14 und Deckel 17 aus einem mikroporösen hydrophoben Material bestehen, wie fluorierten Kohlenwasserstoffpolymeren, z.B. Polytetrafluoräthylen.

Der Durchmesser der grössten Pore in dem mikroporösen Material, das als Sperre benutzt wird, sollte ausreichend gering sein, so dass der Anfangsaruck des Materials mit Bezug auf eine gegebene Spülflüssigkeit den Spülflüssigkeitsdruck mindestens

um etwa 7 kg/cm übersteigt. Der benutzte Begriff "Anfangsdruck" bedeutet den minimalen positiven Druckunterschied von dem Druck der Flüssigkeit, die(sich in Berührung mit einer Oberfläche des porösen Materials befindet, zum Druck in den Mikroporen, bei dem die Flüssigkeit in die Mikroporen eintritt.

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Mikroporöse Materialien mit einem solchen Anfangsdruck schliessen das Benetzen der Sperre durch die Flüssigkeit in der IFM und durch die Spülflüssigkeit aus. Beträgt der Spülflüssigkeitsdruck 21 kg/cm oder mehr, dann sollte im allgemeinen der maximale Porendurchmesser der gasdurchlässigen Sperre bei bOO A oaer weniger liegen, um im wesentlichen das Benetzen der Sperre auszuschliessen. Wird die Sperre durch die Flüssigkeit in der Membran oder die Spülflüssigkeit benetzt, dann wird die Durchlässigkeitsselektivität der Einheit aus IFM und Sperre in den benetzten Bereichen beeinträchtigt.

Die bevorzugte Zusammensetzung eier IB¹M 12 für die Entfernung von Schwefelwasserstoff ist in den US-PS 3 396 510 und 3 819 606 angegeben, auf die hiermit Bezug genommen wird. In einer Ausführungsform umfasst die in der US-PS 3 819 beschriebene IFM, die auch in der vorliegenden Erfindung benutzt wird, eine Matrixschicht mit untereinander verbundenen Mikroporen, in denen sich eine wässrige Lösung befindet. Lösungen zur Herstellung von IFM's dieser Art sind aus destilliertem Wasser und einer Mischung von Kaliumcarbonat und Kaliumbicarbonat hergestellt worden. Die mikroporöse Matrix ist hergestellt aus einem hydrophilen Material, das heisst einem, das durch die verwendete Lösung benetzt wird. Im Handel erhältliche mikroporöse Materialien, die für diesen Zweck brauchbar sind, werden z.B. unter der Handelsbezeichnung "Solvinert" durch die Millipore Corporation, Bedford, Massachusetts, und unter der Handelsbezeichnung "Acropor" durch Gelman Instrument Co., Ann Arbor, Michigan, vertrieben. Ein in hohem Maße geeignetes hydrophiles Material für die IFM-Matrix ist mikroporöses Polyäthersulfon. Bei der Entfernung von Schwefelwasserstoff aus Kohlegas in der oben beschriebenen Vorrichtung des Standes der Technik wird festgestellt, dass die IFM zumindest teilweise desaktiviert wird, wie z.B. durch nachteilige Reaktionen des Sauerstoffes des Kohlegases mit dem durch die IFM geleiteten Schwefelwasserstoff.

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Es wurde in der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass die Trennwirksamkeit der IFM im wesentlichen aufrecht erhalten werden kann, wenn man die gasdurchlässige Sperre mit mindestens einem Durchgang versieht, wie durch die Durchgänge und 21 veranschaulicht, die sich durch die Sperre 14 erstrecken. Diese Durchgänge haben eine Grosse, so dass sie die Spülflüssigkeit aufnehmen können und die im folgenden noch näher beschriebene Diffusionsströmungsverbindung zwischen IPM und Spülflüssigkeit erhalten wird. Im allgemeinen sollte der Durchmesser jedes Durchganges im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 5000 ,um liegen und vorzugsweise im Bereich von etwa 10 bis etwa 1000 -um. Der kombinierte Querbereich der Durchgänge kann im Ber-eich von 0,001 bis zu etwa 20 % und vorzugsweise von 0,1 bis etwa 5 % des Bereiches einer Oberfläche der Sperre liegen. Innerhalb dieser Bereiche sind größere Bereiche erwünscht, um höhere Desaktivierungsgeschwindigkeiten auszugleichen. Im Betrieb ersetzen kombinierte Durchgangsbereiche oberhalb von 20 % in unangemessener Weise aktiven Sperrenbereich mit Feuchtigkeits-benetzten Sperrenregionen. Die Zahl der Durchgänge kann derart sein, dass die Dichte der Durchgänge im Bereich vqn etwa 0,1 bis etwa 500 und vorzugsweise von etwa 1 bis

ρ
etwa 50 Durchgänge pro 6,45 cm. für eine Oberfläche der Sperre liegt. Wenn die Spülflüssigkeitsströmung entlang der gasdurchlässigen Sperre und in Berührung damit beginnt, dann tritt ein ausreichender Teil der Spülflüssigkeit in die Durchgänge ein und erstreckt sich über die gesamte Länge des axialen Ausmasses eines oder mehrerer Durchgänge und füllt diese vorzugsweise.

Die Spülflüssigkeit enthält eine Menge des sich reversibel umsetzenden Trägerstoffes, z.B. CO," - und/oder HCO "-Ionen,

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wie sie in der in der Membran immobilisierten Flüssigkeit vorhanden sind, um den Transport des gasförmigen Bestandteiles, z.B. H_?S, durch die Membran zu erleichtern. Die Spülflüssigkeit in Kammer 18 steht in Diffusionsströmungsverbindung mit der Flüssigkeit in der Membran über die in den Durchgängen
enthaltene Flüssigkeit, wodurch eine Menge des Trägerstoffes, der in der Spülflüssigkeit enthalten ist, durch Diffusion über aen Durchgang in die Flüssigkeit in der Membran übertragen
wird. Gleichzeitig werden nachteilige Stoffe, z.B. Sulfate,
Sulfite, Thiosulfate und ähnliche, die in der Membran gebildet werden, uurch Diffusion von der Membran durch die Durchgänge in die Spülflüssigkeit übertragen. Das heisst, es wird eine gegenläufige Diffusion aes Trägerstoffes in die Membran und der nachteiligen Stoffe aus der Membran durch die Strömung der Spülflüssigkeit durch ede Kammer lö bewirkt. Im allgemeinen ist die Konzentration des Trägerstoffes in der SpUlflüssigkeit höher als die erwünschte Konzentration des Trägerstoffes in der Membranflüssigkeit, wodurch ein geeigneter Konzentrationsgradient erhalten wird. Mit Ausnahme dieser
Konzentration ist die Spülflüssigkeit vorzugsweise im wesentlichen in der Zusammensetzung identisch mit der Anfangszusammensetzung der Flüssigkeit in der IFM.

In B'igur 2 ist eine Vorrichtung22 gezeigt, die mit Ausnahme
der folgenden Komponenten identisch der Vorrichtung 10 in
Figur 1 sein kann. Die Vorrichtung 22 enthält noch eine zweite IFM 2k, die im wesentlichen identisch der IFM 12 sein
kann, wobei auch die zweite IFM 2k in der Flüssigkeit eine
Menge des Trägerstoffes enthält, der bereits in der IFM 12
vorhanden ist. Die zweite IFM 24 ist zwischen der ersten IFM und der ersten Sperre Ik angeordnet, wobei eine erste Oberfläche der zweiten IFM 2k in Berührung steht mit der inneren Oberfläche der Sperre Ik. Die Vorrichtung 22 enthält weiter eine zweite gasdurchlässige Sperre 26, die wie die Sperre Ik durch die flüssigkeit in den IFM's nicht benetzbar ist.

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Die Sperre 26 ist zwischen den IFM¹s 12 und 24 angeordnet, wobei eine Oberfläche der Sperre 26 in Berührung mit der ersten Oberfläche der IPM 12 und die andere Oberfläche der Sperre 26 in Berührung mit einer zweiten Oberfläche der IFM 24 stent. Die Sperre 26 weist mindestens einen Durchgang von der ersten zur zweiten Oberfläche auf, wie durch die Durchgänge 28 und 29 veranschaulicht ist. Diese Durchgänge haben eine Grosse, die geeignet ist, Flüssigkeit aufzunehmen, die aus der Membran 24 durch die Spülflüssigkeit herausgedrückt wird. Wenn es erwünscht ist, können weitere Paare aus IFM und Durchgänge aufweisender Sperre zwischen die Zuführungsund Spülkammern gelegt werden.

Beim Betrieb wird eine Spülflüssigkeit unter zumindest einem geringen Überdruck gegenüber Atmosphärendruck, z.B. 0,07 kg/cm oder mehr, in die Kammer 18 eingeführt, wobei ein Teil der Flüssigkeit in die Durchgänge 20 und 21 eintritt und diese vorzugsweise im wesentlichen vollständig füllt. Dadurch wird die Flüssigkeit in der Membran 24 aus der Membran herausgepresst und tritt in die Durchgänge 28 und 29 der auf der gegenüberliegenden Seite anliegenden gasdurchlässigen Sperre ein und füllt auch diese Durchgänge vorzugsweise im wesentlichen vollständig. Die Spülflüssigkeit wird dadurch über die Durchgänge 20 und 21 in eine Diffusionsströmungsverbindung mit der Membran 24 und über die Durchgänge 20 und 21, die IFM 24 und die Durchgänge 2& und 29 in Diffusionsströmungsverbindung mit der IFM 12 gebracht. Um die besten Ergebnisse zu erzielen, sind die Durchgänge 2b und 29 in der zwischen den beiden IFM¹3 angeordneten Sperre vorzugsweise mit den Durchgängen 20 und 21 in der Sperre 14 ausgerichtet. Die Durchgänge durch die beiden Sperren können den gleichen oder verschiedenen Durchmesser aufweisen. Ein Spulflussigkeitsdruck, der etwas höher ist als der Druck der in Kammer 16 geführten Gasmischung, z.B. um 0,07 bis 0,14 kg/cm , wird vorzugsweise angewendet, um die Einrichtung der Diffusionsströmungs-

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verbindung zu unterstützen.

Die verwendeten IFM's können eine Dicke im Bereich von etwa 0,0025 bis etwa 0,25 nun aufweisen. Die gasdurchlässigen Sperren sowie der gasdurchlässige Deckel, sofern ein solcher verwendet wird, können ebenfalls eine Dicke im Bereich von etwa 0,0025 bis etwa 0,25 mm aufweisen.

Die Durchgänge durch die gasdurchlässigen Sperren können auf irgendeine geeignete Weise hergestellt werden. Ein bequemes Verfahren besteht darin, die Sperren in vorausgewählten, im Abstand voneinander befindlichen Regionen der Bogenentladung einer Tesla-Spule auszusetzen. Nach dem Bilden der Durchgänge kann die Sperre mit einer oder mehreren IPM¹s zur Schaffung der in der erfindungsgemässen Vorrichtung eingesetzten Membranbaueinheit zusammengestellt werden.

Ein bevorzugter Spülflüssigkeitsstrom zur Verwendung in der erfindungsgemässen Vorrichtung enthält anfänglich eine 30?ige wässrige KpCO^-Lösung. Im Falle Schwefelwasserstoff-haltigen Kohlegases, das weiter Sauerstoff, Kohlenmonoxyd, Schwefeldioxyd und riCN enthält, ergeben sich Seitenreaktionen mit der alkalischen Carbonat/Bicarbonatmembranflüssigkeit, was auch mit dem durchgehenden Schwefelwasserstoff möglich ist. Dies führt zu einer teilweisei oder vollständigen Neutralisation der Membranflüssigkeit. So setzt sich Sauerstoff, der in einem Kohlegas von 21 atü in einer Menge von 1000 bis 2000 ppm vorhanden ist, mit dem in einer Polyäthersulfon-Membran absorbierten ii_?3, wobei die wässrige Flüssigkeit darin nominell 30 % K CO., enthält, um und bildet lösliche Stoffe, wie Thiosulfat und Sulfat, die hinsichtlich der Erleichterung des H_3-Transportes unwirksam sind.

- iy -

In einem Kontrollversuch, mit dem eine Kohlegasmischung simuliert wurde, verwendete man eine Gasmischung, die in Mol-ii etwa 0,9 H^S, 10 CO , 2,5 Wasserdampf, 0,22 0 und als Rest N enthielt. Die Membrandurchlässigkeit für H„S verminderte sich beträchtlich innerhalb einer kurzen Zeitdauer, z.B. innerhalb von weniger als/72 Stunden. In dieser Zeit verminderte sich die H S-Durchlässigkeit um menr als $6 % von oberhalb von 5000 Einheiten bis zu 200 Einheiten in 65 Stunden nach Versuchsbeginn. Die genannten Einheiten ergeben sich nach folgender Formel:

cnr HpS (unter Standardbedingungen)/Sekunde χ cm (Dicke der IPM) cm² (Fläche der IFM) χ cniHg (Druckdiff. über die IFM) χ ΙΟ*⁹

Die vorgenannten Ergebnisse wurden erhalten mit einer Membranpackung, wie sie im wesentlichen in der US-PS 3 564 ÖI9 beschrieben ist und in der eine Membranpackung im wesentlichen wie in Figur 1 verwendet wurde, mit Ausnahme der erfindungsgemäss vorhandenen Durchgänge in der gasdurchlässigen Sperre. Es wurden zwei angrenzende IFM¹s aus mikroporösem Polyäthersulfon benutzt, von denen jede eine Dicke von etwa 0,045 mm aufwies und einen Porengrössengradienten im Bereich von 0,05 /Um auf der einen Seite bis zu etwa 50 ,um auf der anderen Seite hatte, wobei eine wässrige Lösung von 30 % KpCO in jeder IB¹M immobilisiert war. Der gasdurchlässige Deckel und die gasdurchlässige Sperre bestanden je aus einem mikroporösen fluorierten Kohlenwasserstoffpolymer, wie es z.B. unter der Handelsbezeichnung "GORE-TEX" von W.L. Gore & Associates, Inc., Newark, Delaware, erhältlich ist. Deckel und Sperre hatten eine Dicke von 0,067 bis 0,075 nim und einen spezifizierten Anfangsaruck von 24,5 bis 35 kg/cm (entsprechend einer nominellen Porengrösse von 0,02 bis 0,03 ,um).

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Die ausgesetzte IPM-überflache betrug 2 5,3 cm . Die üasmi-

2 schung wurde mit einem Druck von etwa 22 kg/cm und mit einer Temperatur von 90°C mitjeiner Strömungsgeschwindigkeit von 0,013b g/sec zugeführt, während die Spülflüssigkeit, 30/Sige wässrige K₃CO,-Lösung, ebenfalls mit einem Druck von etwa

2 ο

22 kg/cm und bei einer Temperatur von 90 C mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,075 g/sec zugeführt wurde. Ein Elementarfadennetz ausPolyester mit einer Dicke von etwa 0,175 nim und Maschenöffnungen von etwa 200,um und etwa 44 # offener Fläche wurde in der Gas Zuführungskammer benutzt. Ein Wetz aus rostfreiem Stahl ähnlicher Abmessungen wurde in der Spülkammer benutzt. Nach Beendigung des 65 Stunden-Tests ergab die Titration der IFM-Salze mit 0,1 n-HCl,die Salze waren mit destilliertem Wasser extrahiert worden, daß sich die IFM-Alkalität um 98 » von 0,33 Millimol K₂CO₃ auf 0,0068 Millimol KpCO -Äquivalent vermindert hatte. Dies zeigt eine beträchtliche Desaktivierung der It¹M.

Der vorgenannte Test wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass die gasdurchlässige Sperre 14 (vgl. Fig. 1) mit einer rechteckförmigen Anordnung von 6 im gleichmässigen Abstand voneinander angeordneten, einen Durchmesser von 0,7 nun aufweisenden kreisförmigen LÖcnern versehen war. Die Fläche der Löcher machte 0,09 % der aktiven Membranfläche aus. Die Durchlässigkeit gegenüber H₂S verminderte sich innerhalb von 4 bis 6 Stunden nur um etwa 20 % von etwa 3900 Einheiten zu etwa 3240 Einheiten (entsprechend einem HpS/CO^-Trennfaktor von etwa 21) und wurde bei diesem Wert für etwa 700 Stunden beibehalten. Solche anfänglichen Verminderungen in der Durchlässigkeit sind selbst bei Abwesenheit desaktivierender Seitenreaktionen typisch. Während des Tests betrug der Sauerstoffpartialdruck in der zugeführten Gasmischung im Mittel etwa 0,04 kg/cm , entsprechend etwa 0,18 MoI-Jb. Die IFM, der Deckel und die gasdurchlässige Sperre hatten je Abmessungen von etwa 37 nim Breite χ 62 mm Länge. Die Durchgänge durch die Sperre wurden

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mit einer hypodermatischen Nadel hergestellt, bevor man IFM und Sperre zusammenbaute.

Es wurde ein anderer Test unternommen und dabei die Vorrichtung der Figur 2 eingesetzt, in üer jede IFM eine Dicke von etwa 0,045 nim hatte und ansonsten wie oben beschrieben ausgebildet war. Jede aer gasdurchlässigen Sperren 14 und 26 war mit etwa 75 Durchgängen versehen, die in regellosen Abständen zueinander vorlagen, von denen jeder Durchgang einen Durchmesser von etwa 0,060 mm hatte. Die Durchgänge waren hergestellt durch Funkenentladung von einer Tesla-Spule. Diese Durchgänge, die nur etwa 0,008 % der aktiven Membranfläche umfassten, verbanden die beiden IFM-Schichten miteinander und mit der Spülflüssigkeitskammer. Ein geringer Druckabfall von der SpUlflüssigkeit zur zugeführten Gasmischung von etwa 0,07 bis etwa 0,14 kg/cm wurde während des Betriebes über jeder Membran aufrechterhalten, um das anfängliche Fliessen der Membran flüssigkeit durch die auf der&pülkammerseite angeordnete Polyäthersulfon-IFM und in die Durcngänge der Gassperre, die zwischen den beiden IFM¹s angeordnet war, zu unterstützen. Die Sehwefelwasserstoffdurchlässigkeit, die anfänglich etwas mehr als 4000 Einheiten betrug, fiel innerhalb von 5 bis 10 Stunden nach Versuchsbeginn um nur etwa 30 $ auf etwa 2800 Einheiten und konnte bei dem letztgenannten Wert für über 200 Stunden gehalten werden. Während der gleichen Zeitdauer wurde die CO^-Durchlässigkeit bei etwa 75 Einheiten konstant gehalten und dies entspricht einem iipS/COp-Trennfaktor (Permeabilitätsverhältnis) von etwa 37- Dieser Test zeigte, dass die il 3-Durchlässigkeit und derfl'rennfaktor beide bei einem hohen Wert gehalten wurden. Durcn Titration der Wasser-extrahierten IFM's ergab sich, dass bei diesem Test im wesentlichen keine IFM-Desaktivierung stattgefunden hatte. Jede IFM enthielt anfänglich etwa 0,20 Millimol KpCO,, und etwa 0,22 Millimol K CO Äquivalent nach 700 Versuchsstunden. Diese Daten beweisen die

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Aufrechterhaltung der Trennwirksamkeit aer IFM¹ s in eier Vorrichtung der Figur 2 sowie die beträchtliche Verbesserung, die durch die vorliegende Erfindung erzielt wira.

Für eine spezifische Anwendung mikroporösen Materials für die Sperre kann die beste Kombinaten von Durchgangsdurchmesser und Durchgangszahldichte aurch Routineversucne nach den folgenaen Richtlinien ermittelt werden:

Um die besten Ergebnisse zu erzielen, gibt es zwei Kriterien, v/eiche die Durchgangsgrösse erfüllen sollte. Als erstes sollte der Durchgang ausreichend gross sein, um Flüssigkeit von der benachbarten unteren IFM oüer aus uem Spülflüssigkeitsstroia aufzunehmen, d.h. aer Durchgang muss mit Flüssigkeit "benetzt" werden, damit eine Diffusionsströmungsverbindung aller IFM¹s und der Spülflüssigkeit bewerkstelligt wird. Unter Annahme eines zylindriscnen Durchganges kann die Minimalgrösse, die dieses Kriterium erfüllt, anhand der folgenden Young-Laplace-Gleichung errechnet werden:

(1) r = 2TcQS Ü

^C P-P
s g

worin r der kritische Radius für die Benetzung in ,um ist, c /

γ ist die Überflächenspannung der Spülflüssigkeit in

Dyn/ ,um

θ ist der Berührungswinkel zwischen der Spülflüssigkeit

und dem Material der Sperre an aer Durchgangswand P ist der Druck deri]pülflüssigkeit (in Dyn/,um und P ist der Druck in den Mikroporen der Sperre in Dyn/

ε 2

,um .

Der geringste geeigneteJDurchgangsradius "A" ist gleich oder grosser als r , um das Benetzungskriterium zu erfüllen.

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Das zweite Kriterium zur Erzielung besserer Ergebnisse besteht darin, dass die kombinierte Flüssigkeitsdurchgangsfläche A - ausgedrückt in % von der Oberfläche der Sperre und gegeben durch die folgende Gleichung:

(2) A = η TT a² χ 100 %

worin "η" die Durchgangs zahldichte (Einheiten = cm ) und "a" der Durchgangsradius in cm ist - ausreichend gross ist, so dass der Widerstand gegenüber der Diffusion des Trägerstoffes axial aurch den Durchgang nicht zu gross ist. Das heisst, es ist erwünscht, die Konzentrationsdifferenz an Trägerstoff zwischen der Spülflüssigkeit und den Ii¹M-FlUssigkeiten möglichst gering zu halten. Zwei errechnete Werte des Durchgangsradius "a", d.h. a, (Gleichung 1) und a (Gleichung 2) ergeben sich aus diesen beiden Kriterien. Die bevorzugte Durchgangsminimalgrösse ist grosser als diese beiden Werte, um eine maximale Aufrechterhaltung der Trennwirksamkeit zu erzielen.

Um jedoch a^ errechnen zu können, ist es erforderlich, Werte für η und A zu haben. Die Durchgangszahldichte η wird vorzugsweise ausreichend hoch gesetzt, so dass Unterschiede in der Trägerstoffkonzentration innerhalb der Ebene der IFM minimal sein werden. Der Unterschied in der Trägerstoffkonzentration zwischen einem Punkt in der Mitte aer IFM zwischen den zwei am nächsten liegenden Durchgängen, aie Konzentration C und an einer Stelle im Durchgang, die Konzentration C , ist durch die folgende Gleichung gegeben:

R OO UY,²

(3) (C_o - C_m) - _?ö (b - a ) + 2D- In %)

worin C_Q und C in Gramm-Mol pro Milliliter IFM-Flüssigkeit ausgedrückt sind und R die Volumengeschwindigkeit des Träger-

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stoff-Abbaues bei der Desaktivierung ist in Gramm-Mol Trägerstoff/Sekunde x Milliliter IB'M-Flüssigkeit, D die wirksame Trägerstoff-Diffusionsfähigkeit in der IFM-Matrix in cm /Sek. ist, b der halbe Abstand zwischen zwei Durchgängen in cm und a der Durchgangsradius in cm ist.

Die Gleichung 3 kann nach b aufgelöst und ein experimentell erhaltener Wert für R für die gegebene Anwendung ermittelt und a als r von Gleichung 1 benutzt werden. D kann man leicht experimentell bestimmen oder au3 der Massendiffuaivität des Trägerstoffes, der Porosität und der Krünimunr (ic.j — tuosity) der IFM-Matrix abschätzen. Eine graphische Auftragung der Durchlässigkeit des zu entfernenden Bestandteiles gegen die Trägerstoffkonzentration in der IFM sollte aus den experimentellen Ergebnissen vorgenommen werden, ohne dass desaktivierende Bestandteile in der zugeführten Gasmischung vorhanden sind. Es wird eine tolerierbare Abnahme der IFM-Durchlässigkeit festgelegt und die entsprechende tolerierbare Abnahme in der Trägerstoffkonzentration der IFM wird von der Graphik abgelesen. Die dabei erhaltene Trägerstoffkonzentration kann als ein Schätzwert für C genommen werden. Eine Konzentration des in der Spülflüssigkeit zu verwendenden Trägerstoffes - C in Gramm-Mol/ml - wird ausgewählt,und zwar mit einem Wert oberhalb von C_m, z.B. 110 % von C_m und C_Q wird mit einem Wert zwischen C und C , z.B. in der Mitte zwischen bei-

s m

den, ausgewählt.

Nachdem der Abstand b bestimmt ist, kann ein Wert für η nach der folgenden Gleichung errechnet werden:

(4) η = 1/TTb² ,

worin η und b die obige Bedeutung haben.

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Ein Wert für die kombinierte Durchgangs fläche A, die quer zu den Durchgangsachsen bestimmt wird, kann dann anhand der Gleichung errechnet werden:

χ 100 %

^(cs V - Td

worin C , C , A, D und R die obige Bedeutung haben und d die s ο

Dicke der IPM in cm und^ die Länge des Diffusionspfades zwischen der Spülflüssigkeitskammer oder -kanal und der IPM in cm ist. Der Wert für (C -C) wird erhalten durch Subtrahie-

S O

ren des Wertes für (C -C)₃ wie er in Gleicnung 3 verwendet wird, von dem Gesamtkonzentrations^radienten (C -C)₃

S IU

der schon vorher bestimmt worden ist.

Nachdem man nun die Werte für η und A hat, kann man a_p nach der Gleichung 2 errechnen. Ist der Wert für a^ geringer oder gleich dem Wert für a. , dann können die Werte für n, A und a, wie sie errechnet wurden, angewendet werden, um eine sehr wirksame Aufrechterhaltung der Trennwirksamkeit zu erzielen. Ist der Wert für a„ grosser als der für a., dann ist es erwünscht, die Berechnungen mit den Gleichungen 3, 4 und 5 zu wiederholen und a„ als a in Gleichung 3 einzusetzen, um zu besseren Werten für η und A zu gelangen. Es gibt jedoch einen beträchtlichen Spielraum bei der Auswahl von Durchgangsgrössen, vorausgesetzt, dass a einen grösseren Wert als r hat und die Durchgangszahldichte mit einer gegebenen Trägerstoffkonzentrationsdifferenz (C - C) in Einklang steht. Das

s m

heisst, diese Konzentrationsdifferenz kann in verschiedenen Anteilen in zwei Konzentrationsdifferenzen (C -C) und

s ο

(C -C) aufgeteilt werden, die verantwortlich sind für die Trägerstoffdiffusion entlang den Durchgangsachsen bzw. innerhalb der Ebene der IPM. Das hier erläuterte Abschätzungsverfahren ergibt ein einzigartiges Paar von Werten für Durchgangs-

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grösse und Durchgangszahldichte für jede zugeordnete Verteilung der Gesamtkonzentrationsdifferenz (C - C ) in seine bei-

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den Teile. Die optimale Korabination von Durchgangsgrösse und Durchgangszahldicnte wird in starkem Maße durch die Wirtschaftlichkeit der Membranherstellung bestimmt.

Die Gleichungen 3 und 5 beruhen auf einer desaktivierenden Reaktionskinetik nullter Ordnung. Ähnliche Gleichungen für Reaktionskinetiken anderer Ordnung können angewendet werden, um sie an geeignete Anwendungen anzupassen.

Während die obigen Gleichungen als Richtlinien brauchbar sind, hat sich die experimentelle überprüfung einer gegebenen Sperrenausführung mit Durchgängen als wirksam erwiesen, um die IPM-Flüssigkeitsaktivität aufrecht zu erhalten. Darüberhinaus wird die Verwendung einer grösseren Grösse empfohlen, wenn die kombinierte Durchgangs fläche A, die wie oben bestimmt ist, sehr viel geringer ist als die, bei der die Durcnlässigkeitsselektivität der IFM in einer gegebenen Anwendung beträchtlich verringert werden würde.

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Claims

Patentansprüche

( 1./Vorrichtung zum Entfernen eines gasförmigen Bestandteiles aus einer Gasmischung mit einer ersten immobilisierten Flüssigkeitsmembran, in deren flüssigkeit mindestens ein Stoff enthalten ist, der sich chemisch reversibel mit dem zu entfernenden gasförmigen Bestandteil umsetzt ,

einer ersten gasdurchlässigen Sperre, die im wesentlichen undurchlässig ist gegenüber der Flüssigkeit der Membran, wobei die Sperre so angeordnet ist, dass eine erste Oberfläche davon einer ersten Oberfläche der immobilisierten Flüssigkeitsmembran gegenübersteht,

einer Einrichtung, um die Gasmischung mit einer zweiten Oberfläche der immobilisierten Flüssigkeitsmembran in Berührung zu bringen und

einer Einrichtung zum Leiten einer Strömung aus Spülflüssigkeit entlang einer zweiten Oberfläche der Gassperre, um die aus der Sperre austretenden Gase zu absorbieren,

dadurch gekennzeichnet , dass zur Aufrechterhaltung der Trennwirksamkeit der genannten Flüssigkeitsmembran die genannte erste Sperre mindestens einen Durchgang aufweist, der sich von der ersten zur zweiten Oberfläche der Sperre erstreckt, wobei dieser Durchgang eine Grosse hat, bei der wirksam Spülflüssigkeit darin aufgenommen werden kann, so dass die Spül-

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flüssigkeit durch den Durchgang mit der Membran in Verbindung steht und dadurch eine Menge des reversibel umsetzbaren Stoffes, der in der Spülflüssigkeit enthalten ist, aus dieser durch den Durchgang in die in der Membran immobilisierte !flüssigkeit übertragen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet j dass die Sperre mikroporös und durch die Flüssigkeit im wesentlichen nicht benetzbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die erste Oberfläche der Sperre sich in innigem Kontakt mit der ersten Oberfläche der Membran befindet.

H. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass die Sperre eine Mehrzahl im Abstand voneinander angeordneter Durchgänge aufweist, von denen sich jeder Durchgang von der ersten zur zweiten Oberfläche der Sperre erstreckt.

5. Vorrichtung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet j dass der Durchmesser jedes Durchganges im bereich von etwa 0,1 bis etwa 5000 .um liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , dass der kombinierte Querbereich der Durchgänge von etwa 0,001 bis etwa 20 % des Bereiches einer Oberfläche der Sperre ausmacht .

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7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet , dass die Durchgangsdichte im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 500 Durchgängen pro 6,45 cm der ersten Oberfläche der Sperre liegt.

b. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , dass sie weiter folgende Komponenten aufweist:

a) eine zweite immobilisierte B'lüssigkeitsmembran, deren E'lüssigkeit eine Menge des Stoffes enthält, der sich chemisch reversibel mit dem zu entfernenden gasförmigen Bestandteil umsetzt, wobei diese zweite Membran zwischen der ersten Membran und der ersten Sperre angeordnet ist undfiie erste Oberfläche der zweiten Membran in Berührung steht mit der ersten Oberfläche der ersten Sperre,

b) einer zweiten gasdurchlässigen Sperre, die für die Flüssigkeit der Flüssigkeitsmembran im wesentlichen undurchlässig ist, wobei die zweite Sperre zwischen der ersten und der zweiten Membran angeordnet ist und eine erste Oberfläche der zweiten Sperre in Berührung steht mit der ersten Oberfläche der ersten Membran und eine zweite Oberfläche der zweiten Sperre in Berührung steht mit einer zweiten Oberfläche der zweiten Membran und

c) die zweite Sperre mindestens einen sich von der ersten zur zweiten Oberfläche der Sperre erstreckenden Durchgang aufweist, dessen Grosse derart ist,dass sie Flüssigkeit aufzunehmen vermag, die durch Anwendung des Spülflüssigkeitsdruckes gegen die erste Membran aus der zweiten Membran herausgedrückt wird.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , dass jede der Sperren mikroporös und durch die Flüssigkeit im wesentlichen nicht benetzbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , dass jede der Sperren eine Mehrzahl von Durchgängen aufweist*

11. Vorrichtung nach Anspruch 1O₅ dadurch gekennzeichnet , dass der Durchmesser jedes Durchganges durch die Sperren im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 5000 ,um liegt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , dass der kombinierte Querbereich der Durchgänge durch die erste Sperre im Bereich von etwa 0,001 bis etwa 20 % des Bereiches der einen Oberfläche der Sperre liegt und der kombinierte Querbereich der Durchgänge durch die zweite Sperre im Bereich von etwa 0,001 bis etwa 20 % des Bereiches der einen Oberfläche der Sperre liegt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet , dass die Durchgangsdichte für jede Sperre im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 500 Durchgängen pro 6,JJ
der jeweiligen Sperre liegt.

etwa 500 Durchgängen pro 6,^5 cm der einen Oberfläche

Ik. Verfahren zum Entfernen eines gasförmigen Bestandteiles aus einer Gasmischung durch Inberührungbringen der Mischung mit einer immobilisierten Flüssigkeitsmembran,

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in deren Flüssigkeit mindestens ein Trägerstoff enthalten ist. der sich chemisch reversibel mit dem zu entfernenden Bestandteil umsetzt, um einen erleichterten Transport jedes Bestandteiles durch die Membran zu einer gasdurchlässigen Sperre, die gegenüber der Flüssigkeit im wesentlichen undurchlässig ist, zu bewirken,

Hindurchführen der aus der Membran austretenden Gase durch die gasdurchlässige Sperre und

Absorbieren der aus der gasdurchlässigen Sperre austretenden Gase in einer Spülflüssigkeit,

dadurch gekennzeichnet , dass zur Aufrechterhaltung der Trennwirksamkeit der Membran die Spülflüssigkeit eine Menge des genannten Trägerstoffes enthält und die Spülflüssigkeit durch einen sich quer durch die Sperre erstreckenden Durchgang mit der immobilisierten Flüssigkeitsmembran in Berührung gebracht wird, um die übertragung mindestens eines Teiles des Trägerstoffes durch Diffusion von der Spülflüssigkeit in die Flüssigkeit, die in der Membran immobilisiert ist, zu bewirken .

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , dass die Sperre mikroporös und durch die Flüssigkeit im wesentlichen nicht benetzbar ist.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet , dass der gasförmige Bestandteil Schwefelwasserstoff ist und die immobilisierte Flüssigkeit eine Carbonat- und Bicarbonationen als Trägerstoffe enthaltende wässrige Lösung ist.

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17· Verfahren nach den Ansprüchen I¹I bis 16, dadurch gekennzeichnet , dass die Spülflüssigkeit ununterbrochen an der Sperrenoberfläche vorbeigeführt wird, aus der die Gase austreten, um die Trennwirksamkeit der Membran ununterbrochen aufrecht zu erhalten.

l8. Verfahren zum Entfernen eines gasförmigen Bestandteiles aus einer gasförmigen Mischung durch Inberührungbringen der Mischung mit einer ersten immobilisierten Flüssigkeitsmembran, die in der Flüssigkeit mindestens einen Stoff enthält, der sich chemisch reversibel mit dem zu entfernenden gasförmigen Bestandteil umsetzt, um den erleichterten Transport dieses Bestandteiles durch die erste Membran zu einer ersten gasdurchlässigen Sperre, die im wesentlichen undurchlässig für die Flüssigkeit ist, zu bewirken,

Hindurchführen der aus der ersten Membran austretenden Gase durch die erste gasdurchlässige Sperre und

Inberührungbringen der aus der ersten gasförmigen Sperre austretenden Gase mit eiier zweiten immobilisierten Plüssigkeitsmembran, die in der Flüssigkeit eine Menge des genannten Stoffes zur reversiblen Umsetzung enthält, um den erleichterten Transport des gasförmigen Bestandteiles durch die zweite Membran zu bewirken, dadurch gekennzeichnet , dass zum Aufrechterhalten der Trennwirksamkeit der Membranen

a) die aus der zweiten Membran austretenden Gase durch eine zweite gasdurchlässige Sperre geführt werden,

b) die aus der zweiten gasdurchlässigen Sperre austretenden Gase in einer Spülflüssigkeit absorbiert werden,

c) jede der Sperren mindestens einen sich quer dadurch erstreckenden Durchgang aufweist,

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d) die Spülflüssigkeit eine Menge des sich reversibel umsetzenden Stoffes enthält und

e) die Spülflüssigkeit durch den Durchgang in der zweiten Sperre mit der zweiten Membran in Berührung gebracht wird und in Diffusionsströmungsverbindung mit der Flüssigkeit in der ersten Membran über den Durchgang in der ersten Sperre steht, um die übertragung mindestens eines Teiles des sich reversibel umsetzenden Stoffes aus der Spülflüssigkeit in die immobilisierte Flüssigkeit sowohl der ersten Membran als auch der zweiten Membran zu bewirken.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , dass der gasförmige Bestandteil Schwefelwasserstoff ist und die immobilisierte Flüssigkeit in jeder der Membranen eine Carbonat- und Bicarbonationen als sich reversibel umsetzende Stoffe enthaltende wässrige Lösung ist.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet , dass die Spülflüssigkeit ununterbrochen an der Oberfläche der zweiten Sperre entlang geführt wird, aus der die Gase austreten.

21. Vorrichtung nach den Ansprüchen 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet , dass der Druck der Spülflüssigkeit mindestens etwas höher ist als der Druck der Gasmischung.

22. Verfahren nach den Ansprüchen 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet , dass jede der Sperren mikroporös und durch die Flüssigkeit im wesentlichen nicht benetzbar ist.

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