سنتز و شناسایی غشای نانوکامپوزیت پلی(اتر-b-آمید) برپایه چارچوب‌های ایمیدازولات زئولیتی عامل‌دارشده برای جداسازی گازهای کربن دی‌اکسید و متان

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

اهواز، دانشگاه صنعت نفت، دانشکده نفت، گروه مهندسی گاز، صندوق پستی 61991-71183

چکیده

در این مطالعه، غشاهای دولایه ماتریس ترکیبی بر پایه پلی(اتر-b-آمید) با نام تجاری Pebax همراه با نانوذرات ZIF-8 و(zeolitic imidazole framework-8) با ساختار آلی فلزی به‌عنوان ذرات پراکنش یافته درون شبکه پلیمری برای جداسازی دو گاز کربن دی‌اکسید و متان ساخته شد. ذرات به ‌منظور بهبود سازگاری در شبکه پلیمر به‌وسیله عامل اتصال‌دهنده 3-(آمینوپروپیل)تری‌اتوکسی‌سیلان (APTES) اصلاح شده و با فنون میکروسکوپی الکترونی پویشی (SEM)، طیف‌سنجی زیرقرمز تبدیل فوریه (FTIR)، پراش پرتو X (XRD) وآزمون BET (Brunauer-Emmett-Teller) شناسایی و بررسی شدند. زیرلایه نگه‌دارنده پلی‌اتر سولفون (PES) با روش ریخته‌گری محلول و جدایی فاز مرطوب ساخته شد. سپس روی آن، لایه گزینشی Pebax/ZIF-8 با روش جدایی فاز خشک ایجاد شد. برای مقایسه و بررسی اثر ذرات بر بهبود عملکرد جداسازی گازها، غشاهای ماتریس ترکیبی با درصد وزنی متفاوت از ذرات پراکنش‌یافته ساخته شدند و تحت آزمایش تراوایی گازهای کربن دی‌اکسید و متان قرار گرفتند. وجود ذرات باعث افزایش تحرک زنجیرها و مقدار تراوایی گازها شد. به‌ طوری‌که در مقدار بارگذاری %40 وزنی از ذرات، مقدار تراوایی گاز کربن دی‌اکسید به barrer 169 افزایش ‌یافت. با سیلان‌دارکردن ذرات، خاصیت آب‌دوستی در غشای ماتریس ترکیبی ذره با Pebax بیشتر شد. تراکم زنجیرهای پلیمر با وجود ذرات ZIF-8 اصلاح‌شده در ماتریس پلیمری، بدون تغییر چندانی در کاهش مقدار گزینش‌پذیری گاز کربن دی‌اکسید، به علت تشدید پیوند میان ذرات و پلیمر، افزایش یافت و با ایجاد پیوند با سطح ذره به سازگاری بهتر ذره در شبکه پلیمر منجر شد. با افزایش مقدار بارگذاری ذرات اصلاح‌نشده، گزینش‌پذیری غشا به‌شدت کاهش یافت. درحالی‌که در غشای ماتریس ترکیبی با ذرات اصلاح‌شده، مقدار کاهش گزینش‌پذیری با سرعت کمتری انجام شد. همچنین، در آزمون مخلوط گازها، تراوایی هر دو گاز نسبت به حالت خالص افزایش یافت، به طوری که در ترکیب هم‌مولار گزینش‌پذیری به مقدار %34 کاهش یافت.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Functionalized Zeolitic-Imidazole Frameworks-8 Based Poly(ether-b-amide) Nanocomposite Membrane for Carbon Dioxide/Methane Gas Separation: Synthesis and Characterization

نویسندگان [English]

  • Hamidreza Amedi
  • Masoud Aghajani
Department of Gas Engineering, Faculty of Petroleum, Petroleum University of Technology (PUT), Ahvaz, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: The separation of carbon dioxide from methane is an important process in chemical industry and gas refineries from both economic and environmental perspectives. The conventional method for natural gas sweetening involves physical absorption by amines, but it has high operational cost. In this study, dual-layer mixed-matrix membranes based on poly(ether-b-amide), with trade name Pebax, containing zeolitic imidazolate frameworks-8 (ZIF-8) nanoparticles were synthesized and dispersed within the polymer matrix for separation of carbon dioxide/methane gas mixtures
Methods: To improve the distribution and compatibility of the nanoparticles in the polymeric matrix, the particles were modified by (3-aminopropyl) triethoxysilane (APTES). The modified nanoparticles were characterized and examined using XRD, FTIR, and BET. The supporting polyether sulphone (PES) sublayer was synthesized by solution casting and wet phase separation methods. The optimum thickness of this layer in the casting solution stage was found to be 200 μm. The selective Pebax/ZIF-8 layer was subsequently formed by dry phase separation method. To compare and evaluate the effect of nanoparticles on gas separation performance, some mixed matrix membranes were synthesized with different nanoparticles loadings. The permeability test was performed toward carbon dioxide and methane gases.
Findings: The mobility of polymer chain increased with the presence of ZIF-8 particle. With increasing ZIF-8 loading in the mixed matrix up to 40 wt%, the selectivity and gas permeability changed to 10.6 and 169 Barrer, respectively. APTES-modified particles showed the best performance. The bond between silane agent and the particle surface led to higher compatibility of particles in the polymeric matrix. The presence of APTES-modified particles also increased the selectivity and permeability at the same time. At 40% wt loading, the permeability and selectivity of carbon dioxide significantly increased to 925 Barrer and 16, respectively. Also, the selectivity reduction was about 34% in a 1:1 molar mixture of carbon dioxide and methane.

کلیدواژه‌ها [English]

  • mixed matrix membrane
  • Nanocomposite
  • gas separation
  • metal-organic structure
  • amino silane
  1. Pandey P. and Chauhan R., Membranes for Gas Separation, Prog. Polym. Sci., 26, 853-893,2001.
  2. Koros W. and  Fleming G., Membrane-based Gas Separation, J. Mem. Sci., 83, 1-80,1993.
  3. Esmaeilipur M., Kargari A., and Sanaeepur H., Preparation and Characterization of a Cross-linked Matrimid/Polyvinylidene Fluoride Composite Membrane for H2/N2 Separation, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 29, 505-517,2017.
  4. Khalilinejad I., Kargari A., and Sanaeepur H., Preparation of Ethylene Vinyl Acetate/Zeolite 4A Mixed Matrix Membrane for CO2/N2 Separation, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 29, 231-247,2016.
  5. Baker R.W. and Low B.T., Gas Separation Membrane Materials: A Perspective, Macromolecules, 47, 6999-7013,2014.
  6. Baker R.W., Membrane Technology, Wiley Online Library, ????, 2000.
  7. Amedi H.R. and Aghajani M., Gas Separation in Mixed Matrix Membranes Based on Polyurethane Containing SiO2, ZSM-5, and ZIF-8 Nanoparticles, J. Nat. Gas Sci. Eng., 35, 695-702,2016.
  8. Abedini R., Omidkhah M., and Dorosti F., 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, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 28, 147-131,2015.
  9. Abedini R. and Omidkhah M., A Mixed Matrix Membrane of Poly(4-methyl-1-pentyne) Filled with MIL 53 Particles and Its Application in Carbon Dioxide and Nitrogen Separation, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 29, 127-138,2016.
  10. Qiu S., Xue M., and Zhu G., Metal–organic Framework Membranes: From Synthesis to Separation Application, Chem. Soc. Rev., 43, 6116-6140,2014.
  11. Adams R., Carson C., Ward J., Tannenbaum R., and Koros W., Metal organic Framework Mixed Matrix Membranes for Gas Separations, Micropor. Mesopor. Mater., 131, 13-20,2010.
  12. Beltran A.B., Nisola G.M., Cho E., Lee E.E.D., and Chung W.-J., Organosilane Modified Silica/Polydimethylsiloxane Mixed Matrix Membranes for Enhanced Propylene/Nitrogen Separation, Appl. Surf. Sci., 258, 337-345,2011.
  13. Nafisi V. and Hägg M.-B., Development of Dual Layer of ZIF-8/PEBAX-2533 Mixed Matrix Membrane for CO2 Capture, J. Membr. Sci., 459, 244-255,2014.
  14. Junaidi M., Leo C., Ahmad A., Kamal S., and Chew T., Carbon Dioxide Separation Using Asymmetric Polysulfone Mixed Matrix Membranes Incorporated with SAPO-34 Zeolite, Fuel Proc. Technol., 118, 125-132,2014.
  15. Kong L., Zhang G., Liu H., and Zhang X., APTES-assisted Synthesis of ZIF-8 Films on the Inner Surface of Capillary Quartz Tubes via Flow System, Mater. Lett., 141, 344-346,2015.
  16. Huang A., Liu Q., Wang N., and Caro J., Organosilica Functionalized Zeolitic Imidazolate Framework ZIF-90 Membrane for CO2/CH4 SEParation, Micropor. Mesopor. Mater., 192, 18-22,2014.
  17. Huang A., Wang N., Kong C., and Caro J., Organosilica-Functionalized Zeolitic Imidazolate Framework ZIF-90 Membrane with High Gas-Separation Performance, Angew. Chem. Int. Ed., 51, 10551-10555,2012.
  18. Jomekian A., Behbahani R., Mohammadi T., and Kargari A., Innovative Layer by Layer and Continuous Growth Methods for Synthesis of ZIF-8 Membrane on Porous Polymeric Support Using Poly(ether-block-amide) as Structure Directing Agent for Gas Separation, Micropor. Mesopor. Mater., 234, 43-54,2016.
  19. Zhang H. and Wang Y., Poly(vinyl alcohol)/ZIF-8-NH2 Mixed Matrix Membranes for Ethanol Dehydration via Pervaporation, AlChE J., 62, 1728-1739, 2016.
  20. Pavia D., Lampman G., Kriz G., and Vyvyan J., Introduction to Spectroscopy, Cengage Learning, 2008.
  21. Amedi H.R. and Aghajani M., Aminosilane-functionalized ZIF-8/PEBA Mixed Matrix Membrane for Gas Separation Application, Micropor. Mesopor. Mater., 247, 124-135,2017.
  22. Amedi H.R. and Aghajani M., Modified Zeolitic–Midazolate Framework 8/Poly(ether-block-amide) Mixed-Matrix Membrane for Propylene and Propane Separation, J. Appl. Polym. Sci., 135, 46273-n/a,2018.
  23. Amedi H.R. and Aghajani M., Polyurethane Mixed Matrix Membranes for Propylene and Propane Separation, Chem. Papers, 1, 1-9,2018.
  24. Zhang C., Dai Y., Johnson J.R., Karvan O., and Koros W.J., High Performance ZIF-8/6FDA-DAM Mixed Matrix Membrane for Propylene/Propane Separations, J. Membr. Sci., 389, 34-42,2012.