DEVELOPMENT OF ZIF-8 BASED MIXED MATRIX MEMBRANES FOR OXYGEN ENRICHED AIR APPLICATIONS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Final_Thesis_g201404440.pdf Download (3MB) | Preview

Arabic Abstract

على مدى العقود القليلة الماضية كانت عمليات فصل الغاز القائمة على الغشاء موضوعا للبحث الأكاديمي في جميع المجالات لإنتاج هواء غنيا بالأكسجين. المنتج له تطبيقات عديدة مثل احتراق الوقود مع الأوكسجين النقي، والتنفس الطبي، الخ. لهذا الغرض يمكن استعمال أغشية البوليمر المخلطة بمواد غير عضوية وذلك لخاصيتها المتفوقة على الأغشية التقليدية. في هذه الدراسة، تم اختيار البوليمر ماتريميد لأنه يظهر انتقائية عالية لفصل غاز الأكسجين عن النتروجين بمقدار من 6 إلى 8 وحدات. و كذلك تم اختيار المادة الغير عضوية زيوليت إيميدازولات (زيف-8) بسبب نفاذيتها العالية لغاز الأكسجين، حوالي 400 بارار. الهدف من البحث هو تحسين أداء عملية فصل غاز الأكسجين عن طريق أغشية البوليمر المخلطة وذلك بتغيير كل من درجة حرارة التلدين، الزمن ومحتوى زيف-8 الوزني داخل الأغشية المخلطة. وبالإضافة إلى ذلك، تم أيضا دراسة تأثير المعالجة الكيميائية على أداء الأغشية البوليمرية المخلطة. إلى ذلك، تم أيضا دراسة تأثير المعالجة الكيميائية على أداء الأغشية البوليمرية المخلطة. تم إعداد غشاء ماتريميد عن طريق السباكة السائلة والتلدين تحت الضغط الفراغي عند درجات حرارة مختلفة (80 إلى 320 درجة مئوية) لفترات زمنية مختلفة (من 1 إلى 36 ساعة). وقد وجد أن الانتقائية زادت بشكل ملحوظ مع زيادة درجة حرارة التلدين والوقت. استنتج من البحث أن درجة حرارة التلدين والوقت الأمثلين لعملية فصل غاز الأوكسجين هما 320 درجة مئوية و 12 ساعة. تم القياس النفاذية والانتقائية عند درجة حرارة التلدين والوقت الأمثلين ليكونا 0.36 بارار و 15.9، على التوالي. تم تحضير أغشية البوليمر المخلطة بإستخدام كميات مختلفة من زيف-8 عند درجة حرارة تلدين 320 درجة مئوية وزمن قدره 12 ساعة. تم تصنيع بلورات زيف-8 فائقة الصغر عند درجة حرارة الغرفة. ومن ثم استخدمت طريقة حيود الأشعة السينية لتقدير متوسط قطر البلورة عند 29 نانوميتر. وجد أن النفاذية زادت من 0.61 الى 1.81 بارار عندما زادت النسبة المئوية الوزنية لزيف-8 داخل أغشية البوليمر المخلطة من 5% الى 40%، بينما ظلت الإنتقائية كما هي. لتحسين أداء عملية فصل الغاز بصورة أكثر، تم تلدين أغشية البوليمر المخلطة التي تحتوي على 43% وزنا من زيف-8 عند درجة حرارة 320 مئوية لمدة 24 ساعة. وجد عندها أن النفاذية والانتقائية ذوي قيمة 1.11بارار و 611.8 على التوالي، متجاوزين الحد الأعلى لمقياس روبيسون. كما تم معالجة أغشية البوليمر المخلطة كيميائيا بإستخدام الإيثانول والإيثيلين جلايكول، وأظهرت النتائج انخفاض في أداء عملية فصل غاز الأوكسجين عن النتروجين.

English Abstract

Over the past few decades membrane-based gas separation processes have been an important subject for academic research worldwide. Separation of air molecules (O2 and N2) to produce oxygen enriched air has been of great significance for various applications such as oxy-fuel combustion, medical respiration, etc. Mixed Matrix Membranes (MMM) containing a continuous polymer phase and a dispersed inorganic filler phase have good potential to be one of the leading materials for air separation. In the present study, Matrimid was selected as the polymer phase in MMM because of its high selectivity, 6 to 8 for O2/N2 gas separation. Zeolitic Imidazolate Framework (ZIF-8) was selected as the filler phase due to its high permeability of O2, about 400 barrers. The objective of the work was to enhance the O2/N2 gas separation performance of MMMs by varying the annealing temperature, time, and the ZIF-8 content in MMMs. In addition, the effect of chemical treatment on MMMs was also studied. Pure Matrimid membranes were prepared by solution casting and annealed under vacuum at different temperatures (80 to 320°C) for various time durations (1 to 36 h). It was found that the selectivity increased significantly as the annealing temperature and time were increased. The optimum annealing temperature and time for high O2/N2 gas separation were found to be 320°C and 12 hours, respectively. The permeability and selectivity at the optimum annealing temperature and time were found to be 0.36 barrers and 15.9 respectively. Mixed Matrix Membranes were prepared by varying the amount of ZIF-8 and annealed at 320°C for 12 h. The ZIF-8 nanocrystals were synthesized at room temperature with an average crystal size of 29 nm, as determined using x-ray diffraction technique. The permeability was found to increase from 0.61 to 1.81 barrers as the loading of ZIF-8 in MMMs was increased from 5 to 40 wt%, while selectivity remained almost the same. To further enhance the O2/N2 gas separation performance, MMM with 43 wt% ZIF-8 was annealed at 320°C for 24 h. The permeability and selectivity was found to be 1.11 barrers and 11.86 respectively, which surpassed Robeson upper bound and falls into commercially attractive region. MMMs were also treated chemically with Ethanol and Ethylene glycol, and the results showed a decrease in O2/N2 gas separation performance.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Mezghani, Khaled
Committee Members:	Sorour, Ahmad and Mohammed, Samad
Depositing User:	AMERUDDIN MOHAMMED KHAJA (g201404440)
Date Deposited:	20 Nov 2017 10:24
Last Modified:	31 Dec 2020 06:27
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140525