عنوان پایان‌نامه
سنتز غشای نانو کامپوزیت PDMS/POSS-Fumed silica برای جداسازی پروپان از گازهای هیدروژن، دی اکسید کربن و متان
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1678.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 72247;کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1678.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 72247
- تاریخ دفاع
- ۲۶ آبان ۱۳۹۴
- دانشجو
- ماشاالله رضاکاظمی
- استاد راهنما
- علی وطنی
- چکیده
- در این مطالعه، چندین نمونه از غشاهای نانو کامپوزیتی بر پایه پلیمر پلی دی متیل سیلوکسان (PDMS) و نانو ذرات Fumed Silica (FS) و Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes (POSS) برای بازیابی C3H8 از گازهای سبکی نظیر H2،CO2 و CH4 سنتز شدند. از روش وارونگی فاز برای سنتز غشاهای نانو کامپوزیت استفاده شد. غشاهای نانو کامپوزیت سنتز شده توسط تست‌های TEM، TGA-DTG، DTIR-ATR، DMTA، آزمایش تورم (دانسیته اتصالات عرضی) و هم‌چنین آزمایش‌های دانسیته، تراوایی و جذب مورد ارزیابی قرار گرفتند. تصاویر TEM نشان داد که نانو ذرات به‌صورت یکنواخت در شبکه پلیمری بدون ایجاد حفره‌ایی در فصل مشترک نانو ذرات و پلیمر PDMS پراکنده شده‌اند. این مطلب، بیان‌گر آن است که هر دو نانو ذره POSS و FS با گروه عاملی تری متیل سیلوکسی سازگاری قابل قبولی با پلیمر PDMS دارند. نتایج آزمایشگاهی از آزمون TGA نشان داد که افزودن 6 درصد وزنی از نانو ذرات POSS پایداری حرارتی غشا را 16 درصد و 15 درصد وزنی از نانو ذرات FS پایداری حرارتی غشا را 21 درصد نسبت به غشای خالص افزایش داد. افزودن همزمان از هر دو نانو ذرات، پایداری حرارتی غشای نانو کامپوزیت PDMS-FS 15%-POSS 2% را تا 26 درصد افزایش داد. از لحاظ ترمودینامیکی، برهم‌کنش دو قطبی – دو قطبی بین گروه‌های عاملی، مهم‌ترین پارامتر در پراکندگی خوب و پایداری حرارتی است. نتایج آزمون FTIR نشان داد واکنش اتصال عرضی به‌صورت کامل در کلیه غشاهای نانو کامپوزیت و در ماتریس پلیمر PDMS انجام شده است. آزمون DMTA نشان داد که دمای انتقال شیشه‌ای از ?C 72/124- برای غشای خالص به ?C 70/106- برای غشای نانو کامپوزیت دوتایی PDMS-FS 10%-POSS 2% افزایش یافته است. مدول یانگ غشای نانو کامپوزیت با 6 درصد وزنی از نانو ذرات POSS 31 درصد و با 15 درصد وزنی از نانو ذرات FS، 90 درصد نسبت به غشای خالص افزایش یافته است. حضور همزمان هر دو نانو ذرات، مدول یانگ غشای نانو کامپوزیت PDMS-FS 15%-POSS 2% را تا 157 درصد افزایش داد. از نوآوری‌های این رساله، ارائه غشای نانو کامپوزیت جدید PDMS-FS-POSS با خواص برجسته در جداسازی C3H8 از H2،CO2 و CH4 می‌باشد. از این‌رو، اثر پارامترهای مختلفی از قبیل فشار خوراک و مقدار نانو ذرات بر عملکرد غشاهای نانو کامپوزیت مورد مطالعه قرار گرفت. در مورد تمام گازهای مورد آزمایش، افزودن نانو ذرات FS در شبکه پلیمر باعث افزایش حلالیت گازها شد به‌طوری که افزودن 15 درصد وزنی از نانو ذرات FS، حلالیت گاز C3H8 را به‌میزان 17 درصد افزایش داد. علاوه بر این، این مقدار از نانو ذرات FS سبب افزایش تراوایی غشای نانو کامپوزیت به‌میزان 49 درصد شد. نانو ذرات POSS سبب کاهش حلالیت گازها گردید به‌طوری که افزودن 6 درصد وزنی از نانو ذرات POSS، حلالیت گاز C3H8 را به‌میزان 20 درصد کاهش داد. علاوه بر این، این مقدار از نانو ذرات POSS سبب کاهش تراوایی آن به‌میزان 18 درصد شد. در مجموع، غشای نانو کامپوزیت PDMS-FS 10%-POSS 2% به‌عنوان بهترین نمونه برای جداسازی پروپان از گازهای سبک معرفی گردید.
- Abstract
- In this study, a series of nanocomposite membranes based on poly(dimethylsiloxane) [PDMS] and polyhedral oligomeric silsesquioxanes (POSS) and fumed silica (FS) nanoparticles were synthesized for recovery of C3H8 from light gases including H2, CO2, CH4. The phase separation method was used for preparing nanocomposite membranes. The synthesized nanocomposite membranes were characterized by TEM, TGA-DTGA, FTIR-ATR, DMTA, swelling measurement (crosslink density) and also density, permeation and sorption experiments. TEM images showed homogeneous distribution of fillers nanoparticles within the polymer matrix without any visible macroscopic voids at the nanofillers-polymer interface. This indicated that both FS and POSS nanoparticles functionalized with trimethylsiloxy groups are compatible with polymer matrix. The experimental results obtained from TGA investigations showed that the incorporation of 6 wt.% POSS nanoparticles, 16 % increased the thermal stability of nanocomposite membranes while 15 wt.% FS nanoparticles increased 21 % as compare to the neat membrane. The incorporation of both nanoparticles increased the thermal stability of the PDMS-FS 15%-POSS 2% nanocomposite membranes to 26 %. Thermodynamically, dipole-dipole interaction between the functional groups is the main parameter leading to better dispersion and thermal stability. FTIR-ATR analysis exhibited that the crosslinking reaction had completely occurred within polymer matrix in the whole nanocomposite membranes. DMTA revealed that the glass transition temperature increased from -124.72 ?C for neat membrane to -106.70 ?C for PDMS-FS 10%-POSS 2%. The Young modulus for nanocomposite membranes with 6 wt.% POSS nanoparticles increased 31 % while 15 wt.% FS nanoparticles increased 90 % as compare to the neat membrane. The simultaneous presence of both nanoparticles increased the Young modulus of the PDMS-FS 15%-POSS 2% nanocomposite membrane to 175%. The innovation of this dissertation is to present novel PDMS-FS-POSS nanocomposite membranes with superior properties in separation of C3H8 from H2, CO2, and CH4. Hence, the effects of various parameters such as upstream feed pressure and nanofillers content on nanocomposite membranes performance were studied. For all tested gases, the incorporation of FS nanoparticles in polymer matrix, increased the solubility of gases so that the incorporation of 15 wt.% FS nanoparticles, increased the C3H8 solubility to 17 %. Moreover, this amount of FS nanoparticles increased the permeability of nanocomposite membrane to 49 %. The incorporation of POSS nanoparticles in polymer matrix, decreased the solubility of gases so that the incorporation of 6 wt.% POSS nanoparticles decreased the C3H8 solubility to 20 %. Moreover, this amount of POSS nanoparticles decreased the permeability of nanocomposite membrane to 18 %. In overall, the PDMS-FS 10%-POSS 2% nanocomposite membrane suggested that this membrane is very promising for propane recovery from light gases.
