ساختار و بلورینگی ایروژل‌های کربنی نانوکامپوزیتی تقویت‌شده با گرافیت انبساط‌یافته بر کارایی جداسازی گازهای سوختی پارافینی

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

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

10.22063/jipst.2020.1694

چکیده

فرضیه: ایروژل‌ها مواد نانوساختار جدیدی هستند که در دهه‌های اخیر توجه زیادی را جلب کرده‌اند. از این میان، ایروژل‌های پلیمری به‌دلیل سبک وزنی و مقرون به‌صرفه بودن کاربردهای ویژه‌ای پیدا کرده‌اند. در این مطالعه، از ایروژل‌های کربنی برای جداسازی گازهای حاصل از سوخت‌های فسیلی استفاده شده است. چالش این پژوهش، تلاش برای افزایش بهره‌وری جداسازی گاز، متناسب با مساحت سطح و ساختار جداساز است.
روش‌ها: ایروژل کربنی نانوکامپوزیتی از پیش‌ماده پلیمری با مساحت سطح ویژه زیاد و شکل‌شناسی نانوساختار طی فرایند کربنی‌کردن در دماهای 600 و 1200 درجه سلسیوس ساخته شد. رزین نووالاک به‌دلیل قیمت کم و حل‌پذیری در الکل‌ها به‌عنوان ماتریس پلیمری در پلیمرشدن سل-ژل و گرافیت انبساط‌یافته به‌دلیل خواص منحصر به‌فرد و پراکنش نسبتاً خوب برای ترکیب با نووالاک به‌عنوان تقویت‌کننده انتخاب شد. در این مطالعه، ابتدا با بررسی توزیع کلوئیدهای ایروژل‌ کربنی با ترکیب درصدهای مختلف جامد نووالاک در سل اولیه، نمونه‌ای با توزیع کلوئیدهای ریز انتخاب شد. همچنین با بررسی اندازه حفره‌ها، ایروژل با ترکیب درصد انتخابی و البته به همراه چهار ترکیب درصد از گرافیت انبساط‌یافته (از دید مساحت سطح ویژه) ساخته شد. سپس، نمونه‌ها در دو دمای مختلف گرماکافت شدند. در ادامه، اثر نانوذرات گرافیت انبساط‌یافته و درجه بلورینگی ایروژل کربنی نانو‌کامپوزیتی بر کارایی جداسازی گازهای حاصل از سوخت‌های فسیلی بررسی شد. برای ارزیابی بلورینگی‌های مختلف ایروژل، ایروژل‌های کربنی در دو دمای 600 و 1200 درجه سلسیوس با درجه‌های بلورینگی مختلف تهیه شدند.
یافته‌ها: نتایج این مطالعه نشان داد، نمونه‌ایروژل کربنی با %0.75 وزنی گرافیت انبساط‌یافته و گرماکافت‌شده در دمای 1200درجه سلسیوس، %۴۰ کارایی جذب گاز کربن دی‌اکسید‌ بیشتری نسبت به نمونه خالص دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Structure and Crystallinity of Expanded Graphite-Reinforced Carbon Nanocomposite Aerogels and Their Influence on Paraffin Fuel Gases Filtration Efficiency

نویسندگان [English]

  • Mahmoud Qasemifard
  • Golnoosh Abdeali
  • Ahmad Reza Bahramian
Department of Polymer Engineering, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, P.O. Box 14115-114, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Aerogels are new nanostructured materials that have attracted much attention in recent decades. In the meantime, polymeric aerogels have found special applications due to their lightness and cost-effectiveness. In this study, the carbon aerogels were used to filter the gases from fossil fuels. The challenge of this research is to try to increase the efficiency of gas separation, which is proportional to the surface area and structure of the separator.
Methods: Carbon nanocomposite aerogel was made using pre-polymeric material with a high specific surface area and with nanostructure morphology during carbonization process at temperatures 600 and 1200°C. Novolac resin was selected for its low cost and solubility in alcohols as a polymer matrix in sol-gel polymerization. Expanded graphite due to its unique properties and relatively good distribution and for reaction with novolac was used as reinforcement. In this study, a sample with a distribution of fine colloids was selected by examining the distribution of carbon aerogel colloids by combining different percentages of novallac solid in primary sol. Again, by examining the size of the cavities, the production of the aerogel was made by combining the selected precursor composition with four percentages of expanded graphite. Then, the samples were pyrolized at two different temperatures. In the following, the effect of expanded graphite nanoparticles and degree of crystallinity of carbon nanocomposite aerogel on the filtration efficiency of gases from fossil fuels was investigated. To evaluate the effect of different crystallinity of aerogel, carbon aerogels were prepared at temperatures of 600 and 1200°C with different degree of crystallinity.
Findings: The results of this study showed that samples of carbon aerogel with 0.75% wt expanded graphite and pyrolized at 1200°C showed 40% higher carbon dioxide absorption efficiency than pure samples.

کلیدواژه‌ها [English]

  • carbon aerogel
  • expanded graphite
  • filtration
  • fuel gas
  • carbon dioxide adsorption

1.Kazemi A., Naseri I., and Bahramian A.R., Thermal Protection Performance of Carbon Aerogels Filled with Magnesium Chloride Hexahydrate as a Phase Change Material,   Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 26, 525-535, 2014.
2.Saliger R., Bock V., Petricevic R., Tillotson T., Geis S., and Fricke J., Carbon Aerogels from Dilute Catalysis of Resorcinol with Formaldehyde, J. Non-Crystal. Solid., 221, 144-150, 1997.
3.Aegerter M.A., Leventis N., and Koebel M., Aerogels Handbook (Advances in Sol-Gel Derived Materials and Technologies), Springer, New York, 818-828, 2011.
4.Cazorla-Amorós D., Alcaniz-Monge J., and Linares-Solano A., Characterization of Activated Carbon Fibers by CO2 Adsorption, Langmuir., 12, 2820-2824, 1996.
5.Franz M., Arafat H.A., and Pinto N.G., Effect of Chemical Surface Heterogeneity on the Adsorption Mechanism of Dissolved Aromatics on Activated carbon, Carbon., 38, 1807-1819, 2000.
6.Valer M., Mercedes M., Tang Z., and Zhang Y., CO2 Capture by Activated and Impregnated Anthracites, Fuel Proc. Technol., 86, 1487-1502, 2005.
7.Hongqun Y., Xu Z., Fan M., Gupta R., Slimane R.B., Bland A.E., and Wright I., Progress in Carbon Dioxide Separation and Capture: A Review, J. Environ. Sci., 20, 14-27, 2008.
8.Wickramaratne N.P. and Jaroniec M., Activated Carbon Spheres for CO2 Adsorption, ACS Appl. Mater. Interfaces., 5, 1849-1855, 2013.
9.Zulkurnai N.Z., Ali U.M., Ibrahim N., and Manan N.A., Carbon Dioxide ()CO2) Adsorption by Activated Carbon Functionalized with Deep Eutectic Solvent (DES)., IOP Conference Series: Mater. Sci. Eng., 206, 2017. DOI:10.1088/1757-899X/206/1/012001
10.Standard Test Method for Solidification Point of BPA, Annual Book of ASTM Standard, 06.04, D 2866-11, 2018.
11.Jeong S.M., Kang Y., Lim T., and Ju S., Chemically Reactive Polyurethane-Carbon Nanotube Fiber with Aerogel‐Microsphere‐Thin‐Film Selective Filter, Adv. Mater. Interfaces, 5, 2018. DOI.org/10.1002/admi.201800935
12.Lim Taekyung Y., Jeong S.M., and Ju S., Thermally Nonreactive and Chemically Reactive Metal-Oxide-Nanowire Transistor Covered with Aerogel-Microsphere-Thin-Film Based Selective Filter, Mater. Res. Express., 5, 2018.
13.DeGregoria A.J. and Kaminski T.J.,. Integrated Heat Recovery Ventilator HEPA Filter Using a HEPA Filter Material Regenerative Heat Exchanger, US Pat., 6,289,974, 2001.
14.Pferrer R. and Jose A.Q., Aerogel-Based Filtration of Gas Phase Systems, US Pat., 8,632,623, 2014.
15.Naseri I., Kazemi A., Bahramian A.R., and Razzaghi-Kashani M., Polymerization of Phenol Formaldehyde in Solvent-Saturated Vapor and Study on the Microstructure and Mechanical Properties of Novolac Aerogel Product, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 26, 427-435, 2014.
16.Naseri I., Kazemi A., Bahramian A.R., and Razzaghi-Kashani M., Preparation of Organic and Carbon Xerogels Using High Temperature-Pressure Sol-Gel Polymerization, Mater. Design, 61, 35-40, 2014.
17.Kuboshima T., Okugawa S., Kinugawa M., and Sekiguchi M., Exhaust Gas Cleaning System Having Particulate Filter, US Pat., 6,758,039, 2004.