توصيفگر ها :
غشا زمينه مركب , اصلاح سطح , سيليكا , pebax 1657 , جداسازي گاز
چكيده فارسي :
امروزه با توجه به پيشرفت صنايع و افزايش استفاده از سوخت¬هاي فسيلي، شاهد آلودگي روزافزون هوا و افزايش انتشار گازهاي گلخانه¬اي هستيم. از اين رو پژوهشگران همواره به دنبال راه¬هاي مختلف براي كنترل و كاهش انتشار اين گازها بوده¬اند. فناوري غشا از جمله روش-هاي جديد است كه به دلايل مختلف از جمله مصرف پايين انرژي، دوام و استحكام مكانيكي بالا و هزينه پايين سرمايه¬گذاري بسيار مورد توجه قرار گرفته است. در اين پژوهش با ساخت غشاهاي زمينه مركب متشكل از ذرات معدني سيليكا درون زمينه پليمري پلي¬اتربلاك-آميد با نام تجاري Pebax سعي در بهبود عملكرد غشاهاي جداسازي گاز كرديم. پليمر پلي¬اتربلاك¬آميد از دو بخش سخت و نرم تشكيل شده است. بخش سخت پلي¬آميد استحكام مكانيكي غشا را تامين مي¬كند و به دليل وجود گروه¬هاي آمين، جاذب CO2 است اما بخش نرم پلي¬(اتيلن¬اكسايد) به دليل انعطاف¬پذير بودن و حضور پيوندهاي اتيلن¬اكسايد قطبي، باعث افزايش تعاملات بين گازهاي قطبي مانند كربن¬دي¬اكسيد و توده پليمر شده و در نتيجه جذب و نفوذ اين گاز در مقايسه با گازهاي غيرقطبي افزايش مي¬يابد. افزودن نانوذرات معدني مانند سيليكا به زمينه پليمري، سبب افزايش حجم آزاد بين زنجيرها و از هم گسيختگي تراكم زنجيرهاي پليمر مي¬شود كه به دنبال آن نفوذ گاز افزايش مي¬يابد. مشكل اصلي در ساخت غشاهاي زمينه مركب پراكندگي يكنواخت ذرات در زمينه و عدم چسبندگي مناسب بين ذرات و زمينه پليمر است. با انجام اصلاح سطحي ذرات مي¬توان گفت اين مشكل تا حدي رفع مي¬شود. از اين رو در اين پژوهش ابتدا سطح نانوذرات سيليكا را با پليمريزاسيون پيوندي آكريل¬آميد اصلاح كرديم و سپس از ذرات اصلاح شده براي تهيه غشا زمينه مركب بر پايه پليمر پلي¬اتربلاك¬آميد استفاده شد. به اين ترتيب علاوه بر بهبود پراكندگي ذرات در زمينه پليمري، به دليل برهمكنش گاز CO2 با گروه¬هاي عاملي ايجاد شده روي سطح ذرات، حلاليت و در نتيجه تراوايي اين گاز در غشا افزايش يافت. براي اطمينان از انجام اصلاح سطح نانوذرات، آزمون¬هاي FTIR, FE-SEM و TGA بر روي نانوذرات انجام شد. غشاهاي خالص و نانوكامپوزيتي نيز با آزمون¬هاي Tensile, TGA, DSC, FE-SEM, XRD, ATR و تراوايي گاز خالص ارزيابي شدند. بهترين عملكرد تراوايي گازهاي N2, He و O2 مربوط به غشاي حاوي 2% وزني نانوذره و بهترين عملكرد تراوايي گازهاي CH4 و CO2 مربوط به غشاي حاوي 3% وزني نانوذره بود. اين مقادير به ترتيب برابر 96/6، 10/2، 54/4، 83/4 و 19/96 بارر اندازه¬گيري شد. طبق نتايج، مقادير تراوايي نسبت به غشا خالص به ترتيب 57/31، 39/21، 37/22، 21/23 و 42/34 درصد افزايش يافتند. بيشترين ميزان گزينش¬پذيري CO2/N2 و CO2/CH4 نيز برابر 36/57 و 89/19 به ترتيب با درصد بهبود 30/38 و 99/8 نسبت به غشاي خالص بود. طبق منحني رابسون نيز با افزايش ميزان نانوذرات تا 5% وزني، داده¬ها به كران بالاي رابسون نزديك شدند.
چكيده انگليسي :
Today, due to the development of industry and the increasing use of fossil fuels, we are witnessing increasing air pollution and increased emissions of greenhouse gases. Among these gases, carbon dioxide plays a major role in climate change. Therefore, researchers have always been looking for different ways to control and reduce the emission of this gas. Membrane technology is one of the new methods that has received much attention for various reasons such as low energy consumption, high durability and mechanical strength and low investment cost. However, due to the limitation shown between the permeability parameters and the selectivity by Robeson, mixed matrix membranes (MMMs) consisting of mineral particles within the polymer matrix have been proposed. The main problem in making MMMs is uniform dispersion of particles in the matrix and lack of proper adhesion between the particles and the polymer matrix. Therefore, in this study, we first modified the surface of silica nanoparticles by graft polymerization of acrylamide and then these particles were used to prepare a membrane based on poly (ether-block-amide) under the brand name Pebax. Thus, in addition to improving the dispersion of particles in the polymer field, due to the interaction of CO2 gas with the functional groups created on the surface of the particles, the solubility and consequently the permeability of this gas in the membrane increased. FTIR, FE-SEM and TGA tests were performed on nanoparticles to ensure the surface modification of nanoparticles. Pure and nanocomposite membranes were also evaluated by Tensile, TGA, DSC, FE-SEM, XRD, ATR and pure gas permeability tests. The best permeability performance of CH4, O2, N2, He and CO2 gases was related to the membrane containing 3% by weight of nanoparticles, which were measured as 6.82, 1.89, 4.35, 4.83, 96.19 barrer, respectively. According to the results, the permeability values to the pure membrane increased by 28.92, 9.25, 17.25, 23.21 and 34.42%, respectively. The highest selectivity of CO2/N2 and CO2/CH4 was 57.36 and 19.89 with 38.25 and 8.98 percent improvement over pure membrane, respectively. According to the Robeson curve, with increasing the amount of nanoparticles up to 5% by weight, the data approached the upper limit of Robson.
