عنوان پایان‌نامه
اصلاح حفرات غشای سرامیکی با نشاندن سیلیکای عامل دار شده و برای جداسازی انتخابی دی اکسید کربن
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1830.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 79615;کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1830.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 79615
- تاریخ دفاع
- ۳۱ شهریور ۱۳۹۵
- دانشجو
- سمیه کریمی
- استاد راهنما
- محمد اسماعیلی, یداله مرتضوی
- چکیده
- غشاهای سیلیکای عامل دار شده و سیلیکای خالص بر روی پایه گاما آلومینا که روی پایه آلفا آلومینا نشانده شده بود، از طریق روش سل-ژل با واکنش تراکمی همزمان ساخته شد. از غشاهای ساخته شده برای آزمایش جداسازی دی اکسید کربن (از نیتروژن، متان و هیدروژن) استفاده شد. پنج گروه عاملی جدید (استات، تری فلوئورو متیل، متااکریلات، اوره و وینیل) که دارای برهم کنش خوب با دی اکسید کربن بودند معرفی و استفاده شدند. غشاهای ساخته شده از جنبه های مختلف بررسی شدند. در یک بخش اثر تغییرات غلظت گروه عاملی استات در شبکه سیلیکا بررسی شد. در بخش دیگر اثر تغییر نوع گروه عاملی مطالعه شد و پنج گروه عاملی مختلف جهت جداسازی دی اکسید کربن مقایسه شدند. در قسمت دیگری خواص جذبی غشای عامل دار شده استات بررسی شد و مدل سازی ترمودینامیکی جذب این لایه سیلیکای عامل دار شده انجام شد. در بخش دیگری از کار اصلاح نواقص غشای MFI به وسیله لایه بسیار نازک سیلیکای خالص انجام شد و نتایج انتخابگری و پرمپورومتری قبل و بعد از اصلاح بررسی شد. در بخش پایانی کار، حفرات میکرونی و بزرگ پایه آلفا آلومینای چینی با روش نشاندن لایه گاما آلومینای درجه بندی شده تا حد خوبی پوشانده شد و جهت دو کاربرد استفاده شد. اولین کاربرد ساخت غشای کربنی و دومی ساخت غشای سیلیکای عامل دارشده با گروه عاملی اوره بود. کیفیت غشاهای ساخته شده از نظر توزیع اندازه حفره ها با آزمایش پرمپورومتری ارزیابی شد. نتایج پرمپورومتری نشان داد که سهم اصلی حفره ها برای تمام غشاهای عامل دار شده در محدوده میکروحفره بوده و حفره بزرگتر از 10 نانومتر برای تمام غشاهای تهیه شده وجود نداشته است. در مورد لایه های سیلیکای عامل دار شده، آنالیزهای FTIR ، 29Si MAS NMR و 13C MAS NMR موفقیت عامل دار شدن شبکه سیلیکا را نشان دادند. با پیچش زدایی منحنی از طیف 29Si MAS NMR محاسبه کمی درجه عامل دار شدن انجام شد. مقاومت حرارتی لایه های عامل دار شده با وزن سنجی حرارتی به دست آمد. تصاویر SEM نشان داد که در تمام غشاها لایه سیلیکای یکنواخت، هموار و نازکی با ضخامت کمتر از 100 نانومتر بر روی گاما آلومینا نشانده شده است. بررسی خواص جذبی غشای عامل دار شده نشان داد که نتایج انتخابگری CO2/N2، CO2/CH4 و CO2/H2 بر اساس جذب گازها در تطابق خوبی با نتایج انتخابگری با استفاده از غشا بوده است. در مجموع نتایج نشان داده که عامل دار کردن غشا با افزایش جاذبه نسبت به CO2، اثر مثبتی در افزایش انتخابگری دی اکسید کربن داشته است و غشاهای جدید عامل دار شده ساخته شده در این پژوهش نشان دادند که غشاهای عامل دار شده تراوش نسبتا بالایی از CO2 و انتخابگری خوب CO2 را داشتند. در بخش اول، غشای عامل دار شده با گروه استات (با نسبت مولی گروه عاملی برابر 4/0 در ماتریس سیلیکا) بالاترین انتخابگری CO2/N2 برابر 16به همراه تراوش CO2 برابر mol s-1 m-2 Pa-17-10× 12/5 را از خود نشان داد و بالاترین تراوش CO2 برابر mol s-1 m-2 Pa-17-10× 74/20 در کنار انتخابگری CO2/N2 برابر 5/7 برای غشای عامل دار شده با گروه استات (با نسبت مولی گروه عاملی برابر 2/0 در ماتریس سیلیکا) به دست آمد. در بخش دوم، غشاهای عامل دار شده با گروه فلوئوراید و وینیل در میان غشاهای مورد مطالعه، بالاترین مقدار انتخابگری CO2/N2را در دمای 253 کلوین داشتند (به ترتیب 02/10 و 2/9 ) و تراوش CO2 برای این دو غشا به ترتیب برابر mol s-1 m-2 Pa-17-10× 5/5 و mol s-1 m-2 Pa-17-10× 1/11 بوده است. عملکرد خوب غشاهای سیلیکای عامل دار شده تهیه شده در این پژوهش متاثر از اندازه حفره غشا و تحت تاثیر جاذبه غشا بوده و گرینه مناسبی را برای جداسازی CO2 پیشنهاد داده است.
- Abstract
- Functionalized and pure silica membranes were prepared via sol-gel and co-condensation methods on top of a ?-alumina on ?-alumina support. The membranes were evaluated for CO2 and (N2 or CH4 or H2) mixtures separation. Five organic functional groups (acetate, trifluoromethyl, methaacrylate, urea and vinyl) with different affinities to CO2 have been examined in preparation of functionalized silica. The synthesized membranes were studied on different sections: In the first section, the variation of acetate functional group molar ratios in silica matrix has been studied. Five functional groups in the same concentration in silica network have been studied in the second section. Adsorption properties of acetate functionalized silica was studied and compared with separation properties, in another section. A simple and reproducible method for deposition of an ultra-thin even layer of amorphous silica on MFI membranes for blocking defects has been developed in another section. In the last section, the abatement of large defects by graded ?-alumina layer has been done on a Chinese ?-alumina support and used for preparation of a carbonaceous membrane and the other for urea functionalized silica membrane. The quality of the membranes was evaluated by permporometry. According to permporometry results, the majority of the pores in the functionalized silica membranes wasmicropores and was not larger than ca. 10 nm. The presence of functional groups bonded to the silica network was confirmed successfully by FTIR and 29Si and 13C solid-state NMR analysis, Furthermore, the degree of functionality achieved for the membranes was quantified using single-pulse 29Si MAS NMR data. The stability of the groups was studied by TG analysis. The SEM images showed a uniform layer of silica with a thickness of less than 100 nm were coated on the top of the ?-alumina for all of prepared silica membranes. Selectivity results based on adsorption data for CO2/N2, CO2/CH4 and CO2/H2 was in a good agreement with membrane selectivity results whereas adsorption strength for the studied gases was in the range of CO2> CH4>N2>H2. The novel functionalized membranes appeared to have rather high CO2 permeances and moderate CO2/N2 selectivities. In the first section, the highest observed selectivity was 16 for acetate-functionalized silica membranes coupled with CO2 permeance of 5.12×10-7 mol s-1 m-2 Pa-1 (For the membrane with the functional groups molar ratio in the silica matrix of 0.4) and a CO2 permeance of 20.74×10-7 mol s-1 m-2 Pa-1 was obtained as the highest permeance where CO2/N2 selectivity was 7.5 (for the membrane with the functional groups molar ratio in the silica matrix of 0.2). In the second section, the functionalized silica membranes with fluoride and vinyl groups showed the maximum selectivity of 10.02 and 9.2 at 253 K with the corresponding CO2 permeances of 5.5 and 11.1 × 10-7 mol s-1 m-2 Pa-1, respectively. Separation performance of prepared functionalized silica membranes was not only affected by the pore size of the membrane, but also by the membrane affinity, suggesting an interesting option for CO2/N2 separation. Functonalized silica membrane, CO2 separation, Permporometry, Carbon deposition, Graded stuctured membrane.
