SUPERVISOR
Mortaza Sadeghi,Ahmad Asadinejad
مرتضی صادقی (استاد راهنما) احمد اسدی نژاد (استاد راهنما)
STUDENT
Atefeh Shabani
عاطفه شبانی خوراسگانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
TITLE
Surface Modification of Polyurethane Membranes in order to Improve CO2/N2 and CO2/H2 Seperation Using CO2 Adsorbent Agents
Polyurethane (PU) membranes with high permeability and selectivity properties, good film formation ability in addition to significant mechanical properties are promising materials for gas separation industry. Relatively low carbon dioxide concentration of incoming feed, as result of low flue gas pressure, is one of the limitations in application of polymers membranes as CO 2 gas separation membranes. Hence achievement of higher selective membrane is necessary. In present research, in order to increase the tendency of PU surface membranes to adsorb CO 2 in comparison to H 2 and N 2 gases, surface modification of polyurethane membrane by CO 2 adsorbent agents was studied. The chemical modification was carried out in two steps, the first step was diisocyanate modification and the second step, modification with amines. The second step conditions were optimized by ATR and contact angle tests. For this purpose, three amines with different number of amine groups and chain length, in addition to water were applied. The effect of toluene as solvent was also determined separately. ATR, contact angle and grafting yield results indicated high efficiency surface modification. For example, contact angle of Triethylenetetramine modified sample decreased about 70 degrees. In amine modified samples, grafted molecule volume, amount of polymer swelling in the presence of each amine, grafting efficiency, relative concentration of amine groups, level of phase separation and crystallinity of each sample, effected on the permeability and selectivity of different gases. Additionally, the type and amount of interaction between each gas and modified surface was also affecting on the gas separation properties of the modified membrane. In comparison to other gases, CO 2 has significant condensability and polarizability, therefore the CO 2 solubility coefficient of amine modified samples increased with increasing the concentration of amine groups in different samples; As far as, solubility of CO 2 in PU-TETA sample increased 1.82 times. On the other hand, the diffusivity coefficient of different gases was reduced due to presence of new molecules on the surface and steric hindrance created by the crystallinity of modified surface layer. The membrane swelling in the surface modification process also affected the penetration coefficient of amine-modified specmens. Diethylenetriamine modified sample swelled more, due to the closeness of its solubility parameter with the polyurethane membrane. Therefore, its diffusion coefficient was higher than the other two modified samples and had higher permeabilities for different gases. Generally, ideal selectivity of all modified samples increased from 15 to 75 percent with the exception of water modified one. Due to presence of water molecule between the polymer chains and formation of hydronium carbamate strong bonding, the disorption process of CO 2 from water modified surface became harder and the ideal selectivity of water modified sample decreased. CO 2 /H 2 mixed selectivity of PU-W sample 1.3 times increased. One of the factors affecting the selectivity of mixed gas was accelerating of desorption phenomena of CO 2 by H 2 and N 2 gases. This effect was more explicit for water modified sample, due to difficulty of CO 2 disorption process from hydronium carbamate group. Plasticization of the surface layer, because of competitive adsorption of CO 2 , was another effective factor. The plasticization of the surface layer, especially for CO 2 /H 2 mixed gas test due to DCO 2 /DH 2 and SCO 2 /SH 2 increasement, resulted in improvement of selectivity of mixed gas in comparison to pure gas. Keywords : Membrane, Polyurethane, Permeability, Selectivity, Chemical surface modification.
غشاهای پلی یورتان به دلیل تراوایی و گزینش پذیری مناسب، قابلیت ساخت فیلم و خواص مکانیکی مطلوب در صنعت جداسازی گاز مورد توجه قرار گرفته است. فشار کم جریان های گاز دودکش و در نتیجه غلظت نسبتا پایین دی اکسید کربن در خوراک ورودی به غشا یکی از مشکلات مهم در استفاده از غشاهای پلیمری به منظور جداسازی دی اکسید کربن بوده است. لذا دستیابی به غشاهایی با گزینش پذیری بالاتر ضروری است. در پژوهش حاضر اصلاح سطح غشای جداسازی گاز پلی یورتان به کمک عوامل آمینی جاذب گاز CO 2 به منظور افزایش تمایل سطح به جذب رقابتی گاز CO 2 نسبت به گازهای N 2 و H 2 مورد بررسی قرار گرفت. اصلاح شیمیایی طی دو مرحله، مرحله اول اصلاح به کمک دی ایزوسیانات و مرحله دوم به کمک آمین ها انجام شد. شرایط مرحله دوم اصلاح به کمک آزمون ATR و زاویه تماس بهینه شد. سه آمین مختلف با طول زنجیر متفاوت و تعداد گروه های آمینی مختلف و آب به منظور اصلاح شیمیایی سطح استفاده شدند. علاوه بر این، اثر حلال تولوئن نیز به صورت جداگانه بررسی شد. نتایج آزمون های ATR، زاویه تماس و بازده پیوندزنی حاکی از اصلاح سطح با راندمان مناسبی بود. به طور مثال زاویه تماس نمونه اصلاح شده با مولکول تری اتیلن تترا آمین تقریبا 70 درجه کاهش یافت. در مورد نمونه های اصلاح شده با آمین، حجم مولکول پیوند زده شده، میزان تورم پلیمر در حضور هر آمین، بازده پیوندزنی، غلظت نسبی گروه های آمینی، میزان جدایی فازی، مقدار بلورینگی هر کدام از نمونه ها و نوع و مقدار برهمکنش هر گاز با سطح اصلاح شده بر میزان تراوایی گازهای مختلف و در نتیجه گزینش پذیری آن ها اثر گذار بود. گاز CO 2 قابلیت تراکم پذیری و همچنین قطبش پذیری قابل توجهی نسبت به سایر گازها دارد. لذا ضریب حلالیت گاز CO 2 در نمونه های اصلاح شده با آمین با افزایش غلظت گروه های آمینی در نمونه های مختلف افزایش یافته است؛ تا جایی که ضریب حلالیت PU-TETA تا 82/1 برابر افزایش یافت. از طرفی ضریب نفوذ گازهای مختلف به دلیل حضور مولکول های جدید بر روی سطح و ممانعت های ایجاد شده در اثر بلورینگی لایه سطحی اصلاح شده، کاهش یافت. میزان تورم غشا در فرآیند اصلاح سطح نیز بر ضریب نفوذ نمونه های اصلاح شده با آمین تاثیرگذار بود. تورم نمونه اصلاح شده با دی اتیلن تری آمین به دلیل نزدیک بودن ضریب حلالیت آن با غشا پلی یورتان بیشتر بود. لذا ضریب نفوذ آن نسبت به دو نمونه دیگر بیشتر بوده و تراوایی های بالاتری برای گازهای مختلف داشته است. به طور کلی گزینش پذیری ایده آل کلیه نمونه های اصلاح شده به غیر از نمونه اصلاح شده با آب از 15 تا 75 درصد افزایش یافت. فرآیند واجذب گاز CO 2 از سطح نمونه اصلاح شده با آب به دلیل حضور مولکول آب ما بین زنجیرهای پلیمر و تشکیل اتصال قوی هیدرونیوم کربامات سخت تر شده، لذا گزینش پذیری ایده آل نمونه اصلاح شده با آب کاهش یافت.گزینش پذیری مخلوط گازی CO 2 /H 2 تا 3/1 برابر در نمونه PU-W افزایش داشته است. یکی از عوامل تاثیرگذار بر گزینش پذیری مخلوط گازی کمک به واجذب گاز CO 2 توسط گازهای خنثی H 2 و N 2 بود. این اثر در مورد نمونه اصلاح شده با آب به دلیل سخت تر بودن فرآیند واجذب از گروه هیدرونیوم کربامات، بیشتر بود. از دیگر عوامل تاثیرگذار، نرم شدگی لایه سطحی در اثر جذب رقابتی CO 2 بود. نرم شدگی لایه سطحی به خصوص در آزمون گاز مخلوط CO 2 /H 2 به دلیل افزایش DCO 2 /DH 2 و همچین افزایش SCO 2 /SH 2 منجر به بهبود گزینش پذیری گاز مخلوط نسبت به گاز خالص گردید. واژه های کلیدی: غشا، پلی یورتان، تراوایی، گزینش پذیری، اصلاح شیمیایی سطح، جاذب های CO 2 .