Elahe Ahmadi Feijani

در این پژوهش از MOF-5 و نمونه‌های دوپ شده آن با یون‌های Cd2+ و Co2+ به عنوان پرکننده برای ساخت غشاهای ماتریس مختلط در ماتریس پلیمری پلی(اتر-بلاک-آمید) استفاده شد. غشاهای حاصل برای جداسازی دو گاز CO2 و N2 مورد تست قرار گفتند. در میان این سری از غشاها، غشاء PEBAX/Cd-Co-MOF-5 بیشترین میزان عبور CO2 با مقدار 14/386 برر و کمترین انتخاب‌پذیری CO2/N2 با مقدار 33/68 را ارائه داد و در مقابل غشاء PEBAX/Cd-MOF-5 عبور CO2 بیش از 100 برر کمتر و در عوض بالاترین انتخاب‌پذیری CO2/N2 با مقدار 41/85 را نشان داد. در سری بعدی غشاها از دو ماده (3-آمینوپروپیل) تری‌اتوکسی‌سیلان (APTES) و و تترااتیل‌ارتوسیلیکات (TEOS) برای اصلاح غشاهای ماتریس مختلط استفاده گردید. در رفتار گازی غشاهای حاصل مشاهده شد که میزان انتخاب‌پذیری CO2/N2 آنها تقریبا در یک محدوده قرار گرفته اما میزان عبورپذیری CO2 آنها کاملا متفاوت بود. مهمترین نتیجه مشاهده شده متعلق به غشاهای اصلاح شده حاوی Cd-Co-MOF-5 می‌باشد. برای غشاء PEBAX@APTES@Cd-Co-MOF-5 میزان عبور CO2 به مقدار 05/556 برر و برای غشاء PEBAX@TEOS@Cd-Co-MOF-5 میزان عبور 82/365 برر ثبت گردید. این مقادیر عبور CO2 با انتخاب‌پذیری CO2/N2 به ترتیب برابر 71/85 و 13/90 ارقام بسیار قابل توجهی در میان غشاهای پلیمری جداکننده CO2 می‌باشند. لازم به ذکر است که MOFهای سنتز شده با آنالیزهای FT-IR، XRD، FESEM و جذب-واجذب نیتروژن و غشاهای تهیه شده نیز با آنالیزهای FT-IR، XRD، FESEM، تنش-کرنش و زاویه تماس آب با سطح مورد شناسایی قرار گرفتند.

برای بهبود فرایند جداسازی گاز CO2، غشاهای ماتریس مختلط(MMM) سه‌تایی متشکل از پلیمر پلی اتر بلاک آمید ( (Polyether Block Amidبرای این پژوهش برگزیده و به کمک پرکننده‌های لایه‌ای، متخلخل و غیرمتخلخل (شامل پرلیت منبسط شده (Expr)، کربن زیستی فعال شده (BC) و مکسین (Mxene)) انواع کامپوزیت‌ با نسبت‌های مختلف آماده‌سازی شد. سپس برای تهیه MMM نمونه‌های Pebax/NaExpr،Expr تحت اصلاح شیمیایی قلیایی قرار گرفت. کامپوزیت‌های Pebax/NaExpr/BC و Pebax/Mxene/BC با درصد وزنی مخلتف (0.5، 1، 2، 5 و 10) به جهت دستیابی به غشا بهینه، در ماتریس پلیمری آماده‌سازی و مورد بررسی قرار گرفتند. آزمایش‌های عملکردی بر مبنای نفوذ گازها (N2 و CO2) در دمای 50℃ و فشار2 اتمسفر انجام شد. مطابق با نتایج بدست آمده، MMMهای بهینه با 5 درصدوزنی NaExpr، 5 درصد وزنی NaExpr/BC (1:0.6) و 2 درصد وزنی Mxene/BC (0.6:1) در ماتریس پلی اتر بلاک آمید، نفوذپذیری CO2 به ترتیب 192، 519 و barrer 245 بدست آمد، و همچنین گزینش‌پذیری برای گاز CO2 نسبت به گاز N2 در غشاهای نام برده به ترتیب برابر با 40.24، 60.27 و 72.5 درصد محاسبه شد. نتایج حاصل از آزمون BET-BJH پرکننده‌ها، نشان از افزایش سطح ویژه پس از اصلاحات شیمیایی-حرارتی داشت که به افزایش نفوذپذیری و گزینش‌پذیری ختم گردید. از طرفی، تایید تغییرات و برهمکنش‌های شیمیایی و فیزیکی در کامپوزیت‌ها توسط آزمون‌های FT-IR و XRD مشخص شده است. تصاویر FESEM بدست آمده از سطح و لبه‌های غشاها نشان از توزیع یکنواخت پرکننده‌ها در بستر پلیمری داشت. علاوه بر اینها، آزمون زاویه تماس حاکی از آبدوستی غشاها بوده است که در میزان جذب و عبور مولکول‌های CO2 از بستر غشایی تاثیر بسزایی دارد. در انتها، با استفاده از آزمون کشش مشخص گردید که غشاهای کامپوزیتی از خواص مکانیکی بالاتری نسبت به غشای غیرکامپوزیتی پلی اتر بلاک آمید برخوردار هستند. بر اساس این نتایج، عملکرد جداسازی گازها در غشاهای نانوکامپوزیتی در حدود 50% نسبت به غشای خالص پلی اتر بلاک آمید بهبود داشته که نشان از قابلیت بالای آن‌ها برای پاکسازی جریانات گازی آلوده به مقادیر زیاد CO2 می‌باشد.

در این پژوهش مجموعه‌ای از غشاهای ماتریس مختلط با ماتریس پلی(اتر-بلاک-آمید) ساخته شد و برای جداسازی دو گاز CO2 و N2 مورد استفاده قرار گرفت. کامپوزیت‌های اضافه شده به ماتریس پلی(اتر-بلاک-آمید) از آمینورس (MgAC, ZrAC) و چارچوب‌های فلز-آلی تشکیل شده بودند. دو دسته کامپوزیت UiO-66-(COOH)2@CuBDC@MgAC و MIL-121@CuBDC@MgAC به عنوان پرکننده برای ماتریس پلیمری مورد استفاده قرار گرفت. هر دسته کامپوزیتی با تغییر مقدار اجزاء شامل چهار کامپوزیت بود و بنابراین از هشت کامپوزیت، هشت غشاء ماتریس مختلط با 10% وزنی ساخته گردید. سپس یک لایه آمینورس ZrAC نیز بروی هشت کامپوزیت ساخته شده سنتز شد و از هشت کامپوزیت جدید نیز هشت غشاء ماتریس مختلط دیگر با همان 10% وزنی تهیه گردید. کامپوزیت‌ها و غشاهای تهیه شده توسط آنالیزهای FT-IR، XRD، TGA، SEM، Stress-Strain و زاویه تماس سطح مورد شناسایی قرار گرفتند. سپس میزان عبور گازهای CO2 و N2 و انتخاب پذیری CO2/N2 برای غشاها به روش فشار ثابت/حجم متغیر اندازه‌گیری شد. نتایج به دست آمده بسیار رضایت بخش بود، به‌طوری‌که در میان مجموعه هشت غشاء اول، برای غشاء (4) عبور گاز CO2 برابر 320.15 برر و انتخاب پذیری CO2/N2 برابر 147.27 و در میان مجموعه هشت غشاء دوم، برای غشاء (12) عبور گاز CO2 برابر 407.77 برر و انتخاب پذیری CO2/N2 برابر 87.46 گزارش گردید. مقادیر عبور گاز CO2 و انتخاب پذیری CO2/N2 برای غشای پلی(اتر-بلاک-آمید) خالص به ترتیب برابر 181.48 برر و 28.33 گزارش شده است. در این میان علاوه بر بهبود رفتار گازی ماتریس با حضور کامپوزیت‌ها، خواص بررسی شده نظیر خواص حرارتی، موفولوژیکی و مکانیکی غشاهای ماتریس مختلط نیز تقریبا در همان سطح غشاء خالص و گاهی هم بهتر از آن ظاهر شدند.