عنوان پایان‌نامه
بررسی تاثیر افزودن نانوذره POSS برساختار و عملکرد غشای نانو کامپوزیت PMP/Fumed silica برای جدا سازی هیدروکربنهای سنگین از متان
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1890.
- تاریخ دفاع
- ۲۷ شهریور ۱۳۹۶
- چکیده
- جداسازی هیدروکربنهای سنگین از گاز متان یکی از مهم‌ترین فرآیندهای پالایش گاز طبیعی است که به‌لحاظ فنی و اقتصادی اجتناب‌ناپذیر است. غشاهای پلیمری گزینش‌گر معکوس به‌دلیل تراوش‌پذیری و گزینش‌گری زیاد در جداسازی بخارهای هیدروکربنی از متان امکان استفاده دارند. نانوکامپوزیت‌های پلیمرهای پلی‌استیلنی با حجم آزاد زیاد مانند پلی(4-متیل-2-پنتین) برای این کاربرد دارای مزیت‌های زیادی هستند، اما تجاری‌سازی و صنعتی شدن آن‌ها با چالش جدی روبرو است، چرا که معمولا این دسته از پلیمرها شدیدا دچار پدیده فرسودگی فیزیکی می‌شوند و پایداری عملکردی خود را از دست می‌دهند. در این رساله، کاربرد نانوذرات POSS و فیومد سیلیکا (FS) در ساخت غشاهای جدید نانوکامپوزیتی پلی(4-متیل-2-پنتین) (PMP) برای جداسازی هیدروکربنهای سنگین از متان مورد مطالعه قرار گرفت. با آنالیزهای ارزیابی ساختاری FTIR ، SEM، AFM، TGA، DTG و DSC ساختار شیمیایی، ریخت‌شناسی، توپولوژی و پایداری حرارتی نانوکامپوزیت‌های ساخته‌شده و برهم‌کنش‌های نانوذرات برهم و بر پلیمر مورد ارزیابی قرار گرفتند. سنجش تراوش‌پذیری گازهای خالص پروپان، متان، نیتروژن، دی‌اکسیدکربن و هیدروژن انجام گرفت و گزینش‌گری‌های ایده‌آل محاسبه شد. تراوش‌پذیری پروپان در فشار خوراک 9 بار و 25 درجه سانتی‌گراد در PMP و (PMP/3wt%POSS+20wt%FS) به‌ترتیب barrer 6420 و barrer 7576 به‌دست آمد. افزودن POSS و FS به پلیمر تاثیر شگرفی بر میزان جذب گازهای مورد مطالعه در غشاهای ساخته‌شده نداشت. پس می‌توان این‌گونه نتیجه گرفت که تغییرات تراوش‌پذیری عمدتا به‌علت تغییر ضریب نفوذپذیری و حجم آزاد نانوکامپوزیت رخ داده‌است که با چگالی سنجی و ارزیابی حجم آزاد در تطابق می‌باشد. ضرایب تراوش‌پذیری هیدروژن، نیتروژن و متان در غشای PMP خالص ظرف 120 روز به‌ترتیب % 31، % 41 و % 50 کاهش یافتند. این پدیده ناشی از آسایش تدریجی حجم آزاد اضافی غیرتعادلی در پلیمرهای شیشه‌ای و متراکم شدن پلیمر است. شدت کاهش ضریب تراوش‌پذیری در 30 تا 40 روز نخست بیشتر بود و پس از یک بازه زمانی اولیه از شدت روند کاهش تراوش‌پذیری کاسته‌شد. با استفاده از نانوذرات POSS و FS، روشی کاربردی برای کنترل فرسودگی فیزیکی PMP و بهبود پایداری حرارتی بدون اینکه باعث از بین رفتن تراوش‌پذیری و گزینش‌گری شود ارائه شد. ضریب تراوش‌پذیری متان در غشای نانوکامپوزیت (PMP/3wt%POSS+20wt%FS) طی 120 روز % 5 کاهش یافت که نسبت به سایر نمونههای مورد مطالعه بهترین وضعیت را از نظر پایداری داشت و همچنین غشای مورد اشاره بهترین عملکرد را در جداسازی پروپان از متان از خود نشان داد.
- Abstract
- Heavy hydrocarbon vapor separation from methane as one of the most important stages in natural gas processing, is inevitable due to economical and engineering considerations. Reverse selective polymeric membranes are capable in hydrocarbon vapor separation from methane due to their large permeability and selectivity. Nanocomposites of high free volume polyacetylene polymers such as poly(4-methyl-2-pentyne) have many advantages for this application, but their commercialization is facing with strong challenges because this kind of polymers suffer severe physical ageing and loos the performance stability. In this dissertation, the application of POSS and FS nanoparticles in fabrication of novel PMP nanocomposites for heavy hydrocarbon recovery was studied. The characterization analysis of FTIR, SEM, AFM, TGA, DTG, and DSC were manipulated to evaluating the chemical structure, morphology, topology, and thermal stability of nanocomposites, and study the interactions between nanoparticles and polymer. The single gas permeability coefficients of propane, methane, nitrogen, carbon dioxide, and hydrogen were obtained, and ideal selectivities were calculated. The permeability coefficients of propane in PMP, and (PMP/3wt%POSS+20wt%FS) obtained 6420, and 7576 barrers, respectively in 9 bar feed pressure and 25 ?C. The sorption isotherms of studied gases were not affected significantly by addition of POSS and FS. So, it can be concluded that the alteration of permeability coefficients is a consequence of diffusivity coefficients shift and free volume of nanocomposites which in agreement with density and free volume studies in this work. The permeability coefficients of hydrogen, nitrogen, and methane in pure PMP decreased by 31%, 41%, and 50%, respectively over 120 days. This phenomenon is due to gradually relaxation of excess nonequilibrium free volume in glassy polymers. The decline rate of permeabilities is larger in the first 30-40 days, and then it decreased after an initial stage. A practical method was presenten for suppression of physical aging in PMP by incorporation of POSS, and FS. The permeability coefficient of methane in (PMP/3wt%POSS+20wt%FS) decreased by 5% over 120 days, which shows to be the best sample in suppression of physical aging in addition to its best initial separation performance in C3/C1 among the samples.
