22416

ساخت، اصلاح و ارزيابي عملكرد غشاهاي نانو كامپوزيتي با پركن ZIF-8 آمينه شده براي شيرين‌سازي گاز طبيعي

دكتري تخصصي

فرايندهاي جداسازي

1398/8/29

دكتر تورج محمدي

دكتر اميد بختياري - دكتر محمد مهديار فر

مهندسي شيمي، نفت و گاز

هدف در اين پژوهش ساخت و اصلاح نانوذره‌هاي ZIF-8 و نشاندن آن‌ها در كوپليمر اتر بلاك آميد (PEBAX-1074) بعنوان فاز پخش شده براي ساخت غشاهاي ماتريس آميخته (MMMs) و جداسازي گازهاي اسيدي (CO2 و H2S) از مخلوط آن‌ها با CH4 است. با توجه به اين كه مكانيزم انتقال در غشاهاي ماتريس آميخته تركيبي از حلاليت - نفوذ و غربال مولكولي است، بايد رفتار نانوذره‌ها و پليمر در مواجه به گازهاي اسيدي و متان مشخص گردد. براي تسريع حلاليت گاز و استفاده از مكانيزم غربال مولكولي پروتكل عامل‌دار كردن نانوذره¬ها و كوچك كردن ابعاد آن‌ها انتخاب شد. نتايج عملكرد جذب برابر ايزوترم‌هاي جذب گازهاي CH4، CO2 و H2S نشان داد كه نانوذره‌هاي ساخته شده معمولي WS-ZIF-8 و عامل‌دار شده EDM-ZIF-8 و ED-ZIF-8 مناسب‌ترين پركن براي ساخت MMMها هستند. زمان منحني شكست جذب گازهاي H2S و CO2 در فرآيند جذب ديناميك نانوذره‌هاي معمولي WS-ZIF-8 از مخلوط گازي CH4/CO2/H2S/He با تركيب 1، 3، 3/7 و mol % 7/88 در ºC 25 و bar 2 به ترتيب برابر 190 و s 308 اندازه‌گيري شد اما اين مقادير براي نانوذره‌هاي ED-ZIF-8 اصلاح شده با بهبود چشم‌گيري به حدود 400 و s 531 افزايش يافت. در مرحله بعدي پژوهش، دو دسته غشا ماتريس آميخته با نانوذره‌هاي معمولي و عامل‌دار شده در حالت خشك (DS-ZIF-8 و EDD-ZIF-8) و سه دسته ديگر غشا ماتريس آميخته با نانوذره‌هاي ساخته شده در حالت تر معمولي (WS-ZIF-8) و عامل‌دارشده در محيط‌هاي متانول و تولوئن (EDM-ZIF-8 و ED-ZIF-8) با بارگذاري 5، 10، 20 و 30 % وزني از هريك از نانوذره‌ها در ساختار پليمر پباكس 1074 و براي جداسازي CO2 و H2S از مخلوط آن‌ها با CH4 ساخته شدند. تراوش‌پذيري گازهاي خالص CO2 و CH4 در غشاهاي ماتريس آميخته در فشارهاي مختلف و دماي محيط اندازه‌گيري شدند. تراوش‌پذيري CO2 و گزينش‌گري CO2/CH4 از ميان غشاهاي ماتريس آميخته با بارگذاري 30 % وزني نانوذره‌هاي WS-ZIF-8، EDM-ZIF-8 و ED-ZIF-8 به ترتيب برابر 194، 449و Barrer 530 و 22/20، 18/30 و 56/39 اندازه‌گيري شدند كه نشان‌دهنده افزايش چشم‌گير به ترتيب 2، 5/1 و 5/4 و 2/2، 4/5 و 3 برابري در تراوش‌پذيري گاز CO2 و گزينش‌گري CO2/CH4 نسبت به غشا خالص مي‌باشد. همچنين تراوش‌پذيري CO2 براي خوراك مخلوط گازي CO2/CH4 (50/50 % مولي) از ميان اين غشا با بارگذاري Wt. 30 % پركن‌هاي اصلاح شده ترتيب برابر 169، 320 و Barrer 395 و گزينش‌گري واقعي CO2/CH4 آن‌ها برابر 8/13، 77/26 و 7/34 اندازه‌گيري شد. تراوش‌پذيري بهترين غشاهاي PZ30TM (عامل‌دار شده در محيط متانول) و PZ30TT (عامل‌دار شده در محيط تولوئن) با خوراك گازي CH4/CO2/H2S (با تركيب 3، 3/7 و mol % 7/89) در °C 25 و bar 15 براي گازهاي H2S (به ترتيب برابر 523 و Barrer 590) و CO2 (به ترتيب برابر 224 و Barrer 268) و گزينش‌گري CO2/CH4 و H2S/CH4 در اين غشاها به ترتيب 4/23، 0/54، 5/28 و 8/62 اندازه‌گيري شد كه نسبت به غشاهاي تجاري تورلن با گزينش‌گري 8/14 متان / سولفيد هيدروژن بسيار بالاتر هستند.

1399/07/14

Synthesis, Modification and Characterization of ZIF-8 Incorporated Nanocomposite Membranes for Natural Gas Sweetening

11/19/2020 12:00:00 AM

The scope of this work is synthesis and modification of ZIF-8 nanoparticles and their incorporation as the filler particles into PEBAX-1074 for mixed matrix membranes (MMMs) preparation and application for natural gas's CO2 and H2S removal. Since gas transport mechanism through the MMMs is a combination of the solution diffusion and molecular sieving mechanisms, it is necessitate to investigate behaviors of the polymer matrix and the incorporated nanoparticles in their exposure to the acid gas molecules. Modification and size reduction of the ZIF-8 nanoparticles were selected as two scenarios of acid gases solution and sieving facilitation through the MMMs. The measured adsorption isotherms of CH4, CO2 and H2S, showed that the synthesized WS-ZIF-8, EDM-ZIF-8 and ED-ZIF-8 are the best nanoparticles for preparation of MMMs. H2S and CO2 adsorption breakthrough times for the as-synthesized WS-ZIF-8 nanoparticles from mixed feed gas of CH4/CO2/H2S /He (88.8 / 7.3 / 3 / 1 mol. %) at 25 °C and 2 bar were found as ~ 190 and 308 s, respectively, while those for modified ED-ZIF-8 nanoparticles were considerably improved as ~ 400 and 531 s, respectively. In next step of this work, DS-ZIF-8 and EDD-ZIF-8 nanoparticles were applied for preparation of two series of MMMs and also WS-ZIF-8, ED-ZIF-8 and EDM-ZIF-8 nanoparticles were used to prepare another three of series of MMMs, all with 5, 10, 20 and 30 Wt. % loading of the nanoparticle for synthetic natural gas accompanying CO2 and H2S removal. Pure CO2 and CH4 permeabilities through MMMs were evaluated at room temperature and different transmembrane pressures. CO2 permeability and CO2/CH4 selectivity through the 30 Wt.% loaded WS-ZIF-8, EDM-ZIF-8 and ED-ZIF-8 nanoparticles loaded MMMs were found as ~ 194, 499, and 530 Barrer and 20.22, 30.18 and 39.56, respectively, revealed significant improvement in the mixed gas CO2 permeabilities and CO2/CH4 selectivity by 2, 1.5, and 4.5, 2.2, 5.4 and 3 times enhancement compared with those of the neat membrane. The MMMs results also showed significant improvement in their CO2 permeabilities and real CO2/CH4 selectivities for mixed gas feed of CO2/CH4 (50/50 by mol) as 169, 320, 395 Barrer and 13.8, 26.77 and 34.7 at 30 Wt. % of the modified ZIF-8 loading. Real permeabilities through the best MMM’s (PZ30TM and PZ30TT) in this study were evaluated with mixed gas of CH4/CO2/H2S (89.7 / 7.3 / 3 mol. %) at 25 °C and 15 bar as 523 and 590 for H2S and 224 and 268 for CO2. Their selectivities were measured as 23.4 and 28.5 for CO2/CH4 and 54.0 and 62.8 for H2S/CH4, respectively, which revel their comparable separation performance with those of commercial membrane type as Torlon with H2S/CH4 selectivity of 14.8.