Skip to main content
SUPERVISOR
سید عبداللطیف هاشمی فرد (استاد راهنما) علی اکبر دادخواه (استاد راهنما)
 
STUDENT
Masoud Saberi
مسعود صابری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1390

TITLE

Development of plasticization model for polymeric membranes and experimental study of this phenomenon on the performance of PEI/TiO2 mixed matrix membrane and effect of heat treatment on PEI membrane
One of the problems which lie in separating CO 2 from CH 4 or N 2 by glassy polymeric membranes is the plasticization that occurred at higher partial pressures than specific pressure. This phenomenon causes the reduction in gas separation ability of glassy membranes. It is known that the permeability of mixed gases is different from pure gases due to competitive sorption. In the first part of this investigation, a model for predicting the permeability and the effective diffusion coefficient of mixed gases in the presence of plasticization were proposed. In this model, it was assumed that the diffusion coefficient for all components was exclusively function of plasticizing component. Also, the partial immobilization model was employed to determine the fraction of mobile sorbed gases. Then, three groups of the experimental data from the literature including the permeation of CO 2 /N 2 and CO 2 /CH 4 through asymmetric PI/PES and CA membranes, and also the permeation of CO 2 /CH 4 through dense CA membrane, compared to the model and the coefficients of the model were determined. Plasticization parameter decreased for both components by increasing the fraction of second component in the feed. It means that plasticization of glassy polymers was suppressed. This decrease was caused by competitive sorption between CO 2 and the second component. Also, Immobilization factor of all components decreased with the increase in the fraction of second component. The effective diffusion coefficient for pure CO 2 was significantly pressure-dependent due to the higher degree of the plasticization. However, with increasing the fraction of second component in the feed, this dependency decreased. In the second part, the effect of thermal treatment and also adding TiO 2 nanoparticles on the performance of asymmetric PEI membrane in separating CO 2 from N 2 were investigated. Thermal treatment at temperatures lower and higher than T g were done. The results show that for the untreated membrane, plasticization occurred with the increase in upstream pressure. For the membranes which treated at 120, 160 and 200 °C for 5 hr, plasticization pressured increased to 6 bars. For the membrane which treated at 220 °C for 10 min, plasticization was not observed to 10 bars. Moreover, permeances of the gases through the treated membranes were lower than untreated membrane due to densification and the reduction in free volumes in the selective layer. For PEI/TiO 2 membranes, with adding 1 and 2 wt% of TiO 2 , plasticization pressure increased to 4 and 5 bars due to the reduction in the movement of polymer chains and the increase in the resistance of the membrane. For PEI/5%TiO 2 , plasticization occurred due to agglomeration of nanoparticles. Moreover, permeation of CO 2 and N 2 through PEI/TiO 2 membranes was higher than pure PEI membrane. In addition, for PEI/TiO 2 membranes with 1 and 2 % of TiO 2 , CO 2 /N 2 ideal selectivity were increased whereas for the membrane with 5% TiO 2 , the selectivity decreased due to agglomeration of nanoparticles and the presence of defect in the selective layer of the membrane. Also, prepared membranes were characterized by SEM,،FTIR, XRD, TG and DMT analyses.
یکی از مشکلاتی که هنگام جداسازی CO 2 از CH 4 یا N 2 توسط غشاهای پلیمری شیشه‌ای وجود دارد این است که برای CO 2 ، در فشارهای جزئی بالاتر از مقدار معینی، نرم‌شوندگی رخ می‌دهد. این پدیده باعث می‌شود که توانایی غشا در جداسازی گازها کاهش یابد. مشخص شده ‌است که تراوایی مخلوط گاز با وجود نرم‌شوندگی به‌دلیل جذب رقابتی گازها با نرم‌شوندگی در حالت خالص کاملاً متفاوت است. در بخش اول این پژوهش، مدلی برای پیش‌بینی تراوایی و ضریب ‌نفوذ مؤثر مخلوط گاز با وجود نرم شوندگی ارائه شده ‌است. دراین مدل فرض شده است که ضریب‌ نفوذ همه اجزای گاز تابعی از غلظت جزء نرم‌کننده هستند. همچنین از مدل بی‌تحرکی جزئی برای اندازه‌گیری کسر متحرک گازهای جذب شده در غشا استفاده‌ شد. سپس سه گروه از داده‌های آزمایشگاهی از مقالات شامل تراوایی مخلوط CO 2 /N 2 و CO 2 /CH 4 در غشاهای پلیمری شیشه‌ای نامتقارن PI/PES و CA و همچنین مخلوط CO 2 /CH 4 در غشای متقارن CA با مدل ارائه شده مقایسه شده و ضرایب مدل محاسبه شدند. ضریب نرم‌شوندگی مدل برای هر دو گاز با افزایش غلظت جزء دوم در خوراک کاهش یافت. این نشان می‌دهد که نرم‌شوندگی غشای پلیمری کاهش یافته است. این کاهش به‌دلیل جذب رقابتی بین CO 2 و جزء دوم خوراک بوده ‌است. همچنین ضریب بی‌تحرکی هر دو گاز با افزایش غلظت جزء دوم به‌دلیل کاهش در نرم‌شوندگی کاهش یافت. ضریب ‌نفوذ CO 2 خالص به‌شدت تابع فشار بود با این‌حال با افزایش غلظت جزء دوم، این وابستگی کاهش یافت. در بخش دوم، اثر فرآیند‌گرمایی و همچنین افزودن نانوذرات TiO 2 روی عملکرد غشاهای نامتقارن PEI در جداسازی CO 2 از N 2 و کاهش نرم‌شوندگی بررسی شد. فرآیند گرمایی در دماهای کمتر و بیشتر از T g پلیمر انجام شد. نتایج تراوایی نشان داد که برای غشاهای بدون فرآیند، با افزایش فشار از همان ابتدا نرم‌شوندگی رخ می دهد. برای غشاهایی که فرآیند گرمایی در دمای 120، 160 و C°200 به مدت 5 ساعت روی آنها صورت گرفته بود، فشار نرم‌شوندگی تا بیشینه 6 بار افزایش یافت. برای غشاهایی که به مدت 10 دقیقه در دمای C°220 تحت فرآیند قرار گرفته بودند تا فشار 10 بار نرم‌شوندگی مشاهده نشد. همچنین برای تمام غشاهایی که فرآیند گرمایی روی آنها انجام شده بود، به دلیل متراکم شدن ساختار و کاهش در حجم اضافی، تراوش گازهای عبوری از غشاهایی که فرآیند نشده بودند کمتر بود. در مورد غشاهای زمینه مرکب ساخته شده PEI/TiO 2 نیز با افزودن 1 و 2 درصد وزنی نانوذره، فشار نرم‌شوندگی به‌ترتیب تا 4 و 5 بار افزایش یافت که دلیل آن کاهش در تحرک زنجیره پلیمری و به‌دنبال آن افزایش مقاومت غشا در مقابل نرم‌شوندگی بوده ‌است. برای غشاهای با 5 درصد وزنی نانوذره، به دلیل تجمع نانوذرات، از همان ابتدا با افزایش فشار، نرم شوندگی رخ داد. تراوش گازهای CO 2 و N 2 در غشاهای زمینه مرکب از غشاهای خالص بیشتر بوده ‌است. علاوه‌براین، گزینش‌پذیری ایده‌آل CO 2 /N 2 برای غلظت‌های 1 و 2 درصد وزنی افزایش یافت ولی برای غلظت 5 درصد وزنی، به‌دلیل تجمع نانوذرات و به‌وجود آمدن نقص در لایه‌گزینش‌پذیر غشا، گزینش‌پذیری غشای زمینه مرکب کاهش یافت. علاوه بر آزمون تراوایی گاز، غشاهای ساخته شده توسط آزمون های SEM، FTIR، XRD، DMTA و TGA نیز مورد بررسی قرار گرفتند.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی