Skip to main content
SUPERVISOR
Mehran Ghiaci,Ahmad Moheb,Mahmood Masoomi
مهران غیاثی (استاد راهنما) احمد محب (استاد راهنما) محمود معصومی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mayam Heydari
مریم حیدری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1384

TITLE

Synthesis of Poly(vinyl alcohol) Membrane Cross-linked with Fumaric Acid and Investigation into Improvement of the Membrane Properties and Its Pervaporation Performance by Making PVA/NaX Mixed Matrix Membranes
Among the various membrane processes, pervaporation is an effective process for separating the species of aqueous mixtures particulary azeotropic and close-boiling mixtures. Because the membrane is recognized as the most important part of the pervaporation process, some modification should be used to acquire membranes with better mechanical and thermal resistance as well as separation properties such as permeation flux and separation selectivity. Among different methods for membrane modification, cross-linking is widely attended by the researchers. In the present work, poly(vinyl alcohol) membranes were cross-linked at 150°C by using fumaric acid as the cross-linking agent and the effect of cross-linking time on the membranes’ properties was investigated. The prepared membranes at three different time of 10, 30 and 60 min were characterized by different known methods of FT-IT, TGA, XRD, SEM as well as tensile test. Formation of more ester groups owing to the reaction between fumaric acid and poly(vinyl alcohol) was confirmed by the FT-IR results. TGA analyses showed the thermal stability of the membranes was improved by prolonging the duration of cross-linking time due to the formation of membranes with more compact structure. Also, the XRD results revealed that the crystalline regions of the membranes were relatively diminished and amorphous regions increased with increasing the cross-linking time. The SEM images showed that increasing the cross-linking time had no effect on the surface morphology and only led to a more compact structure. No special trend can be seen for the variation of tensile strengh with cross-linking time. The synthesized membranes were used for dehydration of water/isopropanol mixtures for investigation into effect of cross-linking time effect on the separation properties of the cross-linked membranes. The membranes cross-linked for 60min showed high selectivity of 1492. Lower value of E pw in comparation with E pIPA supported excellent dehydration performance of the cross-linked membranes. In the second part of this study, the mixed matrix membrane consisting of poly(vinyl alcohol) polymer and different amounts of NaX zeolite particles were prepared to improve separation properties of the cross-linked membranes. The incorporation of zeolite particles into the polymer matrix was confirmed by the observation the FT-IR spectra related to NaX zeolite. TGA results indicated that the thermal stability of mixed matrix membranes increased effectivily with increasing the zeolite content from 10 to 30 wt%. The addition of zeolite loading to more than 30 wt% led to formation of the brittle mixed matrix membranes with no effective application. On the basis of XRD patterns, the incorporation of zeolite particles to polymer matrix avoided from formation of crystalline regions and as a results amorphous regions were more than crystalline regions in mixed matrix membrane which was in favor of permeation through the membranes. According to mechanical tests, increasing the zeolite loading in the polymer matrix improved the mechanical stability of the resulting mixed matrix membranes. These membranes were used for separation of methanol/MTBE mixture by pervaporation to understand the effect of zeolite incorporation in polymer matrix on it’s PV performance. The pervaporation results showed a simultaneous enhancement in flux and selectivity upon adding zeolite in membrane matrix. Flux of pristine membrane was 0.0499kg/m 2 .hr and selectivity of 174 ,while corresponding values for the mixed matrix membrane containing 30 wt% of zeolite were 0.085 kg/m 2 .hr and 634, respectively. In addition of zeolite content, effects of operating conditions such as feed composition and temperature on the membrane performance were studied. It was observed that permeation flux increased with increasing methanol concentration in the feed mixture as well as process temperature whereas both had negative effects on the selectivity. Arrhenius plots were drawn to comput the activation energies for the total permeation flux as well as partial fluxes of methanol and MTBE. The activation energies of total flux and methanol flux were found to be almost close to each other, supporting that the mixed matrix membranes developed in this work were highly methanol selective and can be effectivily useful for separation of methanol/MTBE mixture. Keyword: Poly(vinyl alcohol), Fumaric acid, Cross-linking, M ixed matrix membranes, NaX zeolite.
در بین فرایندهای غشایی، تراوش تبخیری فرایندی کارآمد جهت جداسازی اجزاء مخلوط های مایع به خصوص آزئوتروپ ها و مخلوط های با نقطه جوش نزدیک به یکدیگر می باشد. از آنجا که غشاء به عنوان قلب فرایندتراوش تبخیری شناخته می شود لذا انجام هرگونه اصلاحی برروی آن جهت دست یابی به مقاومت مکانیکی و حرارتی بهتر و بهبود در خواص جداسازی آن همانند شار و گزینش پذیری ضروری به نظر می رسد. در بین روش های اصلاح غشاءها، روش اتصال عرضی همواره مدنظر محققین این زمینه بوده است. دراین تحقیق غشاءهای پلی(وینیل الکل) با استفاده از فوماریک اسید به عنوان عامل اتصال عرضی در دمای 150 درجه سانتی گراد تهیه و اثر زمان اتصال عرضی بر روی خواص غشاء مورد تحقیق قرار گرفت. مشخصات غشاءهای تهیه شده در سه زمان مختلف اتصال عرضی 10، 30 و60 دقیقه با استفاده از روشهای FTIR، TGA، XRD،SEM و آزمون مقاومت مکانیکی مورد مطالعه قرار گرفت. افزایش گروههای استر حاصل از واکنش بین پلی(وینیل الکل) و فوماریک اسید با افزایش زمان اتصال عرضی توسط آزمون FTIR تایید گردید. آزمون TGA نشان داد که مقاومت حرارتی غشاء پلی(وینیل الکل) بدلیل متراکم تر شدن زنجیره های پلیمر با افزایش زمان اتصال عرضی بهبود می یابد. همچنین نتایج XRD نشان داد که با افزایش زمان واکنش اتصال عرضی، حذف مناطق بلوری پلیمر و افزایش مناطق آمورف را در پی داشت. بر اساس تصاویر SEM افزایش زمان اتصال عرضی هیچ گونه تاثیری در سطح غشاءها نداشت و تنها باعت تراکم عرضی آنها گشته است. هیچ گونه روند مشخصی برای اثر زمان اتصال عرضی بر مقاومت مکانیکی غشاءهای تهیه شده مشاهده نشد. جهت ارزیابی اثر زمان اتصال عرضی بر خواص جداسازی غشاءهای پلی(وینیل الکل)، این غشاءها در آب زدائی از ایزوپروپانول مورد سنجش قرار گرفتند. نتایج نشان داد که غشاء تهیه شده در زمان 60 دقیقه دارای بیشترین گزینش پذیری در حدود 1492 بود. کمتر بودن مقدار انرژی فعال سازی آب عبوری در مقایسه با مقدار انرژی فعال سازی ایزوپروپانول عبوری تائید کننده خاصیت آب دوستی غشاءهای تهیه شده بود. در بخش دوم این تحقیق به منظور بهبود خواص غشاءهای اتصال عرضی شده، غشاءهای شبکه مرکب با استفاده از پلی(وینیل الکل) و درصدهای مختلف زئولیت NaX تهیه و مورد ارزیابی قرار گرفتند. حضور زئولیت در شبکه پلیمر با مشاهده پیک های مربوط به زئولیت NaX با استفاده از آزمون FTIR به اثبات رسید. نتایج TGA نشان داد که با افزایش درصد زئولیت از 10 درصد وزنی به 30 درصد وزنی مقاومت حرارتی غشاءها به میزان قابل توجهی بهبود یافت. افزایش بیش از این مقدار زئولیت باعث ایجاد غشاءهای شکننده و با کارایی نامناسب در فرایند تراوش تبخیری شد. همچنین بر اساس نتایج آزمون XRD افزودن زئولیت به شبکه پلیمر باعث حذف مناطق بلوری و افزایش مناطق آمورف گشت، که تاثیر مثبت قابل توجهی بر شار عبوری از غشاء داشت. آزمون های مکانیکی اثبات کرد که افزایش درصد زئولیت اثرات بسیار مثبتی برمقاومت مکانیکی غشاءهای شبکه مرکب داشت. اثر افزودن زئولیت بر خواص جداسازی غشاءهای شبکه مرکب با استفاده از تست تراوش تبخیری در جداسازی مخلوط متیل ترشیو بوتیل اتر و متانول مورد مطالعه گرفت. نتایج تراوش تبخیری نشان داد که در ترکیب درصد ثابت خوراک افزایش درصد زئولیت باعث افزایش همزمان شار وگزینش پذیری می گردد، به گونه ای که غشاء بدون زئولیت دارای شار kg/m 2 .hr0449/0 و گزینش پذیری 174 بوده در حالی که با افزایش درصد زئولیت به مقدار 30 درصد وزنی شار به kg/m 2 .hr 085/0 و گزینش پذیری به 634 افزایش یافتند. علاوه بر درصد زئولیت اثر پارامترهای عملیاتی مانند غلظت و درجه حرارت خوراک بر خواص جداسازی نیز مورد بررسی قرار گرفت. افزایش غلظت و درجه حرارت خوراک افزایش شار و کاهش گزینش پذیری را در پی داشت. با استفاده از رابطه آرنیوس انرژی فعال سازی شار کل، شار متانول و شار متیل ترشیو بوتیل اتر عبوری از غشاء محاسبه گردید. نزدیک بودن مقدار انرژی فعال سازی شار متانول به شار کل در غشاءهای شبکه مرکب نشان می دهد که این غشاءها برای حذف متانول از مخلوط متانول و متیل ترشیو بوتیل اتر بسیار مناسب می باشند. کلمات کلیدی: پلی(وینیل الکل)، فوماریک اسید، اتصال عرضی، غشاءهای شبکه مرکب، جداسازی آزئوتروپ ها، زئولیت NaX

ارتقاء امنیت وب با وف بومی