غشاي ماتريس تركيبي پلي‌(4-متيل-1-پنتين) پرشده با ذرات MIL 53 و كاربرد آن در جداسازي مخلوط كربن دي‌اكسيد و نيتروژن

A Mixed Matrix Membrane of Poly (4-methyl-1-pentyne) Filled with MIL 53 Particles and Its Application in Carbon Dioxide and Nitrogen Separation

دراين پژوهش، عملكرد غشاي ماتريس تركيبي پلي‌(4- متيل-1-پنتين) حاوي ذرات MIL 53 در جداسازي كربن دي‌اكسيد از نيتروژن بررسي شده است. ذرات MIL 53 با مقادير وزني 10، 20 و %30 به ماتريس پليمري اضافه شدند. همچنين، قابليت جذب گازهاي CO2 و N2 به‌وسيله ذرات MIL 53 بررسي و داده­‌هاي جذب به‌كمك معادله لانگمير ارزيابي شدند. ساختار و خواص گرمايي و مكانيكي غشاهاي حاصل با روش­‌هاي FT-IR، SEM، TGA و آزمون كشش ارزيابي شد. همچنين، خواص گازتراوايي غشاهاي حاصل به‌كمك گازهاي خالص CO2 و N2 سنجيده شد. افزون بر اين، براي درك دقيق‌تر خواص تراوايي غشاها ضرايب نفوذ و انحلال‌پذيري گازها در غشاي پليمري و غشاهاي ماتريس تركيبي محاسبه شد. نتايج TGA حاكي از بهبود دماي تخريب غشاهاي ماتريس تركيبي است، به‌طوري كه دماي تخريب غشاي حاوي %30 وزني از ذرات MIL 53 به 348?C افزايش يافت. نتايج SEM نيز پخش نسبتاً يكنواخت ذرات در ماتريس پليمري غشاها را به همراه فصل مشترك مناسب پليمر-ذره نشان دادند. نتايج گازتراوايي نشان داد، تراوايي هر دو گاز (به‌ويژه CO2) با افزايش درصد وزني ذرات در غشا، افزايش يافت، به‌طوري كه تراوايي CO2 از 98/74Barrer در غشاي پليمري به 217/65Barrer در غشاي حاوي %30 وزني از ذرات افزايش يافت. همچنين، محاسبه گزينش‌پذيري گازها حاكي از افزايش گزينش‌پذيري CO2/N2 از 16/66 به 22/70 بوده است. در نهايت، عملكرد غشاهاي ماتريس تركيبي با حد رابسون در جداسازي CO2/N2 مقايسه و نتايج بيانگر غلبه عملكرد غشاي ماتريس تركيبي حاوي %30 وزني از ذرات MIL 53 بر حد رابسون بوده است.

The performance of poly (4-metyl-1-pentyne) as mixed matrix membrane (MMM) mixed with MIL 53 particles was studied to separate mixtures of carbon dioxide and nitrogen. MIL 53 particles was added to the polymer matrix with 10, 20 and 30 weight percentages. The adsorption of CO2 and N2 gases by MIL 53 was evaluated and the adsorption data was analyzed by Langmuir equation. Structure and thermal/mechanical properties of prepared membranes were characterized by means of FTIR, SEM, TGA and elongation test. Moreover, the gas permeation properties of membranes were studied by measuring the permeation of pure CO2 and N2. Furthermore, for accurate understanding of the gas permeation properties of the membranes, diffusion and solution coefficient of gases in neat membrane and MMMs were calculated using modified time-lag method. The results from TGA analysis showed that the degradation temperature of MMMs was enhanced and increased to 348?C for membrane containing 30 wt% of MIL 53. The SEM images also illustrated a relatively uniform dispersion of particles with proper polymer/filler interfaces in the polymer matrix. The gas permeation results revealed that the permeability of both gases (especially CO2) increased with increasing MIL 53 loading, in which the permeability of CO2 increased from 98.74 Barrer in neat membrane to 217.65 Barrer in MMM containing 30 wt% filler. Moreover, calculation of CO2/N2 selectivity depicted that the selectivity enhanced from 16.66 to 22.70. Finally, the performance of MMMs was compared with Robeson’s upper bound in CO2/N2 separation and results showed that the MMM having 30 wt% of MIL 53 took over the Robeson bound.