غشای ماتریس ترکیبی پلی‌(4-متیل-1-پنتین) پرشده با ذرات MIL 53 و کاربرد آن در جداسازی مخلوط کربن دی‌اکسید و نیتروژن

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

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

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

چکیده

دراین پژوهش، عملکرد غشای ماتریس ترکیبی پلی‌(4- متیل-1-پنتین) حاوی ذرات  MIL 53 در جداسازی کربن دی‌اکسید از نیتروژن بررسی شده است. ذرات MIL 53 با مقادیر وزنی 10، 20 و %30 به ماتریس پلیمری اضافه شدند. همچنین، قابلیت جذب گازهای CO2 و N2 به‌وسیله ذرات MIL 53 بررسی و داده­‌های جذب به‌کمک معادله لانگمیر ارزیابی شدند. ساختار و خواص گرمایی و مکانیکی غشاهای حاصل با روش­‌های  FT-IR، SEM، TGA و آزمون کشش ارزیابی شد. همچنین، خواص گازتراوایی غشاهای حاصل به‌کمک گازهای خالص CO2 و N2 سنجیده شد. افزون بر این، برای درک دقیق‌تر خواص تراوایی غشاها ضرایب نفوذ و انحلال‌پذیری گازها در غشای پلیمری و غشاهای ماتریس ترکیبی محاسبه شد. نتایج TGA حاکی از بهبود دمای تخریب غشاهای ماتریس ترکیبی است، به‌طوری که دمای تخریب غشای حاوی %30  وزنی از ذرات MIL 53 به 348ºC افزایش یافت. نتایج SEM نیز پخش نسبتاً یکنواخت ذرات در ماتریس پلیمری غشاها را به همراه فصل مشترک مناسب پلیمر-ذره نشان دادند. نتایج گازتراوایی نشان داد، تراوایی هر دو گاز (به‌ویژه CO2) با افزایش درصد وزنی ذرات در غشا، افزایش یافت، به‌طوری که تراوایی CO2 از 98/74Barrer در غشای پلیمری به  217/65Barrer در غشای حاوی %30 وزنی از ذرات افزایش یافت. همچنین، محاسبه گزینش‌پذیری گازها حاکی از افزایش گزینش‌پذیری CO2/N2 از 16/66 به 22/70 بوده است. در نهایت، عملکرد غشاهای ماتریس ترکیبی با حد رابسون در جداسازی CO2/N2 مقایسه و نتایج بیانگر غلبه عملکرد غشای ماتریس ترکیبی حاوی %30 وزنی از ذرات MIL 53 بر حد رابسون بوده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

A Mixed Matrix Membrane of Poly (4-methyl-1-pentyne) Filled with MIL 53 Particles and Its Application in Carbon Dioxide and Nitrogen Separation

نویسندگان [English]

  • Reza Abedini 1
  • Mohammadreza Omidkhah 2
1 Faculty of Chemical Engineering, Babol Noshirvani 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 performance of poly (4-metyl-1-pentyne) as mixed matrix membrane (MMM) mixed with MIL 53 particles was studied to separate mixtures of carbon dioxide and nitrogen. MIL 53 particles was added to the polymer matrix with 10, 20 and 30 weight percentages. The adsorption of CO2 and N2 gases by MIL 53 was evaluated and the adsorption data was analyzed by Langmuir equation. Structure and thermal/mechanical properties of prepared membranes were characterized by means of FTIR, SEM, TGA and elongation test. Moreover, the gas permeation properties of membranes were studied by measuring the permeation of pure CO2 and N2. Furthermore, for accurate understanding of the gas permeation properties of the membranes, diffusion and solution coefficient of gases in neat membrane and MMMs were calculated using modified time-lag method. The results from TGA analysis showed that the degradation temperature of MMMs was enhanced and increased to 348ºC for membrane containing 30 wt% of MIL 53. The SEM images also illustrated a relatively uniform dispersion of particles with proper polymer/filler interfaces in the polymer matrix. The gas permeation results revealed that the permeability of both gases (especially CO2) increased with increasing MIL 53 loading, in which the permeability of CO2 increased from 98.74 Barrer in neat membrane to 217.65 Barrer in MMM containing 30 wt% filler. Moreover, calculation of CO2/N2 selectivity depicted that the selectivity enhanced from 16.66 to 22.70. Finally, the performance of MMMs was compared with Robeson’s upper bound in CO2/N2 separation and results showed that the MMM having 30 wt% of MIL 53 took over the Robeson bound.