شماره ركورد
34749
پديد آورنده
عطيه سادات سادات كچويي
عنوان
بررسي نظري و تجربي غشاهاي تبادل كاتيون پليمري هيدروكربني براي فرآيند غشايي كلرآلكالي با تاكيد بر بهبود پايداري اكسايشي
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي شيمي
سال تحصيل
1397
تاريخ دفاع
1404/12/18
استاد راهنما
دكتر سوسن روشن ضمير
استاد مشاور
دكتر فواد مهري
دانشكده
مهندسي شيمي، نفت و گاز
چكيده
توسعه غشاهاي تبادل كاتيون بهعنوان بخش كليدي فرآيند الكتروليز كلرآلكالي، نقشي تعيينكننده در عملكرد اين سامانهها ايفا ميكند. با وجود عملكرد مطلوب غشاهاي پرفلوئورينه، چالشهايي نظير هزينه بالا و محدوديت در پايداري شيميايي، مكانيكي و حرارتي، ضرورت غشاهاي جايگزين برپايه هيدروكربن را برجسته كرده است. از اين رو، در اين پژوهش، يك رويكرد تركيبي "تجربي-محاسباتي" براي طراحي، ساخت و ارزيابي غشاهاي تبادل كاتيون ناهمگن بر پايه پلي استايرن ديوينيل بنزن سولفونه شده/ پليوينيليدن فلورايد PVDF/SP(St@DVB)-X)) بهكار گرفته شد تا تعادل مناسبي ميان هدايت يوني، پايداري ساختاري و دوام شيميايي حاصل شود. در بخش محاسباتي، شبيهسازي ديناميك مولكولي به منظور تعيين عدد هيدراتاسيون غشا در شرايط اشباع (λ)، ساختار مناسب غشا، درجه سولفونه شدن و تركيب غشاي تبادل كاتيون ناهمگن صورت گرفت. نتايج نشان داد كه حالت هيدراتاسيون اشباع در λ = 3 و ساختار بهينه شبكه پليمري غشا با آرايش پنج زنجيره و 20 مونومر شامل 2% اتصال عرضي به عنوان ساختار بهينه حاصل شد. بهترين توازن ميان خواص انتقالي، پايداري مكانيكي و حرارتي غشا نيز در درجه سولفونه 60% بوده است (ضريب نفوذ يون سديم cm2.s-16-10 5/0، شاخص پايداري حرارتي با دماي انتقال شيشهاي K 389 و شاخص پايداري مكانيكي با مدول يانگ GPa 26/3). درنهايت، غشاي PVDF/S(PS@DVB)-70 بهترين عملكرد را با ميزان هدايت mS.cm-1 7/6 و مدول يانگ GPa 7 نشان داده است. در بخش تجربي تاثير پارامترهاي زمان، دما و نسبت اسيد به حلال به ترتيب در محدوده 3 تا 24 ساعت، 60 تا 100 درجه سانتيگراد و 3 تا 7 بر خواص الكتروشيميايي رزين تبادل كاتيون از طريق آزمونهاي غربالگري مورد بررسي قرار گرفت و شرايط 80 درجه سانتي گراد، زمان 3 ساعت و نسبت اسيد به حلال 5 به 1 به عنوان شرايط بهينه تعيين گرديد. سپس غشاهاي تبادل كاتيون ناهمگن در چهار نسبت وزني مختلف رزين به پليمر پايه برابر 10، 30، 50 و 70 تهيه و ارزيابيهاي فيزيكي-شيميايي، الكتروشيميايي، ساختاري، پايداري حرارتي، شيميايي و مكانيكي آنها انجام شد. نتايج حاكي از آن بود كه غشاي PVDF/S(PS@DVB)-70 با درجه سولفونه شدن 3/61% ، ظرفيت تبادل يوني meq/g 3/3، درصد جذب آب 4/33% و هدايت كاتيوني mS.cm-1 6/19 به عنوان غشاي بهينه انتخاب شد. در نهايت، عملكرد غشاي بهينه در يك سل شكاف صفر در دماي80°C مورد ارزيابي قرار گرفت به طوري كه ولتاژ سل و راندمان جريان در چگالي جريان kA.m-2 4 به ترتيب معادل V 8/4 و 1/90% حاصل شد و نشان دهنده عملكرد بهتر غشاي بهينه در مقايسه با غشاي تجاري فلميون-316 (V 2/4 در kA.m-2 4) بوده است. بر اساس نتايج تجربي و محاسباتي مشخص شد كه غشاهاي تبادل كاتيون هيدروكربني بر پايهP PVDF/S(PS@DVB) نه تنها ميتوانند به عنوان جايگزيني مقرون به صرفه و پايدار براي غشاهاي پرفلوئورينه در فرآيند كلرآلكالي محسوب شوند، بلكه چارچوبي براي طراحي مولكولي نيز ارائه ميدهند.
تاريخ ورود اطلاعات
1405/02/12
عنوان به انگليسي
Theoritical and Experimental Investigation of of Hydrocarbon Cation Exchange Membranes for Chlor-Alkali Process with Emphasizing on Oxidative Stability
تاريخ بهره برداري
3/9/2027 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
عطيه سادات سادات كچويي
چكيده به لاتين
The development of cation exchange membranes (CEMs), as a critical component of the chlor-alkali electrolysis process, plays a decisive role in the performance of these processes. Despite the favorable performance of perfluorinated membranes, challenges such as high production costs and limitations in chemical, mechanical, and thermal stability have highlighted the necessity for alternative hydrocarbon-based membranes. Accordingly, this research employs a hybrid "experimental-computational" approach to design, fabricate, and evaluate heterogeneous CEMs based on sulfonated polystyrene-divinylbenzene/polyvinylidene fluoride (PVDF/S(PS@DVB)-X) to achieve an optimal balance between ionic conductivity, structural stability, and chemical durability.
In the computational phase, Molecular Dynamics (MD) simulations were conducted to determine the membrane hydration number under saturated conditions (λ), the optimal polymer network structure, the degree of sulfonation (DS), and the composition of the heterogeneous CEM. The results revealed that the saturated hydration state occurs at λ = 3. The optimal polymer network was identified as a structure consisting of five chains and 20 monomers with 2% cross-linking. Furthermore, a 60% degree of sulfonation provided the best balance between transport properties and mechanical/thermal stability (sodium ion diffusion coefficient of 0.5 × 10⁻¹⁶ cm²·s⁻¹, glass transition temperature of 389 K, and Young’s modulus of 3.26 GPa). Ultimately, the PVDF/S(PS@DVB)-70 membrane exhibited the best computational performance with a conductivity of 6.7 mS/cm and a Young’s modulus of 7 GPa.
In the experimental phase, the effects of time (3–24) h, temperature (60–100) °C, and the acid-to-solvent ratio (3–7) on the electrochemical properties of the cation exchange resin were investigated through screening tests. The optimal synthesis conditions were determined to be 80 °C, sulfonation time of 3 h, and an acid-to-solvent ratio of 5:1. Subsequently, heterogeneous CEMs were prepared at four different resin-to-base polymer weight ratios (10, 30, 50, and 70 wt%), and their physicochemical, electrochemical, structural, and stability (thermal, chemical, and mechanical) properties were characterized. The results indicated that the PVDF/S(PS@DVB)-70 membrane with a degree of sulfonation of 61.3%, cation exchange capacity (CEC) of 3.3 meq/g, water uptake of 33.4%, and cationic conductivity of 19.6 mS/cm was the optimal membrane.
Finally, the performance of the optimized membrane was evaluated in a zero-gap cell at 80 °C. At a current density of 4 kA·m⁻², the cell voltage and current efficiency were measured at 4.8 V and 90.1%, respectively. These results demonstrate superior performance compared to the commercial Flemion-316 membrane (4.2 V at 4 kA·m⁻²). Based on both experimental and computational findings, PVDF/S(PS@DVB)-based hydrocarbon CEMs not only serve as cost-effective and stable alternatives to perfluorinated membranes in the chlor-alkali process but also provide a robust framework for molecular-level design.
كليدواژه هاي فارسي
الكتروليز كلرآلكالي , غشاي تبادل كاتيون , پلي استايرن ديوينيل بنزن , پلي وينيليدين فلورايد , هدايت كاتيوني , پايداري اكسايشي
كليدواژه هاي لاتين
Chlor-alkali electrolysis , cation exchange membrane , polystyrene-divinylbenzene , polyvinylidene fluoride , cation conductivity , oxidative stability
Author
Atieh Sadat Sadat Kachooei
SuperVisor
Soosan Rowshanzamir