SUPERVISOR
Mortaza Sadeghi,Arjomand Mehrabani zeinabad
مرتضی صادقی (استاد راهنما) ارجمند مهربانی زین آباد (استاد راهنما)
STUDENT
Saeed Maghami
سعید مقامی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392
TITLE
Modeling of Operational Temperature and Pressure Effect on Gas Separation Properties of Polymeric and Mixed Matrix Membranes and Identification of their Interfacial Morphology
The presence of polymer-particle interactionsin the composite materials leads to the formation of interfacial layers inwhich its physical properties is significantly different from those of polymermatrix and fillers. Formation of this phase can directly influence on membranepermeability and selectivity in addition to unwanted effects on their mechanical/physicalproperties. In this research for achieving a correct insight about the role andnature of interfacial morphologies on the performance of mixed matrix membranes(MMMs), some new techniques mainly in terms of mathematical modeling weredeveloped. Applying ideal permeation predictive models isthe first approach. Although ideal models often failed in predicting MMMsperformance, these models can provide guidelines for discernment of the typesof formed interfacial morphology, like current methods in characterization.Furthermore, a new modeling approach was proposed to satisfactory predicteffective permeability of MMMs by only adjusting of one parameter. In theapproach, existing non-ideal predictive models are rearranged based onintroducing a reduced permeability factor in the range of -0.5 to 1. Accordingto the proposed method, effective interface thickness is evaluated based onfindings of molecular dynamics and Monte Carlo simulations as well as particlesize and loading data. Moreover, based on the predictions, characteristicparameters of interfacial layer comprising interfacial permeability correctionfactor and permeability reduction factor of affected particles by blockage, areobtained. Although predictive models have been used as auseful tool for permeability prediction of MMMs, in this research a new methodwas developed based on gas permeation test for characterization of interfacialmorphology including the type of polymer-particle interaction, thickness andtraort properties of the interface and the size of aggregates in the case ofparticle aggregation. Capability of the proposed method was investigated bycomparing the results of SAXS analysis for PES based composites containingpristine and modified silica particles. Moreover, this method easily can beapplied for investigation of operational temperature and pressure effects oncharacteristic parameters of interfacial layer. Due to the temperature dependency of polymerchain mobility as well as plasticization effects related to the presence ofpenetrants in the polymer matrix investigation of traort properties ofprepared membranes at different operational temperatures and pressures isrequired. This would allow determining suitable membrane materials for a givengas separation application and optimum operational conditions. As measurementof traort properties of membranes over a wide range of conditions is timeconsuming and costly, in order to optimize membrane process design, anestimation of their separation performance based on existing experimental datais valuable. In this regard, so far different modeling attempts have been doneto take into account the effects of temperature and pressure on the traortproperties of polymeric membranes. While, one of the shortcomings in this areais development of a new predictive model with considering operationaltemperature and pressure effects on activation energy of permeability anddiffusivity as well as heat of sorption. Because analysis of theses energeticparameters can provide a proper insight into the effect of interactions betweenthe membrane and penetrants on the temperature and pressure dependence of thetraort of gases through membranes. Toovercome this limitation, in this study van't Hoff-Arrhenius model was modifiedin which, both effects of temperature and pressure are simultaneouslyconsidered on traort properties of polymeric and MMMs containing glassy andrubbery polymers. Furthermore, to minimize the number of experiments, theproposed model is capable to predict properly the traort properties as wellas the energetic parameters of penetrants through membranes over a wide rangeof operational conditions, only by measuring their properties at two pressures within a suitable temperature range including at least 3 points.
وجود اثر متقابل بین ذرات و ماتریس پلیمری در غشاهایزمینه مرکب منجر به تشکیل یک فاز میانی بین آنها شده که ساختار و ویژگیهای آن میتواند به طور چشمگیری از ماتریس پلیمری متفاوت باشد. تشکیلاین فاز علاوه بر اثرات ناخواستهای که روی ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی غشا میگذارد،میتواند به طورمستقیم روی تراوایی و گزینشپذیری آن نیز اثرگذار باشد. در این رساله به منظور دستیابی به یک بینش درست در موردماهیت فاز میانی تشکیل شده در غشاهای زمینه مرکب، راهکارهای مختلفی با بررسی رفتارتراوش گاز در دستور کار قرار گرفت. استفاده از مدلهای پیش بینی کننده آرمانیو مقایسه آن با دادههای آزمایشگاهی راهکاری ابتدایی برای رسیدن به این هدف در نظرگرفته شد. اگرچه این مدلها پیش بینی مناسبی از ویژگیهای جداسازی غشاهای زمینهمرکب ارائه نمیدهند، اما براساس پیش بینیهای آنها نوع نواقص بین فازی تشکیل شدهقابل تشخیص است. استفادهاز مدلهای پیش بینی کننده غیر آرمانی با ارائه یک رویکرد جدید از مدلسازی،راهکار دیگری برای پیش بینی ماهیت فاز میانی است. در این رویکرد، مدلهای پیش بینی کننده غیرآرمانی موجودبر اساس معرفی یک فاکتور کاهش یافته تراوایی در محدوده 5/0- تا 1 بازنویسی میشوند.در روش پیشنهادی، ضخامت موثر فاز میانی بر اساس یافتههای شبیه سازی دینامیکمولکولی و مونت کارلو، اندازه و جزء حجمی ذرات ارزیابی میشود. علاوه بر این، براساس پیش بینیها مشخصههای فاز میانی شامل فاکتور تصحیح کننده تراوایی و فاکتورکاهش تراوایی ذرات متاثر از انسداد پیش بینی میشود. بر خلاف مطالعات پیشین که از مدلهای پیش بینیکننده تراوایی به عنوان یک ابزار جهت تخمین ویژگیهای جداسازی غشاهای زمینه مرکباستفاده میشد، در این رساله بر اساس نتایج حاصل از روش مدلسازی توسعه داده شده،یک روش جدید جهت مشخصهیابی کمی ماهیت فاز میانی تشکیل شده در کامپوزیتهایپلیمر-ذره با بررسی رفتار تراوش گاز از درون آنها توسعه داده شد. این روش قابلیتتعیین نوع ریخت شناسی، ضخامت و تراوایی موثر فاز میانی و اندازه ذرات کلوخه شده رادر صورت تجمع آنها دارد. مقایسه نتایج آزمون SAXS و روش توسعهداده شده برای کامپوزیتهای PES-silica، توانایی روش پیشنهادی را تایید میکند.علاوه بر این با استفاده از این روش میتوان اثر دما و فشار عملیاتی را بر ماهیتفاز میانی پیش بینی کرد. درشرایط عملیاتی تغییرات دما و فشار اجتناب ناپذیر میباشد. با توجه به وابستگیدمایی تحرک زنجیره پلیمر و همچنین اثرات نرم شدگی مربوط به حضور نفوذکنندهها درماتریس پلیمری، بررسی ویژگیهای جداسازی غشاها در دماها و فشارهای عملیاتی مختلفمورد نیاز است. این موضوع اجازه میدهد که مواد غشایی مناسب برای یک کاربردجداسازی گاز در شرایط عملیاتی بهینه تعیین شود. از آنجایی که اندازهگیری ویژگیهایجداسازی غشاها در طیف گستردهای از شرایط زمانبر و هزینهبر است، به منظور بهینهسازی طراحی فرآیند غشایی، برآورد عملکرد جداسازی آنها بر اساس دادههای تجربیموجود ارزشمند است. در این راستا، تا کنون تلاشهای مدل سازی متفاوتی برای در نظرگرفتن اثرات دما و فشار بر ویژگیهای جداسازی غشاها انجام گرفته است. یکی ازخلاهای موجود در این زمینه توسعه یک مدل با قابلیت بررسی اثر شرایط عملیاتی برانرژی فعالسازی تراوایی و نفوذپذیری و همچنین آنتالپی جذب میباشد. زیرا تجزیه وتحلیل انرژیهای فعال سازی تراوایی و نفوذ پذیری پیش بینی تغییرات گزینش پذیری رادر شرایط دمایی و فشاری مختلف آسانتر میکند. به همین منظور در این رساله برای نخستینمرتبه مدلی توسعه داده شد که با طراحی حداقل آزمایش قادر به پیش بینی همزمان اثردما و فشار عملیاتی بر رفتار تراوایی، نفوذپذیری و حلالیت غشاهای پلیمری لاستیکی وشیشهای و همچنین غشاهای زمینه مرکب میباشد.