اثر چارچوب های فلزی-آلیMIL-53 عامل دارشده با آمین بر عملکرد غشای پلی(4- متیل- 1- پنتین) در جداسازی مخلوط گازهای CH4 و CO2

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 بابل، دانشگاه صنعتی بابل، دانشکده مهندسی شیمی، صندوق پستی 484

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

چکیده

در این پژوهش، اثر چارچوب ­های فلزی-آلی NH2-MIL 53 بر خواص گازتراوایی غشای پلیمری پلی(4- متیل-1- پنتین) (PMP) بررسی شده است. از روش ­های مختلفی نظیر FTIR، DSC، SEM و آزمون جذب گاز به همراه آزمون جداسازی CO2/CH4 به حالت گاز خالص و مخلوط گازی برای بررسی آثار گروه عاملی  NH2- بر خواص غشاهای شبکه ترکیبی بهره گرفته شد. نتایج حاصل از DSC نشان­ دهنده افزایش دمای انتقال شیشه­ ای (Tg) غشاها به ازای ازدیاد درصد وزنی ذرات بوده است. همچنین، تصاویر SEM نمایانگر پخش مناسب و تقریباً یکنواخت ذرات در ماتریس پلیمری بوده که عاری از تجمع قابل ­توجه ذرات است. آزمون جذب گاز از ذرات  NH2-MIL 53 نشان داد، این ذرات، جذب کاملاً گزینشی نسبت به CO2 داشته ­اند که ناشی از برهم کنش بین CO2 و ذرات افزودنی بوده است. افزون بر این، وجود ذرات NH2-MIL53 منجر به افزایش تراوایی گازها (به­ ویژه CO2) و گزینش ­پذیری CO2/CH4 شد. در ازای افزودن %30 وزنی از ذرات NH2-MIL 53 به غشای شبکه ترکیبی، تراوایی CO2 و گزینش ­پذیری CO2/CH4 در مخلوط گازی به ترتیب از 83.35 به 210.21 و 7.61 به 19.88 افزایش یافت. ازدیاد دما در آزمون تراوایی گازها از 30 به 60 درجه سلسیوس باعث افزایش تراوایی هر دو گاز CO2 و CH4 در مخلوط گازی شد، در حالی که گزینش ­پذیری CO2/CH4 کاهش یافت. افزون بر این، نتایج حاصل از عملکرد گروه­ های آمینی نشان داد، این گروه­ ها به بازیابی نیاز نداشته و عملکرد آنها در طول  120 ساعت آزمون تراوایی افت نکرده است. مقایسه بین داده­ های تراوایی با مدل­ های مرسوم تراوایی نشان داد، مدل برگمن نسبت به مدل­ های ماکسول و لویس از تقریب بهتری در داده ­های تراوایی  CO2 برخوردار بوده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effect of Amine-Functionalized MIL-53 Metal Organic Frameworks on the Performance of Poly(4-methyl-1-pentyne) Membrane in CO2/CH4 Separation Gas Mixture

نویسندگان [English]

  • Reza Abedini 1
  • Mohammadreza Omidkhah 2
  • Fatereh Dorosti 2
1 Faculty of Chemical Engineering, Babol University of Technology, P.O. Box: 484, Babol, Iran
2 Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, P.O. Box: 14115-143, Tehran, Iran
چکیده [English]

The effect of NH2-MIL 53 metal organic framework (MOF) on gas transport properties of poly(4-methyl-1-pentyne) (PMP) was investigated. Various characterization methods such as FTIR, DSC, SEM and gas adsorption test as well as a series of CO2/CH4 gas separation tests (i.e., pure and mixed gas test) were conducted in order to determine the effect of ligand functionalization (–NH2) on the properties of the prepared mixed matrix membranes and their gas transport characteristics. The results of DSC showed that glass transition temperature (Tg) increased by increasing NH2-MIL 53 loading. The SEM images also demonstrated that the NH2-MIL 53 particles were dispersed well in the PMP matrix with no noticeable agglomeration. The gas adsorption test of NH2-MIL 53 particles revealed there was a selective adsorption behavior with respect to CO2. It was also found that, incorporation of NH2-MIL 53 into the PMP resulted in an increase in gas permeability (especially towards CO2) and a higher CO2/CH4 selectivity. Adding 30 wt% NH2-MIL 53 into the polymer matrix increased CO2 permeability and CO2/CH4 selectivity of the mixed gas from 83.35 to 210.21 barrer and 7.61 to 19.88, respectively. Rising the temperature from 30 to 60°C led to the permeability increment of both CO2 and CH4 in the mixed gas test, while the CO2/CH4 selectivity decreased. Moreover, the results showed that amino groups required no regeneration and their performance did not decline during 120 h of permeation test. A comparison between the permeation data and those calculated from permeation models revealed that the Bruggeman model could fit the CO2 permeability data better than the Maxwell and Lewis models.

کلیدواژه‌ها [English]

  • poly (4-methyl-1-pentyne)
  • NH2-MIL 53
  • mixed matrix membrane
  • CO2/CH4 separation gas mixture