ارتقای عملکرد غشای Pebax با استفاده از سلولوز کربوکسیل‌دارشده برای جداسازی کربن دی‌اکسید

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 بهبهان، دانشگاه صنعتی خاتم الانبیا بهبهان، دانشکده فنی مهندسی، گروه مهندسی شیمی

2 بهبهان، دانشگاه صنعتی خاتم الانبیا بهبهان، دانشکده منابع طبیعی

3 تبریز، دانشگاه تبریز، دانشکده مهندسی شیمی و نفت، گروه مهندسی شیمی

10.22063/jipst.2025.35616.2359

چکیده

فرضیه: رشد صنایع مختلف جداسازی CO2 را به یکی از چالش‌های اساسی دنیای امروز تبدیل کرده است. در میان روش‌های مختلف استفاده شده برای جداسازی CO2، جداسازی غشایی روشی جدید و مناسب است. در میان غشاهای استفاده شده در این راستا، غشاهای تهیه‌شده از پلی‌اتر قطعه آمید (Pebax) از جمله غشاهای پرکاربرد و صنعتی هستند. با وجود کاربرد گسترده، محدودیت مبادله (Trade-off)  یکی از چالش‌های اساسی غشاهای ساخته‌شده از این پلیمر است که در سال‌های اخیر پژوهش‌های مختلفی برای رفع این چالش شده است. در این مطالعه به‌منظور غلبه بر محدودیت مبادله مربوط به غشاهای Pebax، از سلولوز استفاده شد. در این راستا سلولوز ابتدا با گروه‌های کربوکسیلی اصلاح شده و سپس به ماتریس پلیمری اضافه شد.
روش‌ها: سلولوز به‌دلیل گروه‌های هیدروکسیل خود می‌تواند برهم‌کنش ماتریس غشایی با CO2 را تقویت کرده و از طرفی از طریق برقراری پیوندهای هیدورژنی باعث افزایش استحکام غشای تهیه‌شده شود. در این راستا ابتدا به‌منظور بهبود امتزاج‌پذیری سلولوز با Pebax، سلولوز تهیه شده کربوکسیل‌دارشده و سپس به محلول پلیمری افزوده شد.
یافته‌ها: با افزودن سلولوز کربوکسیل‌دارشده به Pebax، ماتریس غشایی به‌دلیل برقراری پیوندهای هیدروژنی بین سلولوز و زنجیرهای Pebax سفت‌تر شده و عملکرد جداسازی تا حد شایان توجهی بهبود یافت، به‌طوری که گزینش‌پذیری CO2/N2 برای غشاهای P3C1 و P2C1 نسبت به غشای خالص به‌ترتیب 92 و %120افزایش داشت. ارتقای عملکرد غشاها بر اثر افزودن سلولوز باعث شد تا این غشاها به‌راحتی از مرز Robeson عبور کرده و بر محدودیت مبادله غلبه کنند که نشانی بر نقش کلیدی این ماده پرکاربرد در بهبود عملکرد جداسازی Pebax بود. افزون بر بهبود عملکرد جداسازی، نتایج حاصل از اندازه‌گیری استحکام مکانیکی غشاها، حاکی از ارتقای 5 برابری مدول یانگ و افزایش 3.5 برابری استحکام کششی غشای P2C1 نسبت به غشای خالص بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Enhancing the efficacy of Pebax membrane through the incorporation of carboxylated cellulose for CO2 separation

نویسندگان [English]

  • Mahdi Elyasi Kojabad 1
  • Mohammadhadi Moradian 2
  • Omid Mohammadi 3
1 Faculty of Engineering, Behbahan Khatam Alanbia University of Technology, Behbahan, Iran
2 Faculty of Natural Resources, Behbahan Khatam Alanbia University of Technology, Behbahan, Iran
3 Faculty of Chemical & Petroleum Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: The expansion of numerous industries has rendered CO2 separation a critical challenge in contemporary society. Among the diverse techniques employed for CO2 separation, membrane separation has emerged as a promising and effective approach. Notably, membranes composed of polyether block amide (Pebax) are among the most prevalent and utilized in industrial applications. However, despite their extensive application, the trade-off limitation remains a significant obstacle associated with this polymer-based membrane technology, prompting extensive research efforts aimed at addressing this issue in recent years. In this research, cellulose was employed to address the trade-off limitation associated with Pebax membranes. Cellulose was first subjected to carboxylation before being incorporated into the polymer matrix.
Methods: The presence of hydroxyl groups in cellulose facilitates improved interaction between the membrane matrix and CO2, while simultaneously enhancing the mechanical strength of the resulting membrane through the formation of hydrogen bonds. To enhance the miscibility of cellulose with Pebax, the cellulose was first subjected to carboxylation before being incorporated into the polymer solution.
Findings: The incorporation of carboxylated cellulose into Pebax resulted in an increase in the stiffness of the membrane matrix, attributed to the formation of hydrogen bonds between the cellulose and Pebax chains. This modification led to a notable enhancement in separation performance, with CO2/N2 selectivity for the P3C1 and P2C1 membranes rising by 92% and 120%, respectively, in comparison to the pure membrane. The enhancement in membrane performance facilitated these membranes in surpassing the Robeson limit and addressing the trade-off limitation, underscoring the significant contribution of this commonly utilized material in augmenting the separation efficiency of Pebax. Furthermore, assessments of the mechanical strength of the membranes revealed a 5-fold increase in Young's modulus and a 3.5-fold enhancement in the tensile strength of the P2C1 membrane relative to the pure membrane.

کلیدواژه‌ها [English]

  • CO2 separation
  • Membrane
  • Polyether-block-amide
  • Carboxylated cellulose
  • Trade-off limitation