بخشی از مقاله
خلاصه
طی این پژوهش، غشاهای آلیاژی پلی اتر سولفون - PES - و پلی اتیلن گلایکول - PEG - از ترکیب کردن پلی اتیلن گلایکول با وزنهای مختلف مولکولی به عنوان پلیمر افزوده شونده و پلی اتر سولفون به عنوان پلیمر اصلی تهیه شدند. به منظور تعیین خواص شکل شناسی غشاها از تصاویر SEM استفاده گردید. اثر فشار بر تراوایی دیاکسید کربن بررسی و مشخص شد با افزودن فشار از 4 تا 10 بار تغییر قابل ملاحظهای در تراوایی گاز ایجاد نمیشود. نتایج نشان میدهد تقریبا در تمام موارد افزودن پلی اتیلن گلایکول به ساختار غشا باعث افزایش تراوایی CO2 و در نتیجه باعث افزایش گزینش پذیری CO2/CH4 می شود.
.1 مقدمه
در حال حاضر غشاها جایگاه ویژه ای در صنایع مختلف پیدا کردهاند و کاربردهای وسیعی در زمینههای گوناگون جداسازی اعم از محلولهای مایع و گازها یافتهاند؛ که از جمله میتوان به کاربرد در صنایع پالایشگاهی و صنایع شیمیایی برای جداسازی گاز یا مخلوط گازها نام برد. وجود منابع عظیم گاز و نقش روبه رشد آن در فرایندهای مختلف مانند تولید برق، انرژی حرارتی و سوخت باعث توجه مضاعف به فرایندهای جداسازی گاز میگردد .[1]
پلیمرهای آلی مورد استفاده در فرایندهای غشایی همیشه دارای ساختار شیمیایی و خواص سطحی مطلوب و متناسب با کاربردهای آن ها در فرایندهای جداسازی نیستند، لذا جهت اصلاح ساختار غشا از روشهای مختلف استفاده میکنند. اصولا چهار روش مهم برای بهبود مشخصههای جداسازی پلیمرها وجود دارد که شامل، اتصالات عرضی1، پیوند زنی 2، آلیاژ سازی - 3آمیخنه سازی - ، کوپلیمریزاسیون 4 و افزودن نانو ذرات معدنی به بستر پلیمر میباشد.
[2] از میان این روشها آمیخته سازی پلیمرها به عنوان روشی مطلوب استفاده میشود.آمیخته سازی پلیمرها به منظور تولید غشاهای پلیمری جدید، یکی از تلاش های پژوهشگران در جهت افزایش کارایی و بهبود ویژگیهای غشاهای پلیمری در جداسازی گاز است .[3] غشاهای جداسازی گاز تهیه شده به روش آمیخته سازی خواص مکانیکی بهبود یافته و تراوایی بیشتری نشان داده اند. در دهه اخیر، پژوهش های زیادی برای ارتقای کارایی غشا با استفاده از پلی اترها انجام شده است. پلی اتیلن گلایکول به علت داشتن زنجیره انعطاف پذیر و نفوذ پذیری گازهای متان و دیاکسید کربن در آن، عمده ترین پلی اتر به کار گرفته شده در غشاهای آمیختهای میباشد .[4]
از میان غشاها، غشاهای پلیمری به دلیل تولید کم هزینه و کارایی اقتصادی معقول، جایگزین مطلوبی برای فرایندهای رایج مانند تقطیر سرمایشی و جذب سطحی هستند. از دیدگاه مواد سازنده غشا، اغلب پلیمرهای صنعتی موجود در تهیه غشا به کار گرفته شدهاند. انتخاب ماده سازنده غشا اختیاری نیست بلکه بر اساس خواص فیزیکی و شیمیایی گوناگون انجام میشود .[5] برای دستیابی به غشا با کارایی بالا غشایی مرکب از دو پلیمر پلی اتر سولفون و پلی اتیلن گلایکول تهیه، سپس عملکرد جداسازی گازهای دی اکسید کربن و متان را توسط غشای ساخته شده بررسی مینماییم.
لی1 و همکاران، اثر افزایش پلی اتیلن گلایکول را بر تراوشپذیری و گزینشپذیری غشاهای ترکیبی سلولز استات بررسی کردند. آنها نشان دادند وزن مولکولی بیشتر پلی اتیلن گلایکول باعث پرکردن زنجیرههای بین پلیمری غشای آمیختهای CA/PEG میشود. چرا که ضرایب تراوایی تمام گازها به استثنای دیاکسید کربن تمایل بارزی به کاهش با افزایش وزن مولکولی پلی اتیلن گلایکول در غشاهای آمیختهای دارد.
به طور کلی، نفوذ پذیری دی اکسید کربن در CA با آمیخته سازی PEG20000 افزایش ولی انحلال پذیری آن کاهش مییابد. همچنین، افزایش ترکیب درصد PEG20000 در غشای ترکیبی باعث افزایش گزینش پذیری CO2/N2 و کاهش گزینش پذیری CO2/CH4 میشود.آنها بهترین غشا را شامل 20 درصد PEG20000 دانسته اند که در این غشا تراوشپذیری دی اکسید کربن از مقدار 5/96 برر در غشای خالص سلولز استات به 7/49 برر در غشای ترکیبی شامل 10 درصد PEG20000 افزایش داشته و همچنین گزینش پذیری برای جفت گاز CO2/N2 از 25/8 به 36/2 افزایش داشته است .[6]
وایو و همکاران با بررسی تراوایی گاز و حجم آزاد غشای آمیخته ای پلی - آمید--b اتیلن اکساید - - پلی اتیلن گلایکول نتیجه گرفتند که در غشاهای لاستیکی شکل، تراوایی و گزینش پذیری را میتوان به وسیله تغییر حجم آزاد کل، یعنی از راه کاربرد یک نرم کننده مناسب - مانند پلی اتیلن گلایکول - که بر حجم آزاد کل تاثیر گذار است کنترل شود .[7] کیم2 و همکاران خواص گاز عبوری از غشای کوپلیمری پلی سولفون/ پلی اتیلن اکساید را بررسی کردند.
آنها غشاهایی با ترکیب درصد مختلف پلی اتیلن اکساید - بین31-9 درصد وزنی - ساختند و اثر سگمنت پلی اتیلن اکساید را در ساختار غشا ارزیابی کردند. انتظار میرفت که در اثر افزایش سگمنتهای بیشکل و انعطاف پذیر پلی اتیلن اکساید مناطق انعطاف ناپذیر پلیمر شیشهای پلی سولفون را در بر گیرد و سبب افزایش تراوش پذیری گازها، مخصوصا تراوش پذیری گاز CO2 شود. زیرا سگمنتهای پلی اتیلن اکساید شامل گروههای قطبی اتر و اکسیژن برهمکنش خوبی با مولکولهای CO2 داشته و در نتیجه آن جذب بالایی از CO2 بوجود میآید. به هر حال با افزایش درصد پلی اتیلن اکساید تراوش پذیری همه گازها به طور ناگهان کاهش یافت .[8]
.2 مواد آزمایشگاهی
پلی اتر سولفون ساخت شرکت BASF آلمان در تهیه غشاها مورد استفاده قرار گرفت. پلی اتیلن گلایکول با وزنهای مولکولی 4000، 6000 و 10000 و حلال دی متیل فرمامید - DMF - ساخت شرکت مرک تهیه گردید. گازهای متان و دی اکسید کربن به ترتیب با خلوص %99,9 و %99,5 از شرکت اردستان گاز اصفهان تهیه و مورد استفاده قرار گرفتند.
.3 روش ساخت غشا
غشای خالص پلی اتر سولفون و غشاهای مرکب پلی اتر سولفون/ پلی اتیلن گلایکول از روش وارونگی حرارتی تهیه شدند. برای ساخت غشاها ابتدا یک محلول 10 درصد وزنی پلیمر با انحلال پلیمر در حلال دی متیل فرمامید به مدت 4 ساعت تحت اختلاط مداوم در دمای 60 درجه سانتی گراد قرار گرفت. در مرحله بعد، محلول تهیه شده بر روی صفحه شیشهای تمیز - پتری دیش - ریخته شد. غشا تهیه شده به مدت 24 ساعت در دمای 60oC قرار گرفت. پس از آن غشای تهیه شده به منظور تبخیر کامل حلال به مدت 4 ساعت درون آون خلا در دمای 60 درجه سانتی گراد قرار گرفت. غشاهای تهیه شده دارای ضخامت 40 تا 60 میکرون بودند. ضخامت غشاها توسط یک میکرومتر اندازهگیری شد.
.4 نحوه اندازه گیری و محاسبات
تراوایی گاز به کمک دستگاه فشار ثابت نشان داده شده در شکل 1 اندازه گیری شد. در این روش فشار پایین دست فشار محیط میباشد و تغییرات حجم گاز عبور کرده از غشا ثبت میگردد.
نمایی از دستگاه آزمون غشا
همانطور که مشاهده میکنید گاز از بالا دست غشا وارد شده و دبی گاز عبور کرده از غشا با اتصال پایین دست به ستون آب اندازه گیری میشود. با اندازه گیری میزان تغییرات ارتفاع ستون آب نسبت به زمان دبی گاز عبوری از غشا بدست میآید. در روش زمان تاخیر تغییرات ارتفاع ستون آب بر حسب زمان ترسیم خواهد شد. منحنی حاصل مانند شکل 2 میباشد.
