Skip to main content
SUPERVISOR
مرتضی صادقی (استاد راهنما) بهنام قلعی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Milad Laghaei
میلاد لقائی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390

TITLE

Investigation of the Gas Separation Properties of Mixed Matrix Membranes based on Modified and Unmodified MCM-41 Silica Mesoporous in a Polyethersulfone (PES) Matrix
Polymeric membranes have lots of applications in gas separation process but Robeson used a trade off line to explain that there is a limitation to develop this kind of membrane. To overcome this restriction, Mixed Matrix Membranes (MMMs) have been fabricated by incorporating the inorganic particles as filler into a polymeric matrix. Although the unique gas separation performance of MMM has gained universal attractions, some of non-ideal effects such as poor interfacial adhesion between polymer and inorganic filler deteriorate the general separation properties. One of the possible ways to solve this problem is using silane coupling agents.In this study, to enhance thepolymer-particle binding and to achieve the perfect dispersion of particles in the Polyethersulfone (PES) matrix, the particle surface was functionalized by 3-Aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) and Trimethylchlorosilane (TMCS) coupling agents, separately, and the gas separation properties were compared with unmodified ones (neat MCM-41). The structure, size and modification quality of MCM-41 mesoporous particles were determined by FT-IR, Low angle X-ray powder diffractometry (XRD), N 2 adsorption-desorption,DLS and TEM. Then the characterization tests such as FT-IR, TGA, wide angle X-ray diffractometry (WAXD), SEM and tensile stress-strain were performed for better understanding the polymer-particles interaction, thermal stability, the role of filler in crystallinity, quality of the particle dispersion in composites and finally the mechanical interfacial properties, respectively. The SEM micrographs illustrate that the surface modification with both coupling agents, makes the dispersion better and approximately eliminates the non-selective voids. This phenomenon leads to higher thermal stability and increase in mechanical strength compared to neat PES. The ideal gas (CH 4 , N 2 , O 2 and CO 2 ) permeability measurements for resulting neat PES and MMMs were carried out. Although for almost all of tested gases (at the same filler content), permeability of the unmodified MCM-41/PES is higher than the modified MCM-41/PES, the selectivity shows reverse trend. The corresponding permeability values at 8 bar and 25°Cfor20% wt. APTMS modified MCM-41/PES for CH 4 , N 2 , O 2 and CO 2 are 0.096, 0.11, 0.62 and 3.45 Barrer while the permeability of 20% wt. unmodified MCM-41/PES are 0.13, 0.15, 0.65 and 3.56 Barrer, which compared to 0.054, 0.056, 0.29 and 1.40 Barrer for neat PES, show remarkable higher permeability. At the same loading, the selectivity of APTMS modified MCM-41/PES are CO 2 /CH 4 =35.64, O 2 /N 2 =5.6 and the selectivity of unmodified MCM-41/PES are CO 2 /CH 4 =26.46, O 2 /N 2 =4.21. The improvement in selectivities is attributed to the elemination of non-selective voids and particles better dispersion. Moreover, the unexpected CO 2 selectivity enhancement for MMM with APTMS modified particle can be result of strong interaction between amine groups and CO 2 via formation of surface carbamate groups.It is worth pointing out that with 20 wt% of unmodified MCM-41 silica mesoporous in PES, CO 2 permeability of the mixed matrix membrane is shown to increase by up to 155% compared to the neat PES. Keywords: Polyethersulfone (PES), MCM-41, Mixed Matrix Membrane (MMM), Silane Coupling agent
غشاهای پلیمری کاربرد گسترده ای در فرایند جداسازی گازی دارند ولی رابسون به کمک یک رابطه ی جایگزین محدودیت این نوع از غشاها را برای توسعه نشان داد. برای غلبه بر این محدودیت غشاهای زمینه مختلط از توزیع ذرات غیرآلی در پلیمرها ایجاد شدند. ویژگی های جداسازی منحصربه فرد این غشاها اگرچه توجه زیاد جهانی را به خود جلب کرده است ولی برخی از اثرات نامناسب ایجاد شده در این نوع از غشاها مانند چسبندگی ضعیف در سطح مشترک پلیمر-ذره سبب افت شدید خواص جداسازی می گردد. یکی از راه های ارائه شده برای غلبه بر این مشکل استفاده از عوامل اتصال سیلانی است. در این پژوهش نیز برای افزایش چسبندگی پلیمر-ذره و نیز برای پراکنده کردن مناسب ذرات در شبکه ی پلی اترسولفون سطح ذرات با دو عامل اتصال سیلانی یعنی 3-Aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) و Trimethylchlorosilane (TMCS) به طور مجزا عامل دار شدند. خواص جداسازی گازی حاصل از این غشاها با غشاهای زمینه مختلط حاوی ذرات اصلاح نشده مقایسه گردید. ساختار، اندازه و کیفیت عامل دار شدن ذرات به کمک آزمون هایی از قبیل FT-IR ،XRD با زاویه کم، TGA،جذب و دفع نیتروژن، DLSو TEMمورد ارزیابی قرار گرفتند. سپس آزمون هایی از قبیل FT-IR، TGA، XRD با زاویه ی باز (WAXD) ، SEM و کشش سنجی نمونه ها بر روی غشاها صورت گرفته تا به ترتیب درک بهتری نسبت به برهم کنش ذرات و پلیمر، پایداری گرمایی غشاها، نقش پرکننده ها در بلورینگی، کیفیت توزیع ذرات در کامپوزیت ها و در نهایت خواص مکانیکی فصل مشترک به دست آید. تصاویر SEM نشان داد که هر دو عامل اتصال سیلانی منجر به توزیع بهتر ذرات و تقریباً حذف حفرات غیر انتخابگر گردیده اند. این پدیده منجر به بهبود پایداری گرمایی و استحکام مکانیکی در قیاس با غشای خالص پلی اترسولفون شد. برای همه ی غشاهای خالص و زمینه مختلط تروایی ایده آل گازها (CH 4 ، N 2 ، O 2 و CO 2 ) اندازه گیری شد. تقریباً برای تمامی غشاهای زمینه مختلط (در میزان بار یکسان) تراوش پذیری غشاهای زمینه مختلط با ذرات اصلاح نشده بالاتر از غشاهای زمینه مختلط با ذرات اصلاح شده است ولی گزینش پذیری ها دقیقاً روند معکوسی را نشان دادند. مقادیر متناظر تراوش پذیری CH 4 ، N 2 ، O 2 و CO 2 در فشارbar 8 و دمای C°25، برای غشای زمینه مختلط شامل 20% وزنی از ذرات اصلاح شده با APTMS به ترتیب برابر با 096/0، 11/0، 62/0 و 45/3 بارر و برای غشای زمینه مختلط با 20% وزنی از ذرات اصلاح نشده به ترتیب برابر 13/0، 15/0، 65/0 و 56/3 بارر بوده که در قیاس با 054/0، 056/0، 29/0 و 40/1 بارر برای غشای خالص افزایش چشمگیری را نشان دادند. در همان میزان بار گزینش پذیری های غشای زمینه مختلط با ذرات اصلاح شده ی APTMS برابر با 64/35CO 2 /CH 4 = 6/5=O 2 /N 2 و گزینش پذیری های غشای زمینه مختلط با ذرات اصلاح نشده برابر با 46/26=CO 2 /CH 4 و 21/4=O 2 /N 2 گردید. افزایش در گزینش پذیری غشاهای اصلاح شده به حذف حفره های غیرانتخابگر و توزیع بهتر ذرات منسوب است. علاوه بر این، زیاد شدن بیش از انتظارگزینش پذیری CO 2 برای غشاهای زمینه مختلط با ذرات APTMS اصلاح شده،نشانگر بر هم کنش قوی گروه های آمینی با CO 2 از طریق ایجاد گروه های کربامات سطحی است. در این جا اشاره به این نکته حایز اهمیت است که افزودن 20% وزنی از ذرات اصلاح نشده به PES منجر به افزایش 155 درصدی در تراوش پذیری CO 2 نسبت به غشای خالص گردید. کلمات کلیدی : 1- پلی اترسولفون (PES)، 2- MCM-41، 3- غشای زمینه مختلط (MMM) و 4- عامل اتصال سیلانی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی