نوآوری‌های صنعتی

نوآوری‌های صنعتی

مطالعه شبیه‌سازی مولکولی غشای شبکه آمیخته پلی‌ایمید 6FDA-Durene پرشده با زئولیت 13X عامل‌دار شده با آمین (ASZX) برای جداسازی گاز مخلوط CO2

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران
چکیده
غشاهای شبکه آمیخته (MMMs) مبتنی بر پلی‌ایمید 6FDA-Durene یکی از گسترده ترین مواد پلیمری مورد مطالعه برای جداسازی  CO2/N2و CO2/CH4 هستند. عملکرد غشاهای 6FDA-Durene موجود به دلیل موازنه بین تراوایی و گزینش‌پذیری، برای گسترش در کاربردهای صنعتی با یک تنگنا مواجه است. فرض بر این است که عملکرد غشا از طریق عامل‌دارکردن پرکننده افزایش می‌یابد. با این وجود، تهیه غشاهای شبکه آمیخته عامل‌دار شده بدون نقص و مطالعه تجربی آن که عملکرد جداسازی CO2/N2 و CO2/CH4 بهبود یافته‌ای را نشان می‌دهد، در مقیاس آزمایشگاهی چالش‌برانگیز است و نیاز به دانش قبلی در مورد سازگاری بین پرکننده و پلیمر دارد. رویکردهای شبیه‌سازی مولکولی می‌توانند برای بررسی تأثیر عامل‌دارکردن بر خواص انتقال گاز در غشاهای شبکه آمیخته در سطح اتمی بدون چالش‌های موجود در مطالعه تجربی مورد استفاده قرار گیرند. بااین‌حال، تا به امروز کمتر مورد بررسی قرار گرفته‌اند. علاوه بر این، بیشتر تحقیقات بر مطالعات گاز خالص متمرکز شده‌اند، درحالی‌که خواص انتقال گاز مخلوط که نشان‌دهنده جداسازی واقعی در غشاهای شبکه آمیخته Zeolite 13X/6FDA-Duren عامل‌دار شده هستند، به‌ندرت در دسترس هستند. در این کار، یک چارچوب محاسباتی شبیه‌سازی مولکولی برای بررسی خواص ساختاری، فیزیکی و رفتار انتقال گاز در غشای شبکه آمیخته مبتنی بر Zeolite 13X/6FDA-Durene عامل‌دار شده با آمین توسعه داده شده است. تأثیر درصدهای وزنی مختلف (یعنی 5 تا 15 درصد وزنی) از Zeolite13X بر ویژگی‌های فیزیکی و انتقال گاز در دمای 298 کلوین و فشار 2 بار در غشاهای شبکه آمیخته Zeolite 13X/6FDA-Durene عامل‌دار شده با آمین بررسی شده است. عامل‌دار کردن نانوذرات Zeolite 13X باعث افزایش ضرایب نفوذ و حلالیت می‌شود که منجر به افزایش تراوایی (94%) و گزینش‌پذیری نسبت به N2 و CH4 برای غشاهای شبکه آمیخته Zeolite 13X/6FDA-Durene عامل‌دار شده با آمین به ترتیب به میزان 78% و 40% در مقایسه با در غشاهای شبکه آمیخته مبتنی بر Zeolite 13X/6FDA-Durene در درصد وزنی بهینه 15% می‌شود. یافته‌های این مطالعه می‌تواند به بهبود جداسازی واقعی در طراحی و مفهوم آینده در غشای شبکه آمیخته عامل‌دار با استفاده از شبیه‌سازی مولکولی و روش‌های مدل‌سازی تجربی کمک کند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Molecular Simulation Study of Polyimide 6FDA-Durene Mixed Matrix Membrane Filled with Amine Functionalized Zeolite 13X (ASZX) for CO2 Mixed Gas Separation

نویسندگان English

Abtin Ebadi Amooghin
Seyedeh Sima Parsa
Hamidreza Sanaeepur
Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, Arak University, Arak 38156-8-8349, Iran
چکیده English

Mixed matrix membranes (MMM) based on 6FDA-Durene polyimide are one of the most widely studied polymeric materials for CO2/N2 and CO2/CH4 separation. The performance of existing 6FDA-Durene membranes is a bottleneck for widespread deployment in industrial applications due to the trade-off between permeability and selectivity. It is hypothesized that membrane performance is enhanced by functionalization of the filler. However, the preparation and experimental study of defect-free functionalized MMMs that exhibit improved CO2/N2 and CO2/CH4 separation performance is challenging at the laboratory scale and requires prior knowledge of the compatibility between the filler and the polymer. Molecular simulation approaches can be used to investigate the effect of functionalization on the gas transport properties of MMMs at the atomic level without the challenges inherent in experimental study. However, they have been less investigated to date. Furthermore, most of the research has focused on pure gas studies, while mixed gas transport properties that demonstrate true separation in functionalized zeolite 13X/6FDA-Durene mixed network membranes are rarely available. In this work, a molecular simulation computational framework was developed to investigate the structural, physical properties and gas transport behavior of amine-functionalized zeolite 13X/6FDA-Durene-based MMM. The effect of different filler loadings (i.e., 5 to 15 wt%) on the physical properties and gas transport properties of amine-functionalized Zeolite 13X/6FDA-Durene MMM was also investigated at 298 K and 2 bar pressure. Functionalization of zeolite 13X nanoparticles increases the diffusion and solubility coefficients, leading to increased permeability (94%) and selectivity towards N2 and CH4 for amine-functionalized zeolite 13X/6FDA-Durene MMMs by 78% and 40%, respectively, compared to zeolite 13X/6FDA-Durene based MMMs at an optimal loading of 15%. The findings of this study can help improve the real separation in the design and concept of future functionalized MMMs using molecular simulation and experimental modeling methods.

کلیدواژه‌ها English

Mixed matrix membranes
molecular simulation
permeability
6FDA-Durene
Mixed gas

  • تاریخ دریافت 30 شهریور 1404
  • تاریخ بازنگری 05 آبان 1404
  • تاریخ پذیرش 10 آبان 1404