ساخت و شناسایی غشای کامپوزیتی ماتریمید شبکه‌ای شده - پلی‌وینیلیدن فلوئورید برای جداسازی گاز هیدروژن از نیتروژن

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 ماهشهر، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد ماهشهر، دانشکده مهندسی شیمی، صندوق پستی 6351977439

2 تهران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، دانشکده مهندسی شیمی، آزمایشگاه تحقیقاتی فرایندهای غشایی، صندوق پستی 4413-15875

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

چکیده

در پژهش حاضر، غشای دولایه کامپوزیتی به روش پوشش ­دهی، به ­وسیله ماتریمید 5218 به­ عنوان لایه گزینشی بر غشای نامتقارن متخلخل پلی­ وینیلیدن فلوئورید به­ عنوان زیرلایه ساخته شد. اثر شبکه ­ای­ کردن شیمیایی ماتریمید به­ کمک اتیلن دی­ آمین بر خواص انتقال گاز خالص در غشا بررسی شد. آزمون تراوایی گازهای هیدروژن و نیتروژن در غشاهای مدنظر در دمای °25 و فشار 2 تا 8bar انجام شد. میکروسکوپی الکترونی پویشی برای مشاهدات شکل­ شناسی غشا به­ کار گرفته شد. غشای ماتریمید پیش و پس از شبکه­ ای­ شدن به ­وسیله طیف­ سنجی زیرقرمز تبدیل فوریه، پراش پرتو X و اندازه­ گیری چگالی بررسی شد. نتایج طیف‌سنجی زیرقرمز نشان داد، در اثر شبکه ­ای­ شدن، گروه ­های ایمیدی زنجیرهای ماتریمید به گروه­ های آمیدی تبدیل می ­شوند. نتایج پراش پرتو X نشان داد، پس از شبکه‌ای­ شدن فاصله بین زنجیرهای پلیمر کاهش می ­یابد. به­ کمک اندازه­ گیری چگالی و محاسبه حجم آزاد جزئی لایه گزینشی غشاها نشان داده شد، در اثر واکنش شبکه­ ای­ شدن، چگالی افزایش و حجم آزاد جزئی کاهش می­ یابد. همچنین، با افزایش غلظت عامل شبکه ­ای­ کننده پلیمر، تراوایی گازها در غشا به مقدار قابل توجهی کاهش می­ یابد که می­ تواند ناشی از کاهش ضریب نفوذ گازها در اثر تراکم زنجیرهای پلیمر بوده و نشان داده شد، این کاهش تراوایی، برای نیتروژن بیشتر از هیدروژن است. بر اثر اصلاح غشا به­ کمک شبکه ­ای­ کردن، گزینش ­پذیری H2/N2 در فشار bar 2 از 56/5 برای غشای ماتریمید خالص به 79/4 برای غشای کامپوزیتی شبکه ­ای شده با %12 وزنی اتیلن دی ­آمین، افزایش یافت. اثر فشار بر تراوایی غشاها بررسی شد و نتیجه آن با کاهش تراوایی گازهای دارای انحلال­ پذیری کم در اثر ازدیاد فشار گاز در پلیمرهای شیشه‌ای مطابقت داشت. همچنین با افزایش فشار، گزینش ­پذیری H2/N2 برای غشاهای دارای مقادیر کم اتیلن دی ­آمین (%4-0) روند کاهشی دارد و سپس در مقدار %8 ثابت می شود. در نهایت، با افزایش اتیلن دی­ آمین به %12 وزنی گزینش­ پذیری تقریباً روند افزایشی دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Preparation and Characterization of a Cross-linked Matrimid/Polyvinylidene Fluoride Composite Membrane for H2/N2 Separation

نویسندگان [English]

  • Mahmood Esmaeilipur 1
  • Ali Kargari 2
  • Hamidreza Sanaeepur 3
1 Faculty of Chemical Engineering, Mahshahr Branch, Islamic Azad University, P.O. Box: 6351977439, Mahshahr, Iran
2 Membrane Processes Research Laboratory, 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 double layer composite membrane was fabricated by matrimid 5218 as a selective layer on polyvinylidene fluoride (PVDF), a porous asymmetric membrane, as a sublayer. The effect of chemical cross-linking of Matrimid 5218 by ethylenediamine (EDA) was investigated on gas transport properties of the corresponding membrane. The permeability levels of hydrogen (H2) and nitrogen (N2) were measured through the fabricated composite membranes at 25°C under pressure range of 2-8 bar. Scanning electron microscopy (SEM) was used for morphological observations of the composite membranes. The Matrimid membranes before and after cross-linking modification were characterized by the Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, X-ray diffraction (XRD) and density measurement. The FTIR results showed the conversion of imide functional groups into amide through the crosslinking reaction in Matrimid. The XRD results demonstrated a reduction in d-spacing between the polymer chains through cross-linking reaction. Measuring the density of each membrane's partial selective layer and calculating the corresponding fractional free volume revealed an increase in the density and reduced free volumes in Matrimid through the cross-linking reaction. Moreover, by increasing the EDA concentration, the gas permeability in each membrane decreased significantly for nitrogen compared to hydrogen which could be related to lower gas diffusivity through chain packing due to cross-linking of the polymer. The H2/N2 selectivity at 2 bar increased through the cross-linking modification from 56.5 for the pure Matrimid to 79.4 for the composite membrane containing 12 wt% EDA. The effect of pressure on gas permeability through the composite membranes was investigated and the results found to be in agreement with the behavior of less soluble gases in the glassy polymers. Moreover, the H2/N2 selectivity decreased first at low EDA content (0-4 wt%), before reaching a constant value at 8 wt% EDA and finally increasing by 12 wt% EDA content.

کلیدواژه‌ها [English]

  • composite membrane
  • cross-linking
  • Matrimid
  • gas separation
  • hydrogen