جداسازی CO2/CH4 با استفاده از غشای ماتریس ترکیبی پلی متیل پنتین ذرات MIL-53

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

تهران، دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی شیمی، صندوق پستی 143- 14115

چکیده

در این مطالعه اثر افزودن ذرات Materials Institute Lavoisier-53, MIL 53 بر خواص گاز تراوایی غشای پلی­ متیل پنتین (PMP) ارزیابی شد.MIL-53با ترکیب درصدهای 10، 20 و %30 وزنی به ماتریس پلیمری اضافه شد. خواص MIL-53 و غشاهای ساخته شده به روش ­های مختلفی نظیر آزمون FTIR،SEM و TGA بررسی شد. همچنین آزمون جذب گازهای CO2 و CH4 برای بررسی هر چه دقیق ­تر خواص گاز تراوایی غشاهای حاصل انجام و داده­ های جذب با معادله لانگ مایر ارزیابی شد. افزون بر این، عملکرد غشاهای حاصل با اندازه­ گیری تراوایی گازهای CO2 و CH4 و به دنبال آن محاسبه گزینش­ پذیری CO2/CH4 ارزیابی شد. نتایج SEM نشان داد، ذرات MIL-53 از پراکندگی نسبتاً یکنواختی در شبکه پلیمری غشا برخوردارند و فصل مشترک پلیمر و ذرات تقریباً حاکی از نبود حفره­ های غیرگزینشی در عبور گاز بوده است. همچنین، بررسی TGA بیانگر بهبود پایداری گرمایی غشاهای ماتریس ترکیبی نسبت به غشای پلیمری خالص بوده است. نتایج نشان داد، تراوایی گازها (به ­ویژه CO2) با افزایش درصد وزنی MIL-53 به­ طور قابل توجهی افزایش یافته و افزون بر این گزینش ­پذیری CO2/CH4 نیز از روندی صعودی و همسو با تراوایی برخوردار بوده است. ضریب انحلال ­پذیری CO2 در غشا بر خلاف CH4، با افزایش درصد وزنی MIL-53 افزایش معنی ­داری داشته است، در حالی که ضریب نفوذ CO2 کاهش یافته است. درنهایت، مقایسه بین عملکرد غشاها با حد رابسون در جداسازی CO2/CH4 نشان داد، افزایش درصد وزنی MIL-53 بهبود عملکرد غشاها را به همراه داشته است و به حد رابسون در جداسازی CO2/CH4 بسیار نزدیک شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

CO2/CH4 Separation by a Mixed Matrix Membrane of Polymethylpentyne/MIL-53 Particles

نویسندگان [English]

  • Reza Abedini
  • Mohammadreza Omidkhah
  • Fatereh Dorosti
Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, P.O. Box: 14115-143, Tehran, Iran
چکیده [English]

The effect of Materials Institute Lavoisier-53 (MIL-53) particles on gas transport properties of polymethylpentyne (PMP) was investigated. MIL-53 was added to the polymer matrix with different loadings of 10, 20 and 30 wt%. The properties of MIL-53 and prepared membranes were analyzed through FTIR, SEM and TGA methods. The adsorption of CO2 and CH4 was conducted and analyzed accurately through Langmuir equation to investigate the gas transport properties of membranes. The results from TGA showed that degradation temperature (Td) increases significantly with increasing MIL-53 loading. SEM images demonstrated that MIL-53 particles dispersed well in polymer matrix with no considerable agglomeration and no non-selective void formation at polymer/filler interface. In addition, CO2 and CH4 permeability measurement along with calculation of CO2/CH4 selectivity were performed. The results showed that the permeability of gases (especially for CO2) increased significantly by increasing the MIL-53 loading. Additionally, CO2/CH4 selectivity showed an increasing trend with increasing the MIL-53 weight percent. Unlike CH4, the CO2 solubility coefficient increased with increasing the MIL-53 loading because of high free volume of membrane and selective adsorption of CO2 with MIL-53. Despite CO2 solubility enhancement its diffusivity coefficient remained more or less unchanged. The enhancement in CH4 permeability has been mainly attributed to its slight incremental diffusivity due to the membrane's increasingly higher free volume. Finally, a comparison between membranes performance and CO2/CH4 Robeson upper bound showed that, the performance of membranes improved due to the presence of MIL-53 which was very close to the Robeson bound.

کلیدواژه‌ها [English]

  • polymethyl pentyne
  • MIL-53
  • mixed matrix membrane
  • free volume of membrane
  • CO2/CH4 separation