پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر
فصلنامه علمی - پژوهشی

بررسی عملکرد غشای آمیخته پبکس/ پلی(وینیل الکل) در جداسازی دی اکسیدکربن از نیتروژن

نویسندگان

مینا خیرطلب 1
رضا عابدینی 2
محسن قربانی 3

1 دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

2 استادیار- دانشکده مهندسی شیمی- دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

3 دانشیار، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

چکیده
تراوایی و انتخاب­پذیری دو عامل مهم در استفاده از غشاهای پلیمری در فرآیندهای جداسازی گاز هستند. لذا امروزه اصلاح و بهبود غشاها جهت افزایش این دو پارامتر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش به منظور بهبود عملکرد غشاهای پلیمری، به سنتز غشاهای مرکب دو جزیی متشکل از Pebax®1657 و PVA در جداسازی گاز CO2 پرداخته شد و اثرات ناشی از درصدهای وزنی متفاوت PVA در شبکه پلیمر Pebax بر ساختار، مورفولوژِی و خواص گاز تراوایی غشاهای حاصله مورد ارزیابی قرار گرفت. تغییر در پیوندهای شیمیایی، میزان بلورینگی و مورفولوژی سطح مقطع غشاها به ترتیب به وسیله طیف سنجی مادون قرمز(FTIR)، میکروسکوپ الکترونی پویشی گسیل میدانی(FESEM) و آزمون گرماسنجی روبشی تفاضلی(DSC) بررسی شد. نتایج آزمون حرارتی حاکی از افزایش بلورینگی و دمای انتقال شیشه­ای در ازای افزودن 5 الی 15 درصد وزنی PVA بوده است. اما با افزایش محتوی PVA به 20درصد وزنی، بلورینگی کاهش یافت. تصاویر میکروسکوپی برای غشا Pebax خالص یک سطح مقطع یکنواخت و عاری از هرگونه عیب و نقص را نشان داده است اما با افزودن PVA، شیارها و ساختارهای غارگونه­ای در سطح مقطع غشاهای مرکب مشاهده شد. عملکرد غشاها در جداسازی CO2/N2 غشاها با استفاده از سامانه حجم ثابت در دمای°C 30 و فشار خوراک 2، 6 وbar10 اندازه­گیری شد. نتایج به دست آمده نشان داد که تراوایی CO2 در غشاهای مرکب با افزایش محتوی PVA در غشا Pebax بهبود یافت. به طوری که بهترین تراواییCO2 برابر با Barrer 204.64 بوده است که در فشار bar 10 و توسط غشای Pebax/PVA (20 wt.%) حاصل شد. علاوه بر این غشای مرکب حاوی 15 درصد وزنی PVA بیشترین گزینش پذیری CO2/N2 را با مقدار 100.21 و در فشار bar 10 و دمای °C30 نشان داد.

کلیدواژه‌ها

غشا مرکب
Pebax®1657
PVA
تراوایی
گزینش پذیری
جداسازی CO2/N2

موضوعات

عنوان مقاله English

Investigation of performance of Pebax/ Poly(vinyl alcohol) blend membrane for carbon dioxide separation from nitrogen

نویسندگان English

Mina Kheirtalab 1
Reza Abedini 2
Mohsen Ghorbani 3
1 Faculty of Chemical Engineering, Babol Noshirvani University of Technology
2 Assistant Professor, Faculty of Chemical Engineering, Babol Noshirvani University of Technology
3 Associate Professor, Faculty of Chemical Engineering, Babol Noshirvani University of Technology
چکیده English

Research subject: Selectivity and permeability are the major parameters of polymeric membranes in gas separation process. Hence, nowadays in order to improve aforementioned parameters, modification and enhancement issues for such membrane have been highly noticed.

Research approach: In this study, in order to improve the performance of polymeric membranes, the two-component blend membranes containing Pebax®1657 and PVA were synthesized for CO2 separation. The effect of different PVA concentrations within the Pebax matrix on structure, morphology and gas separation properties of resultant membranes was investigated. The chemical bonds, crystallinity and cross-sectional morphology studied through, Fourier transform infrared (FTIR), differential scanning calorimetry (DSC) and scanning electron microscopy (SEM), and were utilized.

Main results: The results of the thermal analysis indicated an increase in crystallinity and also glass transition temperature in presence of 5 – 15 wt.% PVA, while the membrane crystallinity decreased by increasing the PVA content up to 20 wt.%. FESEM images demonstrated a uniform cross-section without any cracks and defects for neat Pebax membrane but by adding PVA to Pebax matrix, appeared cracks and cave structures on the cross- section of blend membranes. The CO2/CH4 separation performance of membranes was measured using a constant volume set up at 30°C and feed pressure of 2, 6 and 10 bar. The obtained results revealed that the CO2 permeability in blend membranes improved as the PVA content increased within the membrane. The best obtained CO2 permeability was 204.64 Barrer which gained by Pebax/PVA (20wt.%) at feed pressure of 10 bar. Moreover, the highest selectivity of CO2/N2 for blend membrane with 15 wt.% of PVA was about 100.21 at 10 bar and 30°C.

کلیدواژه‌ها English

Blend membrane
Pebax®1657
PVA
permeability
Selectivity
CO2/N2 separation
1- Wang Q, Chen X, Jha AN, Rogers H. Natural Gas from Shale Formation–the Evolution, Evidences and Challenges of Shale Gas Revolution in United States. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014, 1; 30: 1-28.
2- Nematollahi MH, Babaei S, Abedini R. CO2 Separation over Light Gases for Nano-composite Membrane Comprising Modified Polyurethane with SiO2 Nanoparticles. Korean Journal of Chemical Engineering 36 (5): 763-779.
3- Jomekian A, Behbahani RM, Mohammadi T, Kargari A. CO2/CH4 Separation by High Performance Co-casted ZIF-8/Pebax 1657/PES Mixed Matrix Membrane. Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2016, 1; 31: 562-74.
4- Shahrezaei K, Abedini R, Lashkarbolooki M, Rahimpour A. A Preferential CO2 Separation using Binary Phases Membrane Consisting of Pebax®1657 and [Omim][PF6] Ionic Liquid. Korean Journal of Chemical Engineering 36 (12), 2085-2094.
5- Freeman B, Pinnau I. Separation of Gases Using Solubility-Selective Polymers. Trends in Polymer Science. 1997; 5 (5):167-73.
6- Robeson LM, Liu Q, Freeman BD, Paul DR. Comparison of Transport Properties of Rubbery and Glassy Polymers and the Relevance to the Upper Bound Relationship. Journal of membrane science. 2015, 15; 476: 421-31.
7- Mannan HA, Mukhtar H, Murugesan T, Nasir R, Mohshim DF, Mushtaq A. Recent Applications of Polymer Blends in Gas Separation Membranes. Chemical Engineering & Technology. 2013, 36 (11):1838-46.
8- Shirvani H, Sadeghi M, Afarani HT, Bagheri R. Polyurethane/Poly (vinyl alcohol) Blend Membranes for Gas Separation. Fibers and Polymers. 2018, 19 (5):1119-27.
9- Ismail AF, Rahim RA, Rahman WA. Characterization of Polyethersulfone/Matrimid® 5218 Miscible Blend Mixed Matrix Membranes for O2/N2 Gas Separation. Separation and Purification Technology. 2008, 63 (1):200-6.
10- Robeson LM. Polymer Blends in Membrane Transport Processes. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2010, 49 (23):11859-65.
11- Mustaq A, Mukhtar H, Shariff AM. Performance of Enhanced Polymeric Blend Membranes for the separation of CO2/CH4 mixtures. Afinidad. 2019; 70-75.
12- Deng L, Kim TJ, Hägg MB. Facilitated transport of CO2 in Novel PVAm/PVA Blend Membrane. Journal of Membrane Science. 2009, 340 (1-2):154-63.
13- Abedini R, Mosayebi A, Mokhtari M, Improved CO2 separation of azide cross-linked PMP mixed matrix membrane embedded by nano-CuBTC metal organic framework. Process Safety and Environmental Protection.2018, 114, 229-239
14- Asghari M, Mahmudi A, Zargar V, Khanbabaei G. Effect of Polyethyleneglycol on CH4 Permeation through Poly (amide-b-ethylene oxide)-Based Nanocomposite Membranes. Applied Surface Science. 2014, 318: 218-22.
15- Zhao L, Riensche E, Menzer R, Blum L, Stolten D. A Parametric Study of CO2/N2 Gas Separation Membrane Processes for Post-Combustion Capture. Journal of Membrane Science. 2008, 325(1):284-94
16- Sanaeepur H, Ahmadi R, Sinaei M, Kargari A. Pebax-Modified Cellulose Acetate Membrane for CO2/N2 Separation. Journal of Membrane Science and Research. 2019 Jan 1; 5(1):25-32.
17- Li M, Zhang X, Zeng S, Gao H, Deng J, Yang Q, Zhang S. Pebax-Based Composite Membranes With High Gas Transport Properties Enhanced by Ionic Liquids for CO2 Separation. RSC Advances. 2017; 7(11):6422-31.
18- Ghasemi Estahbanati E, Omidkhah M, Ebadi Amooghin A. Interfacial Design of Ternary Mixed Matrix Membranes Containing Pebax 1657/Silver-Nanopowder/[BMIM][BF4] for Improved CO2 Separation Performance. ACS Applied Materials & Interfaces. 2017, 9(11):10094-105.
19- Hosseinzadeh Beiragh H, Omidkhah M, Abedini R, Khosravi T, Pakseresht S. Synthesis and Characterization of Poly (ether‐block‐amide) Mixed Matrix Membranes Incorporated by Nanoporous ZSM‐5 Particles for CO2/CH4 Separation. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering. 2016, 11(4):522-32.
20- Jamshidi M, Pirouzfar V, Abedini R, Pedram MZ. The Influence of Nanoparticles on Gas Transport Properties of Mixed Matrix Membranes: An Experimental Investigation and Modeling. Korean Journal of Chemical Engineering. 2017, 34 (3):829-43.
21- Sanaeepur H, Ahmadi R, Amooghin AE, Ghanbari D. A Novel Ternary Mixed Matrix Membrane Containing Glycerol-Modified Poly (ether-block-amide)(Pebax 1657)/Copper Nanoparticles for CO2 Separation. Journal of Membrane Science. 2019, 573: 234-46.
22- Shamsabadi AA, Seidi F, Salehi E, Nozari M, Rahimpour A, Soroush M. Efficient CO2-Removal Using Novel Mixed-Matrix Membranes With Modified TiO2 Nanoparticles. Journal of Materials Chemistry A. 2017; 5(8):4011-25.
23- Rahman MM, Filiz V, Shishatskiy S, Abetz C, Neumann S, Bolmer S, Khan MM, Abetz V. PEBAX® with PEG Functionalized POSS as Nanocomposite Membranes for CO2 Separation. Journal of Membrane Science. 2013, 437: 286-97.
24- Rabiee H, Soltanieh M, Mousavi SA, Ghadimi A. Improvement in CO2/H2 Separation by Fabrication of Poly (ether-b-amide6)/Glycerol Triacetate Gel Membranes. Journal of Membrane Science. 2014, 469: 43-58.
25- Meshkat S, Kaliaguine S, Rodrigue D. Mixed Matrix Membranes Based on Amine and Non-amine MIL-53 (Al) in Pebax® MH-1657 for CO2 Separation. Separation and Purification Technology. 2018, 200:177-90.
26- Shieh JJ, Chung TS. Gas Permeability, Diffusivity, and Solubility of Poly (4‐vinylpyridine) Film. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 1999, 37(20):2851-61.
27- Poling BE, Prausnitz JM, O'Connell JP, The Properties of Gases and Liquids (5th Ed.), McGraw-Hill, 2000.
28- Dorosti F, Omidkhah M, Abedini R. Fabrication and Characterization of Matrimid/MIL-53 Mixed Matrix Membrane for CO2/CH4 Separation. Chemical Engineering Research and Design. 2014, 92 (11):2439-48.
29- Dorosti F, Alizadehdakhel A. Fabrication and Investigation of PEBAX/Fe-BTC, A High Permeable and CO2 Selective Mixed Matrix mMembrane. Chemical Engineering Research and Design. 2018, 136: 119-28.
30- Sridhar S, Suryamurali R, Smitha B, Aminabhavi TM. Development of Crosslinked Poly (ether-block-amide) Membrane for CO2/CH4 Separation. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2007, 297(1-3):267-74.
31- Car A, Stropnik C, Yave W, Peinemann KV. PEG Modified Poly (amide-b-ethylene oxide) Membranes for CO2 Separation. Journal of Membrane Science. 2008, 307(1):88-95.
32- Reijerkerk SR, Knoef MH, Nijmeijer K, Wessling M. Poly (ethylene glycol) and Poly (dimethyl siloxane): Combining Their Advantages into Efficient CO2 Gas Separation Membranes. Journal of Membrane Science. 2010, 352(1-2):126-35.
33- Yong WF, Li FY, Xiao YC, Li P, Pramoda KP, Tong YW, Chung TS. Molecular Engineering of PIM-1/Matrimid Blend Membranes for Gas Separation. Journal of Membrane Science. 2012, 407:47-57.

صفحه اصلی

راهنمای نویسندگان

ارسال مقاله

داوران

تماس با ما