Skip to main content
SUPERVISOR
Mortaza Sadeghi,Roohollah Bagheri
مرتضی صادقی (استاد راهنما) روح اله باقری (استاد مشاور)
 
STUDENT
Hemmat Shirvani
همت شیروانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388

TITLE

Investigation of Gas Separation Properties of Polyurethane/Poly (vinyl alcohol) (PU/PVA) Polymeric Blend Membrane and Effect of Silica Nanoparticles on it
: This research involves the investigation of the preparation and characterization of polyurethane (PU), polyurethane/poly (vinyl alcohol) (PU/PVA) blend membranes and also polyurethane/poly (vinyl alcohol)/silica nanocomposite membranes for gas separation. polyurethane was synthesized by two step polymerization in mole ratios of 3:2:1 from isophorone diisocyanate (IPDI), 1, 4-butanediamine (BDA) and polytetramethylene glycol (PTMG). A series of poly (vinyl alcohol) (PVA) with 15, 30, 60, 145 and 200 kilodalton molecular weights have been chosen to prepare PU/PVA blend membranes. The effects of molecular weight of poly (vinyl alcohol), blend composition and weight percent of silica nanoparticles on the permeability of N 2 , O 2 , CO 2 and CH 4 were investigated. All membranes were prepared by thermal phase inversion method. In first step for investigation the effect of PVA molecular weight on gas separation properties of PU/PVA blend membranes, all blends were prepared in 10 wt% of PVA in membranes. Physical properties of synthesized polyurethane and prepared blends were investigated by FT-IR; XRD and SEM. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy was used to verify the chemical structure of the resulting polymer and blend membranes. Results obtained by FT-IR spectrum of the prepared blends indicate that phase separation of hard and soft segments in polyurethane was decreased by increasing the molecular weight of PVA in blends, it is due to the more population of OH groups to connect to N-H groups in hard segments via hydrogen bonding. Also the disappearance of stretching vibration bound at 1141cm ?1 indicate that the crystalline portion of poly (vinyl alcohol) chains that attribute the intramolecular hydrogen bonding is formed between two neighboring OH groups, were removed by blending with polyurethane. In order to explore this behavior, XRD experiments were performed to investigate crystallinity of the blend polymers. Obtained results from XRD patterns shown that crystallinity of prepared blends have been decreased with increase of PVA molecular weight in PU-based blend membranes. As in PU/PVA blend with lowest PVA molecular weight no any change was observed in XRD patterns for pure PVA and blended with PU, that indicate the crystalline chains of PVA distribute in polyol soft segments of PU. Whereas for PU/PVA blend with highest PVA molecular weight, decreasing the number of picks from two sharp picks in pure PVA to one broad pick in PU/PVA blend indicate that PVA chains with any crystalline portion entangled with PU chains. SEM micrographs of prepared samples shown that PU/PVA blend membranes were compatible immiscible systems in low molecular weights of PVA, that miscibility of blends increase with increase molecular weight of PVA. It is due to the more incorporation and entanglement of PVA chains with PU chains. The results of gas permeation experiments represented that by increasing the molecular weight of PVA in PU/PVA blend membranes, permeability of the pure gases was decreased while selectivity was increased. The reduction in the permeability of polar CO 2 gas in comparison to non-polar ones by increasing the available OH group’s content in membrane structure with increase the molecular weight of PVA in blends was lower. Hence, the selectivity of CO 2 gas over N 2 and CH 4 in blend membranes increased. The gas separation performance of the prepared membranes has been comprised to Robeson upper bound. The
این پژوهش شامل تهیه و مشخصه یابی غشا پلی یورتان، غشاهای آلیاژی پلی یورتان/پلی(وینیل الکل) و همچنین غشاهای نانو کامپوزیت پلی یورتان/ پلی(وینیل الکل)/سیلیکا به منظور بررسی خواص جداسازی گاز می باشد. پلی یورتان توسط روش پلیمریزاسیون دو مرحله ای از مواد اولیه ایزوفورن دی ایزوسیانات (IPDI)، پلی تترامتیلن گلایکول (PTMG) با وزن مولکولی 2000 گرم بر مول و 4،1-بوتان دی آمین (BDA) در نسبت مولی از دی ایزوسیانات:زنجیرگسترنده:پلی ال، 1:2:3 به منظور بدست آوردن ساختار مولکولی مورد نظر تهیه شد. یک گروه از پلی(وینیل الکل) با وزن مولکولی 15، 30، 60، 145 و 200 کیلودالتون به منظور تهیه غشاهای آلیاژی پلی یورتان/پلی(وینیل الکل) انتخاب شدند. اثر وزن مولکولی پلی(وینیل الکل)، ترکیب درصد آلیاژ و درصد وزنی نانو ذرات سیلیکا بر خواص تراوایی گازهای نیتروژن، اکسیژن، متان و دی اکسیدکربن مورد بررسی قرار گرفت. همه غشاها توسط روش جدایش فازی گرمایی تهیه شدند. در مرحله اول به منظور بررسی اثر وزن مولکولی پلی(وینیل الکل) بر خواص جداسازی گاز غشاهای آلیاژی پلی یورتان/پلی(وینیل الکل)، تمامی آلیاژهای پلیمری در ترکیب درصد پلی یورتان:پلی(وینیل الکل)، 10:90 تهیه شدند. خواص فیزیکی و شیمیایی غشاهای آلیاژی تهیه شده توسط آزمون های FT-IR، XRD و SEM مورد بررسی قرار گرفت. نتایج طیف سنجی FT-IR غشاهای آلیاژی تهیه شده نشان می دهد که با ورود پلی(وینیل الکل) به بستر پلی یورتان، جدایش فازی موجود بین قطعه سخت و نرم کاهش می یابدکه ناشی از ایجاد پیوند هیدروژنی بین گروه OH پلی(وینیل الکل) و گروه N-H موجود درقطعه سخت پلی یورتان می باشد. نتایج بدست آمده از آزمون پراش پرتو ایکس نشان می دهد که میزان بلورینگی آلیاژهای تهیه شده با افزایش وزن مولکولی پلی(وینیل الکل) کاهش می یابد. تصاویر SEM تهیه شده نشان می دهد که آلیاژهای پلی یورتان/پلی(وینیل الکل)، آلیاژهای امتزاج ناپذیر سازگار بوده که با افزایش وزن مولکولی پلی(وینیل الکل) سازگاری آن ها افزایش می یابد. نتایج آزمون عبور گازها از غشاهای تهیه شده نشان می دهد که با افزایش وزن مولکولی پلی(وینیل الکل) در آلیاژهای تهیه شده، تراوایی همه گازها کاهش و گزینش پذیری افزایش می یابد. در ادامه، پلی(وینیل الکل) با وزن مولکولی 200 کیلو دالتون به منظور بررسی اثر ترکیب درصد آلیاژ بر خواص جداسازی گاز انتخاب و غشاهای آلیاژی هدف در ترکیب درصدهای متفاوت تهیه شد و مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج آزمون FT-IR نشان می دهد که با افزایش مقدار پلی(وینیل الکل) در غشاهای تهیه شده، جدایش فازی بین قطعه سخت و نرم پلی یورتان کاهش می یابد. تصاویر SEM نمونه های تهیه شده نشان می دهد که با افزایش مقدار پلی(وینیل الکل) همگنی نمونه ها و همچنین مشخصه شکست ترد در نمونه ها افزایش می یابد. نتایج عبور گازها نشان می دهد که با افزایش مقدار پلی(وینیل الکل) در غشاهای آلیاژی، تراوایی گازها کاهش و گزینش پذیری افزایش می یابد. پس از انتخاب غشا آلیاژی مناسب، به منظور بررسی اثر نانوذرات سیلیکا بر خواص تراوایی غشاهای آلیاژی، نانوذرات سیلیکا به روش سل- ژل ساخته شد و غشاهای نانوکامپوزیتی پلی یورتان/پلی(وینیل الکل)/سیلیکا بر پایه غشاهای آلیاژی حاوی نسبت های 90 : 10و 60 : 40 از پلی یورتان:پلی(وینیل الکل) تهیه شد و مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج آزمون های FT-IR و SEM بیانگر توزیع مناسب نانو ذرات در بستر آلیاژها بود. نتایج آزمون XRD نشان داد که با افزایش مقدار نانو ذرات در غشاهای نانوکامپوزیتی از میزان بلورینگی نمونه ها کاسته می شود. افزایش نانو ذرات (از 5/2 تا 20 درصد وزنی) در غشاهای آلیاژی منجر به کاهش تراوایی گازها و افزایش گزینش پذیری از مقدار6/32 مربوط به غشای آلیاژی خالص بر پایه PU/PVA200-10 به مقدار 45 مربوط به غشای نانوکامپوزیتی حاوی 20 درصد وزنی نانو ذرات سیلیکا شد. کلمات کلیدی : غشای چگال، غشای آلیاژی، غشای نانو کامپوزیت، پلی یورتان، پلی(وینیل الکل)، نانو سیلیکا، جداسازی گاز

ارتقاء امنیت وب با وف بومی