توصيفگر ها :
غشاي پلي اتر بلاك آميد , اصلاح سطح , تراوايي , گزينش پذيري , جاذب هاي آميني كربن دي اكسيد
چكيده فارسي :
غشاهاي پلي اتر بلاك آميد به دليل تراوايي و گزينش¬پذيري مناسب، قابليت ساخت فيلم و خواص مكانيكي مطلوب در صنعت جداسازي گاز مورد توجه است. فشار كم گاز خروجي از دودكش و غلظت نسبتا كم دي اكسيد كربن دو مشكل عمده در به كارگيري غشاهاي پليمري در جداسازي دي اكسيد كربن است كه نياز دستيابي به غشاهايي با گزينش¬پذيري بالا را ضروي كرده است. در پژوهش حاضر سطح غشاي پلي اتر بلاك آميد به كمك عوامل متوسط اندازه جاذب دي اكسيد كربن به روش غوطه¬وري اصلاح شد. اصلاح غشا با سه نوع ماده آميني با طول متفاوت و همچنين به صورت دو مرحله¬اي انجام شد كه در مرحله اول ايزوسيانات در حضور كاتاليست به مدت يك ساعت در دماي 25 درجه سانتي¬گراد بر روي سطح پيوند زده شد كه پيوند آن با آزمون طيف¬سنجي تبديل فوريه مادون قرمز(ATR) تاييد شد و در مرحله دوم غشاي اصلاح شده با ايزوسيانات به مدت يك ساعت و در دماي 25 درجه سانتي گراد در معرض محلول گروه¬هاي آميني جاذب دي اكسيد كربن قرار گرفت تا پيوند بين گروه¬هاي آميني و ايزوسيانات شكل بگيرد. به منظور بررسي خصوصيات غشاهاي اصلاح شده از آزمون¬هاي ATR ، زاويه تماس استاتيك و ديناميك ، طيف¬سنجي پراش اشعه ايكس (XRD) و آزمون تراوايي گاز خالص استفاده شد. همچنين براي بررسي اثر حلال تولوئن بر روي غشا ، در مدت زمان¬هاي مشابه با فرايند اصلاح ، غشاي پلي اتر بلاك آميد به مدت 3 ساعت ( با احتساب زمان شستشو) در دماي 25 درجه سانتي¬گراد در معرض حلال تولوئن قرار گرفت . درغشاي اصلاح شده با تولوئن تراوايي He، N_2،O_2،〖CH〗_4و 〖CO〗_2 به ترتيب %19/18، %75/20، %63/21 ، % 35/13 و% 09/23 و گزينش¬پذيري 〖CO〗_2 نسبت به He، N_2،O_2 و〖CH〗_4 به ترتيب% 15/4 ،% 93/1 ، %20/1 و % 59/8 نسبت به غشاي خالص افزايش داشت كه با نتايج ATR كه نشان دهنده افزايش نسبت كربونيل پيوندي به آزاد و همچنين نتايج XRD كه كاهش فاصله كريستال¬ها در بخش سخت را نشان مي¬دهد مطابقت داشت .چرا كه افزايش نسبت كربونيل¬هاي پيوندي به كربونيل¬هاي آزاد و همچنين كاهش فاصله كريستال¬ها در بخش سخت نشان بر جدايش فازي بيشتر است كه افزايش تراوايي را توجيه مي¬كند. از طرفي نتايج ATR مهاجرت گروه¬هاي آميني به سطح را در غشاهاي اصلاح شده با تولوئن نشان مي¬دهد كه با افزايش نسبي آبدوستي سطح غشا توسط آزمون¬هاي زاويه تماس استاتيك و ديناميك مورد تاييد قرار گرفت. از اين رو با توجه به ميعان¬پذيري و قطبش¬پذيري بالاي گاز كربن دي اكسيد افزايش گزينش¬پذيري كربن دي اكسيد نسبت به ساير گازها قابل توضيح است. همه غشاهاي اصلاح شده با گروه¬هاي آميني منجر به كاهش تراوايي گازها و افزايش گزينش¬پذيري 〖CO〗_2 نسبت به ساير گازها در غشا شدند. كاهش تراوايي گاز 〖CO〗_2 در غشاهاي اصلاح شده با TETA، TEPAو PEHA نسبت به غشاي خالص به ترتيب %31/32 ، % 52/40 و % 39/0 و افزايش گزينش¬پذيري 〖CO〗_2 نسبت به N_2 به ترتيب %80/68 ، % 93/54 و % 82/63 بود. كاهش تراوايي با نتايج ATR كه كاهش كربونيل¬هاي پيوندي به آزاد و همچنين نتايج XRD كه افزايش فاصله كريستال¬ها در بخش سخت را نشان مي¬دهد مطابقت دارد. علاوه بر اين تداخل فازي و ممانعتي كه گروه¬هاي آميني روي سطح اين غشاها به وجود آورند موجب كاهش ضريب نفوذ گازها شد. اين درصورتي است كه حضور گروه¬هاي آميني در سطح و آبدوست تر شدن سطح غشا منجر به افزايش ضريب حلاليت كربن دي اكسيد شد ،درحالي كه ضريب حلاليت ساير گازها چندان تغييري نكرد بنابراين افزايش گزينش¬پذيري كربن دي اكسيد كه گازي با قطبش¬پذيري و ميعان پذيري بالا است قابل توضيح است.
چكيده انگليسي :
Poly Ether Block Amide (PEBA) membranes are considered in the gas separation industry due to their permeability and appropriate selectivity, film-making ability and desirable mechanical properties. Low flue gas pressure and low concentration of carbon dioxide are two major problems in the use of polymer membranes in carbon dioxide separation, which has necessitated for high selectivity membranes. In the present study, the surface of poly ether block amide membrane is modified by immersion method using the mediocrity size of carbon dioxide adsorbent. Membrane modification is performed with three types of amine substances at different lengths and also in two steps. In the first step, isocyanate was bonded on the surface in the presence of a catalyst for one hour at 25 C^°, which was confirmed by ATR test. In the second stage, the modified membrane and isocyanate were exposed to a solution of carbon dioxide adsorbent amine groups for one hour at 25 C^° in order to form a bond between the amine groups and isocyanate. ATR, static and dynamic contact angle, XRD and pure gas separation tests were used to evaluate the properties of the modified membranes. In order to investigate the effect of toluene solvent on the membrane, the poly ether block amide membrane was exposed to toluene solvent for 3 hours (including washing time) at 25 C^° in similar times during the modification process. Permeability of CH_4, O_2, N_2, He and CO_2 are increased by 18.19%, 20.75%, 21.63%, 13.35% and 23.09% in toluene-modified membrane compared to pure membrane, respectively. Besides, CO_2 selectivity to He, N_2, O_2and CH_4 are increased by 4.15%, 1.93%, 1.20% and 8.59% in toluene-modified membrane compared to pure membrane, respectively, which is consistent with the ATR and XRD results. ATR results show an increase in the ratio of bonded carbonyl to free carbonyl and XRD results indicate a decrease in the distance of crystals in the hard section. Increment of the ratio of bonded carbonyls to free carbonyls and decrement of the distance of crystals in the hard section indicates more phase separation, which justifies the increase in permeability. On the other hand, ATR results show the migration of amine groups to the surface in toluene-modified membranes, which was confirmed by the relative increase in hydrophilicity of the membrane surface by static and dynamic contact angle tests. Therefore, the increment of the selectivity of carbon dioxide in comparison other gases can be explained due to the high condensability and polarizability of carbon dioxide gas. All modified membranes with amine groups reduced permeability and increased membrane selectivity. The decrease in CO_2 permeability in modified membranes with TETA, TEPA and PEHA compared to pure membrane is 32.31%, 40.52% and 0.39%, respectively, and the increase in CO_2 selectivity to N_2 is 68.80%, 54.93% and 63.82%, respectively. The decrement of in permeability is consistent with the ATR results, which show a decrease in free-bonded carbonyls, as well as the XRD results indicate an increase in the distance of the crystals in the hard section. In addition, the phase interference and inhibition that amine groups are created on the surface of these membranes led to a reduction in the diffusion coefficient of gases. However, the presence of amine groups on the surface and the hydrophilicity of the membrane surface leads to an increase in the solubility coefficient of carbon dioxide, while the solubility coefficient of other gases has not changed much, and hence, the increase in selectivity of carbon dioxide can be explained by high polarizability of carbon dioxide.