جداسازی کربن دی اکسید- نیتروژن با استفاده از غشاهای نانوکامپوزیتی اتیلن پروپیلن دی ان مونومر- نانولوله های کربن چنددیواره

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 ماهشهر، پردیس ماهشهر، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، آزمایشگاه تحقیقاتی فرایندهای غشایی (MPRL)، صندوق پستی 415

2 تهران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر ، دانشکده مهندسی پلیمر و علوم رنگ، صندوق پستی 4413-15875

3 تهران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر ، دانشکده مهندسی شیمی، صندوق پستی 4413-15875

چکیده

در این پژوهش، غشای نانوکامپوزیتی اتیلن­ پروپیلن دی ­ان مونومر- نانولوله ­های­ کربن چنددیواره (EPDM/MWCNT) به روش ریخته­ گری محلول، تبخیر حلال و شبکه­ ای­ کردن پلیمر ساخته شد و برای جداسازی گازهای کربن دی ­اکسید و نیتروژن به­ کار گرفته شد. بدین منظور، از نانولوله­ های ­کربن چنددیواره خالص و عامل­ دارشده استفاده شد. اثر افزودن مقادیر مختلف (0 تا %4 وزنی) از نانولوله ­های خالص و عامل­ دار بر عملکرد غشای نانوکامپوزیتی بررسی شد. از آزمون­ های طیف­ سنجی زیرقرمز (FTIR) و میکروسکوپی الکترونی پویشی گسیل میدانی (FESEM) برای ارزیابی ساختار و شکل­ شناسی نانولوله­ ها و غشا استفاده شد. وجود گروه­ های عاملی کربوکسیلیک اسید با مقایسه طیف ­های FTIR حاصل از نانولوله ­های خالص و عامل­ دار تأیید شد. تصاویر FESEM غشاهای نانوکامپوزیتی، پراکنش مناسب نانولوله ­های خالص در غلظت کم و کلوخه­ شدن نانولوله ­ها در ماتریس EPDM را برای غلظت­ های بیش از %1 وزنی نشان­ می­ دهد. افزودن نانولوله ­های­ کربن چنددیواره، خواص مکانیکی غشا شامل استحکام کششی، مدول یانگ و ازدیاد طول تا پارگی را به مقدار قابل­ توجهی بهبود بخشید. با افزایش مقدار نانولوله ­های­ کربن تا %75/0 وزنی، تراوایی گازهای کربن دی­ اکسید و نیتروژن و گزینش ­پذیری کربن دی اکسید- نیتروژن افزایش یافت. در مقادیر بیشتر، همراه با افزایش تراوایی، به دلیل افزایش کلوخه­ شدن نانولوله ­ها گزینش ­پذیری کاهش یافت. افزون بر این، عامل­ دارکردن باعث بهبود پراکنش نانولوله­ ها، خواص مکانیکی و عملکرد جداسازی غشای نانوکامپوزیتی شد. به­ طوری که با عامل ­دارکردن نانولوله­ ها، تراوایی کربن دی­ اکسید و گزینش ­پذیری کربن دی ­اکسید- نیتروژن در غشای بهینه (%75/0 وزنی از نانولوله کربن عامل ­دار) به ترتیب از Barrer 95/37 و 03/18 به Barrer 57/57 و 43/23 افزایش یافت. در دمای محیط با ازدیاد فشار، تراوایی هر دو گاز در غشای نانوکامپوزیتی افزایش یافت، در حالی که گزینش­ پذیری تغییر قابل­ توجهی نداشت.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

CO2/N2 Gas Separation Using Nanocomposite Membranes Comprised of Ethylene-Propylene-Diene Monomer/Multi-Walled Carbon Nanotube (EPDM/MWCNT)

نویسندگان [English]

  • Zeinab Rajabi 1
  • Faramarz Afshar Taromi 2
  • Ali Kargari 3
  • Hamidreza Sanaeepur 1
1 Membrane Processes Research Laboratory (MPRL), Department of Petrochemical Engineering, Amirkabir University of Technology, Mahshahr Campus, P.O. Box: 415, Mahshahr, Iran
2 Department of Polymer Engineering and Color Technology, Amirkabir University of Technology, P.O. Box: 15875-4413, Tehran, Iran
3 Department of Chemical Engineering, Amirkabir University of Technology, P.O. Box:15875-4413, Tehran, Iran
چکیده [English]

Nanocomposite membranes of ethylene-propylene-diene monomer/multiwalled carbon nanotubes (EPDM/MWCNT) were prepared by solution casting, solvent evaporation and cross-link technique to be applied in CO2/N2 gas separation. Both simple and functionalized MWCNTs have been used. The effect of incorporated different amounts multiwalled carbon nanotubes (0-4 wt%), of both simple and functionalized types, on the performance of nanocomposite membranes was studied. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and field emission scanning electron microscopy (FESEM) were used to evaluate the structural/morphological observations of nanocomposite membranes. Comparing the FTIR results of pure and functionalized nanotubes confirmed the presence of carboxylic groups on the functional carbon nanotubes. The FESEM images indicated that at low concentrations, carbon nanotube particles were dispersed well in the EPDM matrix, but they formed agglomerates at concentrations beyond 1 wt%. By incorporation of MWCNTs, the mechanical
properties of nanocomposite membranes including tensile strength, Young's modulus and elongation-at-break considerably were improved. By increasing carbon nanotube loading up to 0.75 wt%, the permeability of both CO2 and N2 and the CO2/N2 selectivity increased. Further loading led to higher permeability of CO2/N2, while the selectivity of
the system decreased that could be attributed to further agglomeration of carbon nanotube particles. Furthermore, functionalization of carbon nanotubes improved their dispersion and the mechanical properties and gas separation performance of nanocomposite membranes. Through functionalizing of MWCNTs, both the CO2 permeability and CO2/
N2 selectivity of the optimum membrane (0.75 wt% MWCNTs) increased from 37.95 and 18.03 Barrer to 57.57 and 23.43 Barrer, respectively. At ambient temperature, by the increase in feed pressure a slight increase in the permeability of both CO2 and N2 gases was observed, while the CO2/N2 selectivity was not highly affected.

کلیدواژه‌ها [English]

  • multi-walled carbon nanotube
  • mmbrane
  • Nanocomposite
  • gas separation
  • functionalization