عنوان پایان‌نامه
بررسی عملکرد غشای ماتریس آمیخته نانو زئولیتی FAU در جداسازی گازهای زنون و کریپتون
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی - طراحی فرآیندهای جداسازی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1628.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 69877
- تاریخ دفاع
- ۰۲ شهریور ۱۳۹۴
- دانشجو
- حامد نوریان اهری
- استاد راهنما
- سیدمحمدعلی موسویان
- چکیده
- در این پژوهش از غشاهای پلیمری پلی ¬¬دی¬¬ متیل سیلوکسان (PDMS) برای جداسازی گاز زنون از کریپتون استفاده گردید. جهت بهبود خواص غشاهای پلیمری در این تحقیق، نانو ذرات زئولیتی به آن افزوده شد. برای سنجش عملکرد غشاهای ماتریس آمیخته مذکور در جداسازی گاز زنون از کریپتون، دستگاه تست تراوایی گازی غشایی طراحی و ساخته شد. نانو ذرات زئولیت NaX از خانواده زئولیت فوجاسیت (FAU) به‌عنوان فاز پراکنده انتخاب و به دو روش هیدروترمال و هیدروترمال در شرایط آب فوق بحرانی سنتز شد. همچنین برای بهبود خواص جذبی نانو زئولیت¬ کاتیون نقره (Ag) به روش تبادل یون به ساختار زئولیت اضافه شد. نانو ذرات و غشاهای سنتز شده با آنالیزهایی مانند XRD، FTIR، XRF، BET و SEM مشخصه یابی گردیدند. همچنین اثر پارامترهای مختلف مانند نوع غشا (درصد وزنی نانو ذرات در ماتریس پلیمری، افزودن کاتیون نقره به ساختار زئولیت، نسبت بین حلال و پلیمر …) و فشار عملیاتی بررسی شد. با توجه به قیمت بالای گازهای زنون و کریپتون، آزمایش-های تراوایی گازی ابتدا با گازهای دی¬اکسید کربن و نیتروژن صورت پذیرفت و غشای ماتریس آمیخته حاوی نانو زئولیت AgX به‌عنوان حالت بهینه انتخاب و اثر پارامتر فشار و درصد وزنی نانو ذرات برای جداسازی گازهای زنون و کریپتون بررسی شد. نتایج به‌دست‌آمده از تست تراوایی و انتخاب پذیری گازها نشان داد با افزایش درصد وزنی نانو زئولیت NaX، میزان تراوایی گاز دی¬اکسید کربن و نیتروژن افزایش می¬یابد. انتخاب پذیری دی¬اکسید کربن نسبت به نیتروژن نیز با افزایش درصد وزنی نانو زئولیت افزایش پیدا می¬کند به‌طوری‌که انتخاب پذیری از 35/3 در 5 درصد وزنی به 2/8 در 20 درصد وزنی نانو زئولیت افزایش می¬یابد. با افزودن کاتیون نقره میزان انتخاب پذیری در غشای حاوی 20 درصد وزنی زئولیت AgX نسبت به غشای ماتریس آمیخته حاوی زئولیت NaX، % 36 افزایش پیداکرده است. برای گاز زنون و کریپتون نیز با افزایش درصد وزنی نانو ذرات میزان تراوایی هر دو گاز افزایش پیدا می¬کند. انتخاب پذیری زنون نسبت به کریپتون نیز با افزایش درصد وزنی نانو زئولیت افزایش پیدا می¬کند به‌طوری‌که انتخاب پذیری از 42/1 در غشای PDMS به 2/5 در غشای ماتریس آمیخته حاوی 20 درصد وزنی نانو زئولیت AgX افزایش پیدا می¬کند. با افزایش فشار انتخاب پذیری گازهای مورد آزمایش افزایش می¬یابند به‌طوری‌که در غشای ماتریس آمیخته PDMS-AgX انتخاب پذیری گاز زنون نسبت به کریپتون از 28/4 در فشار 150 کیلو پاسکال به 16/7 در فشار 450 کیلو پاسکال افزایش می¬یابد. ولی تأثیر فشار بر روی تراوایی گازها اثرات متفاوتی دارد. برای گازهای نیتروژن، کریپتون و زنون تراوایی با افزایش فشار کاهش می¬یابد ولی برای گاز دی¬اکسید کربن، افزایش می¬یابد.
- Abstract
- In the current research, the feasibility of xenon and krypton gases separation through membrane was studied. Polydimethylsiloxan was used as polymer and nano zeolite NaX (a member of FAU family) is incorporated into polymeric matrix to modify membrane performance. Nanoparticles have been synthesized via either the hydrothermal or the supercritical water hydrothermal method. To enhance nano zeolite characteristics, Ag cations was added to zeolite structure using ion-exchange method. Synthesized Nanoparticles and membranes were characterized using XRD, FTIR, XRF, BET and SEM analysis. The influence of different parameters like type of membrane (nanoparticles load, Ag cation adding, solvent to polymer ratio and etc.) along with operational pressure were assessed. Due to high cost of xenon and krypton gases, permeability experiments were first measured for mixture of carbon dioxide and nitrogen and it was concluded that mixed matrix membrane containing AgX zeolite reveals the optimized properties. Proceeding that, the impact of pressure and nanoparticles percentage to separate xenon and krypton were measured. Permeability and selectivity tests showed that with increasing of NaX loading, permeability of CO2 and N2 are increased. CO2 selectivity to N2 was enhanced via increasing of nanoparticles percentage; in a way that selectivity was changed from 3.35 to 8.2 for 5 and 20% of nanoparticles (Wt.) respectively. Adding 20% (wt) Ag cations modified selectivity of membrane up to 36%, in comparison to NaX mixed matrix membrane. For xenon and krypton, permeability of both gases was enhanced too. Selectivity of xenon to krypton was also increased via increasing of nano zeolite, in a way that selectivity of PDMS was shifted from 1.42 to 5.2 in mixed matrix membrane containing 20% (wt.) of AgX. Although Pressure increase ended with higher selectivity, its influence on permeability of gases were different and did not show the same trend. For gases with low solubility like nitrogen, krypton and xenon, increasing of pressure declined permeability in PDMS and mixed matrix. However for gases with high solubility like CO2, pressure increase resulted in increase of permeability, probably because CO2 is able to soften the polymeric matrix.
