تهیه غشای ماتریس ترکیبی اتیلن وینیل استات-زئولیت 4A برای جداسازی گاز CO2/N2

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 ماهشهر، پردیس ماهشهر، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، دانشکده مهندسی پتروشیمی، آزمایشگاه تحقیقاتی فرایندهای غشایی، صندوق پستی 415

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

3 اراک، دانشگاه اراک، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی شیمی، کدپستی 8349-8-38156

چکیده

سهم قابل توجهی از پژوهش‌های انجام شده در زمینه جداسازی گاز کربن دی‌اکسید (CO2)، به‌­عنوان مهم­‌ترین چالش در کنترل گازهای گلخانه‌ای، به توسعه غشاهای پلیمری جدید اختصاص یافته است. در این باره، غشاهای ماتریس ترکیبی (MMMs)، یعنی ترکیبی از ذرات جامد پراکنده شده در شبکه پیوسته پلیمر، به­‌عنوان راهکار مؤثری برای بهبود کارایی غشاهای پلیمری جداسازی گاز مطرح شده است. در این پژوهش، غشاهای ماتریس ترکیبی از کوپلیمر اتیلن وینیل استات (EVA) و زئولیت 4A به روش ریخته‌­گری محلولی-تبخیر حلال ساخته شد و عملکرد آن‌ها در جداسازی CO2 از نیتروژن (N2)، در فشارهای 8-3 بار و دماهای عملیاتی مختلف 50-25  درجه بررسی شد. شکل‌شناسی و ساختار این غشاها با آزمون­‌های میکروسکوپی الکترونی پویشی (SEM)، طیف­‌سنجی زیرقرمز تبدیل فوریه (FTIR)، گرماسنجی پویشی تفاضلی (DSC)، گرماوزن­‌سنجی (TGA)، اندازه­‌گیری چگالی و تورم حلالی بررسی شد. نتایج تراوایی گاز با استفاده از روش آزمون حجم ثابت نشان ­داد، تراوایی هر دو گاز در غشا با وجود ذرات زئولیت در شبکه پلیمر، به­‌طور شایان توجهی افزایش می­‌یابد. محاسبه ضرایب نفوذ گازها در شبکه غشا نشان داد، افزایش ضریب نفوذ با افزایش محتوای زئولیت، سهم عمده را در افزایش تراوایی گازها داشته است. همچنین، گزینش­‌پذیری CO­/N­2 با افزودن ذرات زئولیت در غشا به دلیل بهبود گزینش­‌پذیری نفوذی ایده­‌آل (DCO2/DN2) افزایش یافته است. در حالت بهینه، تراوایی CO2 از Barrer 81/20 برای غشای خالص به 24/35Barrer برای غشای دارای 10 درصد وزنی زئولیت افزایش یافت و گزینش­‌پذیری ایده‌­آل CO2/N2 مرتبط با آن نیز 20% زیاد شد. افزون بر این، عملکرد غشاها با افزایش فشار بهبود پیدا کرد. همچنین، افزایش دما موجب افت گزینش‌­پذیری آن‌ها شد.

عنوان مقاله [English]

Preparation of Ethylene Vinyl Acetate/Zeolite 4A Mixed Matrix Membrane for CO2/N2 Separation

نویسندگان [English]

  • Iman Khalilinejad 1
  • Ali Kargari 2
  • Hamidreza Sanaeepur 3
1 Membrane Processes Research Laboratory, Department of Petrochemical Engineering, Amirkabir University of Technology, Mahshahr Campus, P.O. Box: 415, Mahshahr, Iran
2 Department of Chemical Engineering, Amirkabir University of Technology, P.O. Box: 15875-4413, Tehran, Iran
3 Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, Arak University, Postal Code: 38156-8-8349, Arak, Iran
چکیده [English]

A great contribution in research activities on carbon dioxide (CO2) separation, as the most important challenge in greenhouse gases control, has been made to develop new polymeric membranes. In this case, mixed matrix membranes (MMMs), comprised of rigid particles dispersed in a continuous polymeric matrix, was proposed as an effective method to improve the separation properties of polymeric membranes. In this research, ethylene vinyl acetate (EVA) copolymer and zeolite 4A powders were applied to prepare MMMs using solution casting/solvent evaporation method and CO2/N2 separation performance of the membranes was examined under different feed pressures (3-8 bar) and operating temperatures (25-50°C). Morphological and structural characterizations of the membranes were evaluated using scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TGA), density and solvent-induced swelling measurements. The gas permeability measurements through the constant-volume method showed the permeability of two gases increased in the presence of zeolite 4A nanoparticles in the polymer matrix. Calculation of diffusivity coefficients of gases revealed that improvement in the diffusivity of all gases into membrane matrix was the main reason for permeability enhancement. In addition, the increase in the CO2/N2 ideal selectivity with the presence of zeolite 4A nanoparticles in the polymer matrix was attributed to the increment in CO2/N2 diffusion selectivity. Under optimum condition, with the addition of 10 wt% zeolite 4A nanoparticles into the membrane matrix, the CO2 permeability increased from 20.81 to 35.24 Barrer and its related selectivity increased 20% compared to that of neat EVA membrane. Furthermore, the membrane performances increased upon feed pressure rise, while the selectivity decreased with the increase in temperature.

کلیدواژه‌ها [English]

  • mixed matrix membrane (MMM)
  • ethylene vinyl acetate
  • zeolite 4A
  • gas separation
  • carbon dioxide