شماره راهنما :
1321 دكتري
پديد آورنده :
فخار، افسانه
عنوان :
سنتز و ارزيابي ساختار و خواص جداسازي گاز غشاهاي پلي يورتاني حاوي گروه هاي حجيم و اثر نانوذرات سيليكاي اصلاح شده
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
بيست، ۱۷۰ص.: مصور، جدول، نمودار
استاد راهنما :
مرتضي صادقي، محمد ديناري
توصيفگر ها :
غشاهاي پلي يورتان , جداسازي گاز , زنجيرگسترنده هاي حجيم , نانوذرات سيليكاي اصلاح شده , غشاهاي زمينه مركب
استاد داور :
روح اله باقري، احمد محب، مهدي پور افشاري چنار
تاريخ ورود اطلاعات :
1397/11/24
رشته تحصيلي :
مهندسي شيمي
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1397/11/27
كد ايرانداك :
ID1321 دكتري
چكيده فارسي :
چکیده امروزه غشاهای پلیمری به دلیل دارا بودن مزایایی از قبیل هزینه سرمایهگذاری پایین کنترل آسانتر فرایند آلودگیهای زیست محیطی کمتر هزینههای فرایندی مقرون به صرفه مصرف انرژی کمتر اندازه و ابعاد تجهیزات کوچکتر و عدم نیاز به تغییر فاز نسبت به جداسازیهای مرسوم در فرایندهای جداسازی گازها بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند در این بین غشاهای پلییورتان به دلیل تراوایی و گزینشپذیری مناسب قابلیت ساخت فیلم و خواص مکانیکی مطلوب در صنعت جداسازی گاز به ویژه برای جداسازی 2 CO2 N توجه ویژهای را به خود معطوف نمودهاند ساختار شیمیایی پلییورتانها از قطعات سخت یورتانی یا یورتانی اورهای و نرم پلیالی اتری استری تشکیل شده است عدم تراوایی گاز در نواحی متراکم و سخت باعث شده که این نواحی به عنوان قطعات ناتروا شناخته شوند بنابراین هدف در این پژوهش بر مبنای ارائه راهکارهایی به منظور تغییر ساختار قطعه سخت در جهت افزایش مشارکت قطعه سخت یا کاهش اثر بازدارندگی آن در تراوایی و جداسازی گازها در غشاهای پلییورتانی قرار گرفت استفاده از زنجیرگسترندههای حجیم دیآمینی جهت سنتز پلییورتان و تهیه غشاهای زمینه مرکب به منظور بهبود عملکرد غشاهای حاصل از جمله راهکارهای ارائه شده میباشد در راهکار اول دو خانواده از زنجیرگسترندههای دیآمینی حجیم بر مبنای واکنشگر سیانوریککلراید سنتز شد و جهت سنتز پلییورتان به منظور کاهش فشردگی زنجیرهها در قطعات سخت پلییورتان مورد استفاده قرار گرفت گروه اول از زنجیرگسترندهها حاوی استخالفهای آروماتیک با تعداد متفاوت حلقههای آروماتیک و گروه دوم شامل استخالفهای آلیفاتیک با طول متفاوت میباشند پلییورتانها با استفاده از ایزوفورندیایزوسیانات و هگزامتیندیایزوسیانات پلیتترامتیلنگالیکول با وزن مولکولی 0002 و زنجیرگسترندههای مختلف در نسبتهای مولی پلیال دی ایزوسیانات زنجیرگسترنده 3 1 2 سنتز شد نتایج حاصل از سنتز این ساختارهای جدید از پلییورتانها حاکی از افزایش مشارکت قطعه سخت در تراوایی گاز نسبت به پلییورتان خطی بود در خانواده پلییورتانهای دارای گروه آروماتیک افزایش تعداد حلقه آروماتیک باعث افزایش همزمان تراوایی و گزینشپذیری و همچنین بهبود خواص مکانیکی غشا گردید در این گروه بهترین عملکرد برای غشای دارای حجیمترین زنجیرگسترنده و هگزامتیلندیایزوسیانات با تراوایی 2 CO معادل 82 742 بارر و گزینشپذیری 2 CO2 N معادل 87 11 به ترتیب 623 و 45 بهبود نسبت به پلییورتان خطی حاصل شد افزایش حجم آزاد و درجه جدایی فازی بر مبنای آزمونهای FTIR و DSC بین نواحی سخت و نرم پلییورتان با ورود استخالف حجیمتر تعیینکننده رفتار این دسته از غشاهای پلییورتانی بود افزایش گزینشپذیری نفوذی 2 O2 N و همچنین افزایش گزینشپذیری جذبی 2 CO2 N در این غشاها تاییدکننده دخالت قطعات سخت در جداسازی گاز میباشد سازوکار جداسازی گاز در دسته دوم پلییورتانها به گونهای متفاوت از دسته اول حاصل شد بدین صورت که با ورود زنجیرگسترنده حاوی استخالف آلیفاتیک طوالنیتر مقدار جدایی فازی افزایش درحالیکه حجم آزاد کاهش یافت به دلیل عدم سازگاری ترمودینامیکی این زنجیرهای جانبی آلیفاتیک با زنجیره اصلی قطعه سخت پلییورتان عالوه بر جدایی فازی معمول بین نواحی سخت و نرم پلییورتان جدایی فازی دیگری بین زنجیر جانبی و زنجیره اصلی قطعه سخت احتماال رخ میدهد به دلیل انرژی سطحی پایین این زنجیرهای جانبی امکان مهاجرت آنها به سطح و پوشش دادن زنجیره اصلی قطعات سخت وجود دارد بر مبنای این سازوکار پیشنهادی امکان اختالط فازی بین نواحی سخت و نرم کاهش یافته است همچنین این زنجیرهای جانبی به صورت روانکار داخلی عمل کرده و با افزایش تحرک زنجیر در قطعه سخت و افزایش احتمالی خلوص فازها تراوایی گاز را بهبود دادهاند باالترین تراوایی در این گروه 5 682 بارر برای 2 CO در پلییورتان بر پایه طوالنیترین استخالف آلیفاتیک حاصل شد 263 و 42 بهبود به ترتیب در تراوایی و گزینشپذیری نسبت به پلییورتان خطی در راهکار دوم به منظور تهیه غشاهای زمینه مرکب از نانوذرات سیلیکای اصالح شده دارای ساختار پرشاخهای حاوی گروههای آمین به عنوان جاذب 2 CO استفاده شد غشاهای حاوی 5 درصد وزنی از نانوذرات سیلیکای اصالح شده بهترین عملکرد جداسازی گاز و خواص مکانیکی را نشان دادند به عنوان نمونه در دو نوع غشا از هر دو خانواده پلییورتان بر مبنای ایزوفوروندیایزوسیانات تراوایی 2 CO و گزینشپذیری 2 CO2 N به ترتیب به صورت 31 783 بارر و 93 14 بهبود 52 و 61 نسبت به پلییورتان خالص مربوطه و 28 832 بارر و 86 34 بهبود 02 و 01 نسبت به پلییورتان خالص مربوطه حاصل شد بررسی ایزوترم جذب حاصل از این پلییورتانها توسط آزمون الیپسومتری نیز بیانگر پیروی رفتار جذب پلییورتانها از مدل جذب دوگانه که مشخصه پلیمرهای شیشهای دارای حجم
چكيده انگليسي :
070AbstractToday polymeric membranes have received special attention in gas separation applications due to low capital costs easy fabrication and controlled non environmental effect energy efficiency small sized equipments and no need tophase change Among them polyurethane membranes are attractive in gas separation industry especially CO 2 N2separation due to proper permeability and selectivity capability of film formation and desired mechanical properties Chemical structure of polyurethane consists of urethane or urethane urea hard segments and polyol ether ester softsegment Since hard segments are known as impermeable domains due to their compact structure the objective of thisresearch is to adjust the structure of hard domains in order to enhance their contribution in gas separation or decresetheir inhibitory effect on gas permeation through polyurethane membranes Using diamine bulky chain extenders forpoly urethane urea PUU synthesis and preparation of mixed matrix membrane MMM are the presented solutions As the first solution two families of bulky chain extenders based on cyanuric chloride were synthesized and served todecrease chain packing of hard segments In the first category aromatic substituents with different numbers of aromaticrings and for the second one aliphatic side chains with different lenghths were used IPDI HDI diisocyanate andPTMG2000 were served for PUU synthesis and the molar ratio of PTMG diisocyanate chain extender was 1 3 2 Theresults reveals the enhanced association of hard segments of the synthesized PUUs in gas permeation compared tolinear one In the first family of PUUs simultaneously enhanced permeability and selectivity and also improvedmechanical properties were obtained by the bulkier PUU The best performance was obtained by bulkier and HDI based PUU with CO2 permeability of 247 38 barrer and CO2 N2 selectivity of 33 78 126 and 54 improvement respectively compared to linear one Enhanced FFV and phase separation based on FTIR and DSC are the mainreasons of this improvement Increased O2 N2 diffusivity selectivity and also CO2 N2 solubility selectivity confirmedthe hard domain association A different mechanism governed the gas separation behavior of the second family Introduction of longer side chain to the hard segment increased phase separation while decresed FFV values Themodynamic incompatibility of the main chain and the side chain of hard domains might give rise to another phaseseparation Migration of the side chains due to their low surface tension and shielding the main chain by side chainsare probable The lubricity effect of the side chains thereby enhanced chain mobility and probable increased purity ofthe phases are likely dominant for increase in permeability The highest CO2 permeability was obtaind by the longestside chain based PUU as 286 5 barrer 162 and 24 improvement in permeability and selectivity respectively Asthe second solution mixed matrix membranes MMM were prepared based on hyperbranched surface modified silicananoparticles as CO2 absorbents The membranes containing 5 wt were the optimum samples For example the bestgas CO2 permeabilities and CO2 N2 selectivities of the two types of PUU MMMs were provided as 187 31 barrer and43 19 25 and 36 improvement compared to corresponding pure PUU and 218 82 barrer and 41 68 20 and30 improvement compared to corresponding pure PUU Sorption desorption behavior isotherms of twe types ofPUUs confirmed dual mode sorption behavior describing glassy polymer behavior Additionally the synthesized PUUmembranes presented good performance for propane methane and ethane methane separation Keywords Polyurethane membranes gas separation bulky chain extenders surface modified silica nanoparticles mixed matrixmembranes
استاد راهنما :
مرتضي صادقي، محمد ديناري
استاد داور :
روح اله باقري، احمد محب، مهدي پور افشاري چنار
