Skip to main content
SUPERVISOR
سیدمحمد قریشی (استاد راهنما) جواد کریمی ثابت (استاد راهنما)
 
STUDENT
Ali Akbari Choubar
علی اکبری چوبر

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1394

TITLE

Experimental Study of the Relationship Between Morphology and Microstructure of MOF in Matrimid Matrix to Improve Helium Separation From Methane
In the field of using polymeric membranes for gas separation, increasing membrane efficiency (simultaneous increase of permeability and selectivity) is one of the important issues in research related to membrane science and technology. One of the practical and important ways to improve the performance of these membranes is incorporation of different fillers into the polymer membrane matrix. Due to the magnitude of extracting helium from natural gas, the separation of helium from methane and nitrogen using mixed matrix membranes is discussed here. For this purpose, two metal organic frameworks, Cu-BTC and Cu-BDC, were prepared with different morphologies as well as particle sizes and combined with Matrimid polymer. Various tests such as XRD, BET, SEM, TEM, AFM, TGA, DSC and density measurements were used to evaluate the structure of membranes as well as the prepared MOFs. By adding fillers to the polymer matrix, the glass transition temperature of the membranes increased, which is due to the stiffness of the polymeric chains as a result of proper interactions between the particles and the polymer. Also, a decrease in fractional free volume and an increase in thermal stability of membranes were observed by adding fillers. By adding Cu-BTC and Cu-BDC bulk fillers to the Matrimid matrix, helium permeability values as well as selectivity were improved and the best performance in a membrane with 30% of Cu-BDC particles, having helium permeability 61.8 Barrer and selectivity He/CH 4 equals 257.9 and He/N 2 equals 193.4, which was a large increase compared to the values of pure Matrimid and approached the Robson line. To ameliorate the performance of Cu-BTC particles, the size of these fillers was reduced to less than one micron, and the membrane results showed a significant increase of up to 40% loading, so that the selectivity of He/CH 4 and He/N 2 developed by 181% and 169%, respectively. The combination of Cu-BDC sheet fillers with Matrimid intensified the molecular sieve properties at low loads, unlike bulk particles, and greatly increased selectivity. For example, at 15% loading, the selectivities of He/CH 4 and He/N 2 were 410 and 341.7, respectively, which increased by 212 and 246% compared to Matrimid. In membranes containing sheet particles, helium permeability gradually decreased due to the accumulation of sheets, causing the final performance of the membrane to be below the Robson line. To solve this problem in the last part, mixed matrix membranes with Cu-BDC sheet particles and 6FDA-DAM permeable polymer were prepared and the results obtained at 15% loading showed the best performance among all the prepared membranes. In this loading, the selectivity of He/CH 4 and He/N 2 was 309.8 and 244.8, respectively, which improved by 2570 and 2319 % compared to pure 6FDA-DAM membrane, and the membrane performance with helium permeability was 464.7 Barrer crossed the Robson Line 2008. Keywords: Mixed Matrix Membranes (MMMs), Helium Separation, Metal Organic Frameworks (MOFs), Effect of Particles Morphology, Matrimid.
در زمینه استفاده از غشاهای پلیمری برای جداسازی گازها، افزایش بازده غشاها (افزایش همزمان تراوایی و گزینش­پذیری) یکی از مسئله­های مهم در پژوهش­های مربوط به دانش و فناوری غشایی است. یکی از روش­های عملی و مهم برای پیشرفت عملکرد این غشاها، شرکت دادن پرکن­های مختلف داخل شبکه غشای پلیمری است. در اینجا به علت اهمیت استخراج هلیم از گاز‌طبیعی، به جداسازی هلیم از متان و نیتروژن با استفاده از غشاهای شبکه مرکب پرداخته شده است. بدین منظور، دو چارچوب فلز-آلی Cu-BTC و Cu-BDC با ریخت­شناسی­ها و همچنین اندازه ذره­های مختلف تهیه و با پلیمر ماتریمید ترکیب شدند. برای ارزیابی ساختار غشاها و همچنین MOFهای تهیه شده آزمون­های مختلفی همچون XRD، BET، SEM، TEM، AFM، TGA ، DSC و اندازه‌گیری چگالی به‌کار گرفته شد. با اضافه کردن پرکن­ها به شبکه پلیمر، دمای انتقال شیشه­ای غشاها افزایش یافت که ناشی از سفت‌شدگی زنجیرها در اثر برهمکنش­های مناسب بین ذره­ها و پلیمر می­باشد. همچنین کاهش حجم آزاد جزئی و افزایش پایداری حرارتی غشاها با افزودن پرکن­ها مشاهده شد. با افزودن پرکن­های توده­ای Cu-BTC و Cu-BDC به شبکه ماتریمید، مقادیر تراوایی هلیم و همچنین گزینش­پذیری­ها بهبود یافت و بهترین عملکرد در غشای با 30 درصد وزنی از ذره­های Cu-BDC با تراوایی هلیم 8/61 بارر و گزینش­پذیری­های He/CH 4 برابر با 9/257 و He/N 2 برابر با 4/193 به دست آمد که در مقایسه با مقادیر ماتریمید خالص رشد زیادی داشت و به خط رابسون نزدیک شد. برای بهبود عملکرد ذره­های Cu-BTC، اندازه این پرکن­ها تا زیر یک میکرون کاهش پیدا کرد و نتایج غشاها تا بارگذاری 40 درصد افزایش قابل توجهی را نشان داد، به‌طوری‌که گزینش­پذیری­های He/CH 4 و He/N 2 نسبت به ماتریمید 181 و 169 درصد رشد داشتند. ترکیب پرکن­های ورقه­ای Cu-BDC با ماتریمید باعث شد که بر خلاف ذره­های توده­ای، خواص غربال مولکولی در بارگذاری­های پایین تشدید شود و گزینش­پذیری­ها افزایش شدیدی پیدا کنند. برای نمونه در بارگذاری 15 درصد، گزینش‌پذیری‌های He/CH 4 و He/N 2 به ترتیب 410 و 7/341 به دست آمد که نسبت به ماتریمید 212 و 246 درصد افزایش داشت. در غشاهای حاوی ذره­های ورقه­ای به‌دلیل انباشت ورقه­ها با افزایش بارگذاری، تراوایی هلیم به مرور کاهش پیدا کرد و باعث شد که عملکرد نهایی غشا پایین خط رابسون قرار گیرد. برای حل این مشکل در قسمت آخر، غشاهای شبکه مرکب با ذره­های ورقه­ای Cu-BDC و پلیمر تراوای 6FDA-DAM تهیه شدند و نتایج حاصل شده در بارگذاری 15 درصد بهترین عملکرد را در بین کل غشاهای تهیه شده نشان داد. در این بارگذاری گزینش­پذیری He/CH 4 و He/N 2 به ترتیب 8/309 و 8/244 به دست آمد که در مقایسه با غشای 6FDA-DAM خالص، 2570 و 2319 درصد ارتقا یافت و عملکرد غشا با دارا بودن تراوایی هلیم 7/464 بارر از خط رابسون 2008 عبور پیدا کرد. کلمات کلیدی: غشاهای شبکه مرکب، جداسازی هلیم، چارچوب‌های فلز-آلی، اثر ریخت‌شناسی ذره‌ها، ماتریمید.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی