جداسازي كربن دي اكسيد- نيتروژن با استفاده از غشاهاي نانوكامپوزيتي اتيلن-پروپيلن دي ان مونومر- نانولوله هاي كربن چندديواره

CO2/N2 Gas Separation Using Nanocomposite Membranes Comprised of Ethylene-Propylene-Diene Monomer/Multi-Walled Carbon Nanotubes (EPDM/MWCNT)

در اين پژوهش، غشاي نانوكامپوزيتي اتيلن پروپيلن دي ان مونومر- نانولوله هاي كربن چندديواره EPDM/MWCNT( ( به روش ريخته گري محلول، تبخير حلال و شبكه اي كردن پليمر ساخته شد و براي جداسازي گازهاي كربن دي اكسيد و نيتروژن به كار گرفته شد. بدين منظور، از نانولوله هاي كربن چندديواره خالص و عامل دارشده استفاده شد. اثر افزودن مقادير مختلف ) 0 تا % 4 وزني( از نانولوله هاي خالص و عامل دار بر عملكرد غشاي نانوكامپوزيتي بررسي شد. از آزمون هاي طيف سنجي زيرقرمز ) FTIR ( و ميكروسكوپي الكتروني پويشي گسيل ميداني FESEM( ( براي ارزيابي ساختار و شكل شناسي نانولوله ها و غشا استفاده شد. وجود گروه هاي عاملي كربوكسيليك اسيد با مقايسه طيف هاي FTIR حاصل از نانولوله هاي خالص و عامل دار تاييد شد. تصاوير FESEM غشاهاي نانوكامپوزيتي، پراكنش مناسب نانولوله هاي خالص در غلظت كم و كلوخه شدن نانولوله ها در ماتريس EPDM را براي غلظت هاي بيش از % 1 وزني شان داد. افزودن نانولوله هاي كربن چندديواره، خواص مكانيكي غشا شامل استحكام كششي، مدول يانگ و ازدياد طول تا پارگي را به مقدار قابل توجهي بهبود بخشيد. با افزايش مقدار نانولوله هاي كربن تا % 75 / 0 وزني، تراوايي گازهاي كربن دي اكسيد و نيتروژن و گزينش پذيري كربن دي اكسيد- نيتروژن افزايش يافت. در مقادير بيشتر، همراه با افزايش تراوايي، به دليل افزايش كلوخه شدن نانولوله ها گزينش پذيري كاهش يافت. افزون بر اين، عامل داركردن باعث بهبود پراكنش نانولوله ها، خواص مكانيكي و عملكرد جداسازي غشاي نانوكامپوزيتي شد. به طوري كه با عامل داركردن نانولوله ها، تراوايي كربن دي اكسيد و گزينش پذيري كربن دي اكسيد-نيتروژن در غشاي بهينه )% 75 / 0 وزني از نانولوله كربن عامل دار( به ترتيب از 37/95 Barrer و 03 / 18 به 57/57 Barrer و 43 / 23 افزايش يافت. در دماي محيط با ازدياد فشار، تراوايي هر دو گاز در غشاي نانوكامپوزيتي افزايش يافت، در حالي كه گزينش پذيري تغ يير قابل توجهي نداشت.

Nanocomposite membranes of ethylene-propylene-diene monomer/multiwalled carbon nanotubes (EPDM/MWCNT) were prepared by solution casting, solvent evaporation and cross-link technique to be applied in CO2/N2 gas separation. Both simple and functionalized MWCNTs have been used. The effect of incorporated different amounts multiwalled carbon nanotubes (0-4 wt%), of both simple and functionalized types, on the performance of nanocomposite membranes was studied. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and field emission scanning electron microscopy (FESEM) were used to evaluate the structural/morphological observations of nanocomposite membranes. Comparing the FTIR results of pure and functionalized nanotubes confirmed the presence of carboxylic groups on the functional carbon nanotubes. The FESEM images indicated that at low concentrations, carbon nanotube particles were dispersed well in the EPDM matrix, but they formed agglomerates at concentrations beyond 1 wt%. By incorporation of MWCNTs, the mechanical properties of nanocomposite membranes including tensile strength, Youngʹs modulus and elongation-at-break considerably were improved. By increasing carbon nanotube loading up to 0.75 wt%, the permeability of both CO2 and N2 and the CO2/N2 selectivity increased. Further loading led to higher permeability of CO2/N2, while the selectivity of the system decreased that could be attributed to further agglomeration of carbon nanotube particles. Furthermore, functionalization of carbon nanotubes improved their dispersion and the mechanical properties and gas separation performance of nanocomposite membranes. Through functionalizing of MWCNTs, both the CO2 permeability and CO2/ N2 selectivity of the optimum membrane (0.75 wt% MWCNTs) increased from 37.95 and 18.03 Barrer to 57.57 and 23.43 Barrer, respectively. At ambient temperature, by the increase in feed pressure a slight increase in the permeability of both CO2 and N2 gases was observed, while the CO2/N2 selectivity was not highly affected.