توصيفگر ها :
جداسازي كربن دياكسيد , غشاي زمينه مركب , پلييورتان , نانوذرات آلومينا , كيتوسان
چكيده فارسي :
چكيده
غشاهاي پليمري جداسازي گاز بهترين رويكرد براي جدا سازي كربن دياكسيد از مخلوطهاي گازي و كاهش اثرات زيست محيطي نامطلوب آن محسوب ميشوند. غشاهاي زمينه مركب كه با افزودن پركنندههاي غيرآلي به بسترهاي پليمري ايجاد ميشوند يك انتخاب عالي براي جداسازي گاز كربن دياكسيد ميباشند. با در نظر گرفتن اين موضوع، در اين پژوهش، غشاهاي جداسازي گاز زمينه مركب بر پايه پلييورتان و نانوذرات آلوميناي اصلاح شده با كيتوسان تهيه و مشخصهيابي شده است. براي اين منظور ابتدا پلييورتان بر پايه پليال پلي(تترا متيلن اتر) گليكول (PTMG)، ديايزوسيانات ايزوفورون دي ايزوسيانات (IPDI) و زنجيره گسترنده بوتان دي آمين (BDA) سنتز شده است. زنجيرههاي كيتوسان به كمك ماده واسطه [3-(2، 3-اپوكسي پروپوكسي) پروپيل] تري متوكسي سيلان (EPO) به سطح نانوذرات آلومينا اتصال يافته است، سپس غشاهاي زمينه مركب پلييورتان/نانوذرات آلوميناي اصلاح شده با كيتوسان داراي مقادير مختلف نانوذرات تهيه شدند. آزمونهاي متعددي شامل FTIR، EDX، XRD، SEM و ... روي نانوذرات اصلاح شده و غشاهاي زمينه مركب انجام شد. نتايج FTIR، EDX و XRD نانوذرات اصلاح شده با كيتوسان، وجود پيكهاي مشخصه كيتوسان در نانوذرات اصلاح شده را تصديق كرد. تصاوير SEM نشان داد نانوذرات آلوميناي اصلاح شده با كيتوسان كاملاً كروي و با قطر حدود 98 نانومتر هستند. نتايج FTIR غشاهاي زمينه مركب نشان داد افزايش نانوذرات تا 5 درصد سبب افزايش 15 درصدي جدايي فازي نسبت به پلييورتان خالص ميشود ولي افزايش بيشتر مقدار نانوذرات جدايي فازي را كاهش ميدهد. نتايج SEM غشاهاي زمينه مركب نشان داد نمونهها داراي ساختار متراكم هستند و تا 9 درصد نانوذره، نانوذرات بهخوبي در زمينه پليمري توزيع ميشوند، اما با افزايش بيشتر مقدار نانوذرات، نانوذرات تجمع كرده و عيوب ساختاري در غشاهاي زمينه مركب ظاهر ميشوند. نتايج EDX غشاهاي زمينه مركب نشان داد در غشاهاي حاوي 12 درصد از نانوذرات، توزيع غيريكنواخت و تجمع نانوذرات آلومينا در زمينه پلييورتان روي ميدهد. نتايج DSC نشان داد افزودن نانوذرات سبب افزايش دماي گذار شيشهاي پلييورتان ميشود. نتايج TGA نشان داد افزودن 9 درصد نانوذرات سبب افزايش پايداري حرارتي پلييورتان ميشود. نتايج آزمون تراوايي و انتخاب پذيري غشاهاي زمينه مركب نشان داد افزايش مقدار نانوذرات سبب كاهش تراوايي مولكولهاي گازي N2، O2 و CH4 و افزايش تراوايي مولكول CO2 ميشود. همچنين افزودن نانوذرات بهپلييورتان و افزايش مقدار آنها سبب افزايش انتخاب پذيري تركيبات گازي CO2/N2 و CO2/CH4 ميشود. با افزايش نانوذرات به 9 درصد تراوايي CO2، انتخاب پذيري CO2/N2 و انتخاب پذيري CO2/CH4 بهترتيب 31، 48 و 42 درصد نسبت به پلييورتان خالص افزايش مييابد. در ميان غشاهاي زمينه مركب ، غشا با 9 درصد نانوذره با تراوايي CO2 و گزينش¬پذيري CO2/N2 به ترتيب برابر 77 برر و 25، نسبت به ساير نمونهها به خط رابسون نزديكتر است و عملكرد جداسازي گاز بهتري را دارا است.
واژههاي كليدي:
جداسازي كربن دياكسيد، غشاي زمينه مركب، پلييورتان، نانوذرات آلومينا، كيتوسان
چكيده انگليسي :
Abstract
Gas separation membranes are the best approach for the separation of carbon dioxide from gas mixture and the prevention of its adverse environmental effects. The mixed matrix membranes that are produced with the addition of inorganic fillers into polymer matrixes are excellent choices for CO2 separation. With this in mind, in the present research, the mixed matrix membranes based on polyurethane and chitosan-modified alumina nanoparticles were prepared and evaluated. For this purpose, first, polyurethane based on poly(tetramethylene ether)glycol (PTMG) polyol, isophorone diisocyanate (IPDI), and butanediamine (BDA) chain extender were synthesized. Meanwhile, chitosan chains were attached to alumina nanoparticles in the presence of [3-(2, 3-epoxypropoxy) propyl] trimethoxysilane (EPO). Then, mixed matrix membranes with different amount of nanoparticles were prepared.
Different analyses including FTIR, EDX, XRD, SEM, and so on were performed on the surface-modified nanoparticles and mixed matrix membranes. FTIR, EDX and XRD analyses of chitosan-modified nanoparticles showed the presence of chitosan characteristic peaks in the spectrum of modified nanoparticles. SEM images revealed that chitosan-modified nanoparticles are completely spherical and have an average diameter of 98 nm. FTIR results of mixed matrix membranes confirmed that the increase of nanoparticle content to 5% increases the phase separation by 15% compared to pure PU, however further increase of nanoparticles decreases the phase separation. SEM images of mixed matrix membranes showed that membranes are dense and the nanoparticles are well dispersed in polymer matrix up to 9 %, however with the further increase of nanoparticles, the nanoparticles agglomeration and structural defects appeared in the samples. EDX results confirmed the inhomogeneous dispersion of nanoparticles and nanoparticle agglomeration in sample with 12 % nanoparticles. DSC curves showed that the addition of nanoparticles to PU increases the glass transition temperature of the PU matrix. TGA results confirmed that the addition of 9 % nanoparticles to PU increases the thermal stability of the polymer. Gas permeability and selectivity results revealed that increasing the nanoparticle content decreases the permeability of N2, O2 and CH4, while increases the permeability of CO2. In addition, increasing the nanoparticle content increases the CO2/N2 and CO2/CH4 selectivity. Increasing nanoparticles to 9% increases the CO2 permeability, CO2/N2 selectivity, and CO2/CH4 selectivity by 31, 48, and 42%, respectively. Amongst the mixed matrix membrane, the one with 9% nanoparticles with permeability and CO2/N2 selectivity of 77 barrer and 25, respectively approaches more to Robeson upper bound and has the best gas separation performance.
Key Words:
Carbon dioxide separation, mixed matrix membrane, polyurethane, alumina nanoparticles, chitosan