Development and Performance evaluation of metal-organic framework CAU-1/polyetherimide mixed matrix membrane for gas separation. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Waqas_MS_Thesis.pdf Download (5MB) | Preview

Arabic Abstract

على مدى العقود القليلة الماضية، أظهرت الأغشية المعدنية العضوية (MOF) \ بوليمر المختلط إمكانات عالية لتطبيق فصل الغاز. تنص علاقة منحنى روبيسن الارتباطية العليا على أن هناك عادة مفاضلة بين النفاذية وانتقائية الغاز على الأغشية من أصل بوليمري. في هذا العمل، تم تصنيع جسيمات صغيرة من CAU-1 باستخدام طريقة الاذابة الحرارية، والتي لها توزع حجم جزيئي من 300-500 نانومتر ومساحة سطح BET ~ 1149 m2 / g . تم دمج جسيمات CAU-1 هذه في مصفوفة بولي إيثيريميد (PEI) بتركيزات مختلفة (5٪ بالوزن، 10٪ بالوزن و 15٪ بالوزن لتطوير أغشية مصفوفة مختلطة CAU-1 / PEI والتي تم اختبارها لأداء فصل الغاز. بالمقارنة مع غشاء PEI ، أشارت نتائج فصل الغاز لـ 5٪ CAU-1 / PEI إلى أن نفاذية H2 و O2 و N2 و CO2 و CH4 ارتفعت من 328 و 28.2 و 4.28 و 91.7 و 5.22 إلى 633 و 52 و 10 ، 193.5 و 10.5 بارر ،على التوالي ، في حين أن الانتقائية ل H2 / N2 ، H2 / CO2 ، H2 / CH4 ، CO2 / N2 و CO2 / CH4 ظلت دون تغيير. تم تحديد النفاذية الانتقائي (مقياس النفاذية القصوى والانتقائية) الذي تم الحصول عليه للأغشية المصفوفة المختلطة المصنعة فوق منحنى روبيسن في حالات فصل H2 من غازات O2 ، N2 و CO2 والقريب من الحد الأعلى لإزالة CO2 من غازات N2 و CH4 وهو أمر مرغوب فيه لصناعة فصل الغاز. تم قياس نفاذية 10٪ CAU-1 / PEI لتكون 450 و 19.2 و 2.0 و 40 و 1.6 لـ H2 و O2 و CO2 و N2 و CH4 مع انتقائية محسنة. أظهر غشاء الـ 10٪ CAU-1 / PEI قدرة انتقائية أعلى من PEI و 5٪ CAU-1 / PEI و 15٪ CAU-1 / PEIالتي تم إعدادها في هذا العمل، وهي أعلى أيضاً من أغشية المصفوفة المختلطة PEI المسجلة في الأدبيات لفصل الهيدروجين، كما في حالات H2 / N2 ، H2 / CO2 ، H2 / CH4.

English Abstract

For last few decades, metal organic framework (MOF)/polymer mixed matrix membranes have shown high potential for gas separation application. Robeson’s upper bound correlation states that there is usually a trade-off between permeability and gas selectivity of a polymeric membrane. In the present work, small particles of CAU-1 were synthesized using solvothermal method, processing size distribution of 300-500 nm and BET surface area of ~1149 m2/g. These particles were incorporated in polyetherimide (PEI) matrix with different concentrations (5 wt%, 10 wt% and 15 wt% CAU-1) to develop CAU-1/PEI mixed matrix membranes which were tested for gas separation performance. Compared to PEI membrane, the gas separation results for 5% CAU-1 /PEI membrane indicated that the permeability of H2, O2, N2, CO2 and CH4 increased from 328, 28.2, 4.28, 91.7 and 5.22 barrer to 633, 52, 10, 193.5 and 10.5 barrer respectively, while the selectivity for H2/N2, H2/CO2, H2/CH4, CO2/N2 and CO2/CH4 remained unchanged. The permselectivity (a measure of maximum permeability and selectivity) obtained for this mixed matrix membrane is positioned above the Robeson upper bound correlation line for H2 separation (from O2, N2 and CO2) and close to the upper bound for CO2 removal (from N2 and CH4) which is desirable for gas separation industry. The permeability of 10% CAU-1/PEI was measured to be 450, 19.2, 2.0, 40, 1.6 for H2, O2, CO2, N2 and CH4 with enhanced selectivity. The 10% CAU-1/PEI membrane showed a higher permselectivity than that of PEI, 5% CAU-1/PEI and 15% CAU-1/PEI prepared in this work, and also higher than PEI based mixed matrix membranes reported in literature for hydrogen separation (H2/N2, H2/CO2, H2/CH4).

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Research > Engineering
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Laoui, Dr. Tahar
Committee Members:	Laoui, Dr. Tahar and Almaythalony, Dr. Bassem and Khan, Dr. Zafarullah
Depositing User:	OMAR SAADI (g201408540)
Date Deposited:	27 Aug 2018 10:23
Last Modified:	31 Dec 2020 06:18
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140793