اثر پارامترهاي ساخت غشاي نامتقارن ماتريس تركيبي ماتريميدMIL-53/ PMHS بر جداسازي CO2 از CH4

Fabrication Parameters of Asymmetric Mixed Matrix Matrimid-MIL-53/PMHS Membrane for CO2/CH4 Separation

در اين مقاله، غشاي نامتقارن ماتريس تركيبي ماتريميد MIL-53، با لايه پوشسي سيليكوني (PMHS) ساخته شد. سه پارامتر اصلي در ساخت اين غشاي نامتقارن شامل غلظت پليمر ماتريميد، غلظت پليمر لايه پوششي و درصد ذرات چارچوب آلي-فلزي MIL-53 با روش طراحي آزمون بهينه‌سازي شد. سپس، تراوايي گاز CO2 و CH4 در تمام غشاهاي ساخته شده اندازه‌گيري شد. براي بررسي ساختار غشا، ساختار سطح مشترك پليمر و ذرات و اثر تغيير پارامترهاي ساخت در ساختار غشا، تصاوير SEM از سطح مقطع آن‌ها گرفته شد. همچنين، آزمون‌هاي TGA و FTIR براي بررسي مقاومت گرمايي غشا و پيوندهاي موجود در آن انجام شد. نتايج نشان داد، غشاهاي ساخته شده ساختارمتخلخل با حفره‌هاي انگشتي داشته و در درصدهاي كم تا متوسط از ذرات افزوده شده، فضاهاي خالي گزينش‌ناپذير در سطح مشترك تشكيل نشده است. مقاومت گرمايي غشا با افزودن ذرات MIL-53 افزايش يافت و دماي شكست پليمر از 410 به 450 درجه سلسيوس افزايش يافت. نتايج تراوايي غشاها نشان داد، بيشترين مقدارگزينش‌پذيري CO2/CH4 23.6 مربوط به غشاي ماتريميد (wt %20)-MIL53 (wt %15)/PMHS(wt %10) بود. اگرچه در غشاهاي حاوي 30% وزني ذرات به دليل تجمع آن‌ها و وجود شكاف، گزينش‌پذيري كاهش يافت و به 7.5 رسيد. نتايج طراحي آزمون نشان داد، پارامتر غلظت لايه پوششي با اهميت است و با افزايش غلظت پليمر، گزينش‌پذيري افزايش مي‌يابد. در حالي كه غلظت پليمر لايه گزينش‌پذير در محدوده آزمون شده، اثر معناداري بر عملكرد غشا نداشت. بهينه‌سازي پارامترها نشان داد، غشاي حاوي %15.5 وزني ذرات با غلظت پليمر %17.8 و غلظت لايه پوششي %13.2 بيشترين مقدار گزينش‌پذيري و تراوايي CO2 را دارد.

Asymmetrically mixed matrix Matrimid-MIL-53 membranes with silicone cover layer were fabricated. For better understanding of membrane fabrication process, three main parameters of fabrication, Matrimid concentration, silicone concentration and weight percentage of metal organic framework (MIL-53) particles, were optimized by an experimental design method. Cross-section SEM images were used to study the membrane structure and polymer-particles interface. Moreover, thermal resistance of the membranes and the existence of various bonds in them were investigated by FTIR and TGA analyses. The results showed that membranes had porous structure with finger-like morphology. At low and moderate percentages of particles, there were no non-selective voids observed at polymer-particles interface. The thermal resistance of membranes increased with the increase of MIL-53 weight percentage and the destruction temperature of polymer increased from 410°C to 450°C. The permeability tests results showed that the Matrimid (20% wt)-MIL-53(15% wt)/PMHS (10%wt) membrane exhibited the highest level of CO2/CH4 selectivity (23.6). However, in the membrane with 30 wt% particles loading, selectivity decreased due to particles agglomeration and void formation. The experimental design results showed that the concentration of silicone in covering solution had significant effect. CO2 and CH4 permeability decreased and ideal selectivity of CO2/CH4 increased with silicone concentration enhancement. Although the Matrimid concentration had a little effect on CO2/CH4 ideal selectivity, its enhancement increased the selectivity of the gases. The optimization results showed the membrane with 17.8% of Matrimd polymer, 13.2% of silicone polymer and 15.5 wt% of MIL-53 particle displayed the highest selectivity and CO2 permeability.