25277

ساخت و ارزيابي غشاهاي شبكه آميخته (پباكس-هالوسيت) به منظور جداسازي گاز دي اكسيد كربن از متان

دكترا

مهندسي شيمي

1394

تير 1400

دكتر تورج محمدي

مهندسي شيمي

امروزه فرآيندهاي غشايي به دليل دارا بودن مزاياي بسياري همچون هزينهي راهاندازي اندك، احتياج به فضاي كم و تاثير كم بر محيط زيست، آساني عملياتي، هزينهي كم عملياتي ميتوانند جايگزيني مناسب براي فرآيندهاي متداول پيشين باشند. تمركز اين پژوهش بر ساخت غشاهاي شبكه آميخته بوده كه داراي شبكه پليمري مناسب با ويژگيهاي عملكردي )تراوشپذيري دياكسيد كربن و گزينشگري( قابل قبول )پباكس( و همچنين حاوي نانوذرات مؤثر درون شبكه پليمري ميباشد. در اين تحقيق با بررسي بازده عملكردي غشاهاي پليمري مختلف مشاهده گرديد كه از بين پليمرهاي موجود، كوپليمرهاي اترآميد به دليل داشتن برهمكنش مطلوب با دياكسيد كربن، قابليت جداسازي مطلوبي را دارند. از اين رو در اين تحقيق پليمر پباكس- 1657 براي ساخت غشاها انتخاب گرديد. همچنين يكي از روشهايي كه تحولات چشمگيري در فرآيندهاي جداسازي گازي بهوجود آورده است، استفاده از پركنهايي با برهم كنش مثبت با مولكولهاي دياكسيد كربن در شبكه پليمر ميباشد. بررسيها نشانميدهد نانولولههاي هالوسيت و هالوسيت اصلاح سطحي شده داراي توانايي بالايي براي جذب مولكولهاي دياكسيد كربن ميباشند. در اين پژوهش، از روش ريختهگري محلول-تبخير حلال براي ساخت غشاها استفاده ميگردد و پس از بررسي ويژگيهاي عملكردي غشاهاي ساخته شده، خصوصيات ساختاري آنها به كمك آزمونهاي SEM ، FESEM ، FT-IR (ATR) ، XRD و TGA مورد ارزيابي قرارميگيرند. در نهايت بهمنظور بررسي عملكرد غشاهاي ساخته شده، آزمايش تراوشپذيري گازهاي 2CO و 4CH انجامميگيرد. آزمونهاي تراوشپذيري گاز نتايج اميدواركنندهاي براي تراوشپذيري 2CO براي هردو غشاي هالوسيتدار و هالوسيت آمينه به نمايش گذاشته است. براي مثال تراوشپذيري گاز 2CO در مورد غشاهاي خالص، شبكه آميخته هالوسيت و هالوسيت اصلاح شده با بارگذاري 5 / 1 % وزني از نانوذرات در دماي °C 25 و فشار bar 4 به ترتيب 50 / 76 ، 07 / 98 و Barrer 87 / 104 ميباشد در صورتيكه گزينشگري ايدهآل )4/CH2(CO غشاي هالوسيتدار كاهش و غشاي حاوي هالوسيت اصلاح شده افزايش مييابد. نتايج گزينشگري براي اين سه غشا به ترتيب 79 / 23 ، 65 / 20 و 49 / 29 ميباشد. بيشترين تراوش پذيري و گزينش گري مربوط به غشاي ساخته شده با نانوذرات هالوسيت اصلاح شده ميباشد. بهعنوان مثال تراوشپذيري گاز دياكسيد كربن و گزينشگري ايدهآل اين نوع غشا با بارگذاري 5 / 1 % وزني از نانوذرات در دماي °C 25 و فشار bar 10 بهترتيب مقادير Barrer 85 / 126 و 21 / 33 ميباشد.

1400/07/11

Fabrication and evaluation of mixed matrix membranes (PEBAX-Halloysite) to separate carbon dioxide from methane

7/22/2022 12:00:00 AM

Nowadays, since membrane processes have many advantages, such as low start-up costs, less required space, safe for the environment, ease of operation, and low operating costs can be a good alternative to traditional separation processes. This study focuses on selecting the primary membrane fabrication material that is a suitable polymer with acceptable functional properties (CO2 permeability and CO2/CH4 selectivity) (Pebax) and modifying such membranes by dispersing effective nanoparticles within their polymeric matrices. In this research, by examining the separation efficiency of different polymeric membranes, it was observed that among the available polymers, ether amide copolymers have the desired separation capability due to their optimal interaction with CO2; therefore, in this study, Pebax-1657 polymer was chosen for synthesizing the membranes. Also, one of the methods that caused the remarkable changes in gas separation processes is the use of fillers having a positive interaction with CO2 molecules in the polymeric matrix of the membranes. Literature review shows that halloysite nanotubes (HNTs) and surface-modified halloysite have high abilities to absorb CO2 molecules. In this work, the solvent-evaporation solution casting method is used to fabricate the membranes, and after studying the separation properties of the membranes, they are characterized using SEM, FT-IR (ATR), XRD, and TGA analyses. Finally, in order to evaluate the performance of the fabricated membranes, the permeability tests of pure CO2 and CH4 gases are performed. Gas permeability tests have shown promising results for CO2 permeability for both halloysite and amino halloysite membranes. For example, CO2 permeability in the case of neat, mixed halloysite and modified halloysite membranes with 1.5 wt % of nanoparticles at 25 °C temperature and 4 bar pressure are 76.50, 98.07 and 104.87 Barrer, respectively, while the ideal selectivity (CO2 / CH4) of the halloysite membrane decreases and the modified halloysite membrane increases. The selectivity results for these three membranes are 23.79, 20.65 and 29.49, respectively. The highest permeability and selectivity is related to the membrane made of modified halloysite nanoparticles. For example, carbon dioxide permeability and the ideal selectivity of this type of membrane with 1.5 wt % of nanoparticles at 25 °C temperature and 10 bar pressure are 126.85 and 33.21 bar, respectively.

بازده عملكرد، تراوش پذيري، گزينش گري، هالوسيت، غشاهاي شبكه آميخته، روش ريخته گري.

Polymeric membranes, permeability and selectivity, halloysite, mixed matrix membranes, solvent-evaporation casting method.