ساخت و شناسايي غشاي كامپوزيتي ماتريميد شبكه اي شده - پلي وينيليدن فلويوريد براي جداسازي گاز هيدروژن از نيتروژن

Preparation and Characterization of a Cross-linked Matrimid/Polyvinylidene Fluoride Composite Membrane for H2/N2 Separation

در پژهش حاضر، غشاي دولايه كامپوزيتي به روش پوشش ­دهي، به ­وسيله ماتريميد 5218 به­ عنوان لايه گزينشي بر غشاي نامتقارن متخلخل پلي­ وينيليدن فلويوريد به­ عنوان زيرلايه ساخته شد. اثر شبكه ­اي­ كردن شيميايي ماتريميد به­ كمك اتيلن دي­ آمين بر خواص انتقال گاز خالص در غشا بررسي شد. آزمون تراوايي گازهاي هيدروژن و نيتروژن در غشاهاي مدنظر در دماي °25 و فشار 2 تا 8bar انجام شد. ميكروسكوپي الكتروني پويشي براي مشاهدات شكل­ شناسي غشا به­ كار گرفته شد. غشاي ماتريميد پيش و پس از شبكه­ اي­ شدن به ­وسيله طيف­ سنجي زيرقرمز تبديل فوريه، پراش پرتو X و اندازه­ گيري چگالي بررسي شد. نتايج طيف‌سنجي زيرقرمز نشان داد، در اثر شبكه ­اي­ شدن، گروه ­هاي ايميدي زنجيرهاي ماتريميد به گروه­ هاي آميدي تبديل مي ­شوند. نتايج پراش پرتو X نشان داد، پس از شبكه‌اي­ شدن فاصله بين زنجيرهاي پليمر كاهش مي ­يابد. به­ كمك اندازه­ گيري چگالي و محاسبه حجم آزاد جزيي لايه گزينشي غشاها نشان داده شد، در اثر واكنش شبكه­ اي­ شدن، چگالي افزايش و حجم آزاد جزيي كاهش مي­ يابد. همچنين، با افزايش غلظت عامل شبكه ­اي­ كننده پليمر، تراوايي گازها در غشا به مقدار قابل توجهي كاهش مي­ يابد كه مي­ تواند ناشي از كاهش ضريب نفوذ گازها در اثر تراكم زنجيرهاي پليمر بوده و نشان داده شد، اين كاهش تراوايي، براي نيتروژن بيشتر از هيدروژن است. بر اثر اصلاح غشا به­ كمك شبكه ­اي­ كردن، گزينش ­پذيري H2/N2 در فشار bar 2 از 56/5 براي غشاي ماتريميد خالص به 79/4 براي غشاي كامپوزيتي شبكه ­اي شده با %12 وزني اتيلن دي ­آمين، افزايش يافت. اثر فشار بر تراوايي غشاها بررسي شد و نتيجه آن با كاهش تراوايي گازهاي داراي انحلال­ پذيري كم در اثر ازدياد فشار گاز در پليمرهاي شيشه‌اي مطابقت داشت. همچنين با افزايش فشار، گزينش ­پذيري H2/N2 براي غشاهاي داراي مقادير كم اتيلن دي ­آمين (%4-0) روند كاهشي دارد و سپس در مقدار %8 ثابت مي شود. در نهايت، با افزايش اتيلن دي­ آمين به %12 وزني گزينش­ پذيري تقريباً روند افزايشي دارد.

A double layer composite membrane was fabricated by matrimid 5218 as a selective layer on polyvinylidene fluoride (PVDF), a porous asymmetric membrane, as a sublayer. The effect of chemical cross-linking of Matrimid 5218 by ethylenediamine (EDA) was investigated on gas transport properties of the corresponding membrane. The permeability levels of hydrogen (H2) and nitrogen (N2) were measured through the fabricated composite membranes at 25°C under pressure range of 2-8 bar. Scanning electron microscopy (SEM) was used for morphological observations of the composite membranes. The Matrimid membranes before and after cross-linking modification were characterized by the Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, X-ray diffraction (XRD) and density measurement. The FTIR results showed the conversion of imide functional groups into amide through the crosslinking reaction in Matrimid. The XRD results demonstrated a reduction in d-spacing between the polymer chains through cross-linking reaction. Measuring the density of each membraneʹs partial selective layer and calculating the corresponding fractional free volume revealed an increase in the density and reduced free volumes in Matrimid through the cross-linking reaction. Moreover, by increasing the EDA concentration, the gas permeability in each membrane decreased significantly for nitrogen compared to hydrogen which could be related to lower gas diffusivity through chain packing due to cross-linking of the polymer. The H2/N2 selectivity at 2 bar increased through the cross-linking modification from 56.5 for the pure Matrimid to 79.4 for the composite membrane containing 12 wt% EDA. The effect of pressure on gas permeability through the composite membranes was investigated and the results found to be in agreement with the behavior of less soluble gases in the glassy polymers. Moreover, the H2/N2 selectivity decreased first at low EDA content (0-4 wt%), before reaching a constant value at 8 wt% EDA and finally increasing by 12 wt% EDA content.