بررسی عملکرد غشاهای انتقال تسهیل یافتهPEBA/ کیتوسان/ اکسید گرافن در جداسازی CO₂/N₂

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی شیمی -دانشگاه صنعتی سهند- تبریز- ایران

چکیده

هدف: توسعه غشاهای انتقال تسهیل یافته عمدتاً به دلیل افزایش حجم آزاد زمینه پلیمری با چالش کاهش انتخاب‌گری روبه‌رو هستند. هدف  این تحقیق، بررسی نحوه توزیع  اکسید گرافن اصلاح سطحی نشده (GO) و اصلاح شده با اسید آمینه (M-GO) در زمینه پلیمری PEBA و همچنین تاثیر اکسید گرافن اصلاح سطحی شده بر روی افزایش انتخاب‌گری غشایPEBA/ کیتوسان است.
مواد و روش: جهت تهیه غشاهای انتقال تسهیل یافته ابتدا اکسید گرافن  در داخل حلال آب / اتانول توسط دستگاه التراسونیک توزیع شد. سپس  PEBA با 2% وزنی در داخل محلول تهیه شده حل شد. در ادامه محلول کیتوسان از قبل تهیه شده با 1% درصد وزنی و با نسبت 1:1  با محلول همگن    PEBA تهیه شده توسط همزن مغناطیسی در دمای محیط مخلوط شدن .غشاهای تهیه شده جهت بررسی توزیع یکنواخت نانو پرکن در زمینه پلیمری توسط آزمون‌های SEM و  AFM و نحوه برهمکنش بین پرکن و زمینه پلیمری توسط آزمون  FTIR ارزیابی شد. سپس تست عبوردهی گازها از روش عبوردهی با  فشار ثابت و حجم متغیر استفاده شد.
نتایج:  براساس آنالیز,FTIR   SEMو  AFMغشای تهیه شده با اکسید گرافن اصلاح سطحی شده به دلیل سازگاری بیشتر با زنجیرهای پلیمری و توزیع یکنواخت در ساختار غشا، دارای مورفولوژی سطح صاف نسبت به نمونه غشای بدون اصلاح سطحی است. نتایج نشان داد که غشاهای حاویM-GO در مقایسه با GO اصلاح سطحی نشده باعث بهبود عبوردهی CO₂ و انتخاب‌گری CO₂/N₂  شد.
نتیجه‌گیری: M-GO به دلیل برهم‌کنش‌های بین‌سطحی از طریق پیوندهای هیدروژنی قوی‌تر و همچنین افزایش سازگاری فصل مشترک بین نانولایه‌های GO و پلیمر باعث بهبود بیش از 314 درصد در انتخاب‌گری  CO₂/N₂ و 440 درصد در عبوردهی CO₂ شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


 [1] Songolzadeh, M., Soleimani, M., Takht Ravanchi, M., & Songolzadeh, R. (2014). Carbon dioxide separation from flue gases: a technological review emphasizing reduction in greenhouse gas emissions. The Scientific World Journal2014(1), 828131. https://doi.org/10.1155/2014/828131
 
[2] Lin, H., Van Wagner, E., Freeman, B. D., Toy, L. G., & Gupta, R. P. (2006). Plasticization-enhanced hydrogen purification using polymeric membranes. science311(5761), 639-642. https://doi.org/10.1126/science.1118079
 
[3] Dautzenberg, F. M., & Mukherjee, M. (2001). Process intensification using multifunctional reactors. Chemical Engineering Science56(2), 251-267 https://doi.org/10.1016/S0009-2509(00)00228-1
 
[4] Vinoba, M., Bhagiyalakshmi, M., Alqaheem, Y., Alomair, A. A., Pérez, A., & Rana, M. S. (2017). Recent progress of fillers in mixed matrix membranes for CO2 separation: A review. Separation and Purification Technology188, 431-450. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2017.07.051
 
[5] Baker, R. W. (2023). Membrane technology and applications. John Wiley & Sons.
 
[6] Kenarsari, S. D., Yang, D., Jiang, G., Zhang, S., Wang, J., Russell, A. G., ... & Fan, M. (2013). Review of recent advances in carbon dioxide separation and capture. Rsc Advances3(45), 22739-22773. https://doi.org/10.1039/C3RA43965H
 
[7] Ho, M. T., Leamon, G., Allinson, G. W., & Wiley, D. E. (2006). Economics of CO2 and mixed gas geosequestration of flue gas using gas separation membranes. Industrial & engineering chemistry research45(8), 2546-2552. https://doi.org/10.1021/ie050549c
 
[8] Bernardo, P., Drioli, E., & Golemme, G. (2009). Membrane gas separation: a review/state of the art. Industrial & engineering chemistry research48(10), 4638-4663. https://doi.org/10.1021/ie8019032
 
[9] Van Der Sluijs, J. P., Hendriks, C. A., & Blok, K. (1992). Feasibility of polymer membranes for carbon dioxide recovery from flue gases. Energy Conversion and Management33(5-8), 429-436. https://doi.org/10.1016/0196-8904(92)90040-4
 
[10] Freeman, B. D., & Pinnau, I. (1999). Polymer membranes for gas and vapor separation (Vol. 733). Washington, DC, USA: American Chemical Society.
 
[11] Bondar, V. I., Freeman, B. D., & Pinnau, I. (2000). Gas transport properties of poly (ether‐b‐amide) segmented block copolymers. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics38(15), 2051-2062. https://doi.org/10.1002/1099-0488(20000801)38:15%3C2051::AID-POLB100%3E3.0.CO;2-D
 
[12] Bondar, V. I., Freeman, B. D., & Pinnau, I. (1999). Gas sorption and characterization of poly (ether‐b‐amide) segmented block copolymers. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics37(17), 2463-2475. https://doi.org/10.1002/(SICI)1099-0488(19990901)37:17%3C2463::AID-POLB18%3E3.0.CO;2-H
 
[13] Liu, S. L., Shao, L., Chua, M. L., Lau, C. H., Wang, H., & Quan, S. (2013). Recent progress in the design of advanced PEO-containing membranes for CO2 removal. Progress in Polymer Science38(7), 1089-1120. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2013.02.002
 
[14] Robeson, L. M. (1991). Correlation of separation factor versus permeability for polymeric membranes. Journal of membrane science62(2), 165-185. https://doi.org/10.1016/0376-7388(91)80060-J
 
[15] Yave, W., Car, A., & Peinemann, K. V. (2010). Nanostructured membrane material designed for carbon dioxide separation. Journal of Membrane Science350(1-2), 124-129. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2009.12.019
 
[16] Duan, K., Wang, J., Zhang, Y., & Liu, J. (2019). Covalent organic frameworks (COFs) functionalized mixed matrix membrane for effective CO2/N2 separation. Journal of Membrane Science572, 588-595. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.11.054
 
[17] Chung, T. S., Jiang, L. Y., Li, Y., & Kulprathipanja, S. (2007). Mixed matrix membranes (MMMs) comprising organic polymers with dispersed inorganic fillers for gas separation. Progress in polymer science32(4), 483-507. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2007.01.008
 
[18] Li, H., Song, Z., Zhang, X., Huang, Y., Li, S., Mao, Y., ... & Yu, M. (2013). Ultrathin, molecular-sieving graphene oxide membranes for selective hydrogen separation. Science342(6154), 95-98. https://doi.org/10.1126/science.1236686
 
[19] Shen, J., Liu, G., Huang, K., Jin, W., Lee, K. R., & Xu, N. (2015). Membranes with fast and selective gas‐transport channels of laminar graphene oxide for efficient CO2 capture. Angewandte Chemie127(2), 588-592. https://doi.org/10.1002/ange.201409563
 
[20] Lee, H., Park, S. C., Roh, J. S., Moon, G. H., Shin, J. E., Kang, Y. S., & Park, H. B. (2017). Metal–organic frameworks grown on a porous planar template with an exceptionally high surface area: promising nanofiller platforms for CO2 separation. Journal of Materials Chemistry A5(43), 22500-22505. https://doi.org/10.1039/C7TA06049A
 
[21] Karunakaran, M., Shevate, R., Kumar, M., & Peinemann, K. V. (2015). CO 2-selective PEO–PBT (PolyActive™)/graphene oxide composite membranes. Chemical Communications51(75), 14187-14190. https://doi.org/10.1039/C5CC04999G
 
[22] Li, Y., Wang, S., He, G., Wu, H., Pan, F. & Jiang, Z.  (2015). Facilitated transport of small molecules and ions for energy-efficient membranes. Chemical Society Reviews, 44(1), 103-118.
 
[23] Huang, G., Isfahani, A., P. Muchtar, A., Sakurai, K., Shrestha, B. B. (2018). Pebax/ionic liquid modified graphene oxide mixed matrix membranes for enhanced CO2 capture. Journal of membrane science, 565 370-37.
 
[24] Li, X., Cheng, Y., Zhang, H., Wang, S., Jiang, Z., Guo, R. (2015). Efficient CO2 capture by functionalized graphene oxide nanosheets as fillers to fabricate multi-permselective mixed matrix membranes.  ACS applied materials & interfaces 7(9) 5528-5537.
 
[25] Shin, J., E. Lee, S., K. Cho, Y., H.  (2019). Effect of PEG-MEA and graphene oxide additives on the performance of Pebax® 1657 mixed matrix membranes for CO2 separation.  Journal of Membrane Science 572 300-308
 
[26] Kheirtalab, M., Abedini, R., & Ghorbani, M. (2024). Pebax/poly (vinyl alcohol) mixed matrix membrane incorporated by amine‐functionalized graphene oxide for CO 2 separation.  Journal of Polymer Science 62(3), 517-535. https://doi.org/10.1002/pol.20230301