بررسی عملکرد غشاهای زمینه‌مخلوط‌ مغناطیسی پلی سولفون ذرات نئودیمیم به منظور جداسازی O2/N2

در سال های اخیر، به دلیل هزینه بالا و مصرف زیاد انرژی در روش های تقطیر برودتی و جذب سطحی، تلاش های بسیاری در راستای بهبود عملکرد غشاهای پلیمری در جداسازی اکسیژن نیتروژن صورت گرفته است. همچنان افزایش عملکرد این دسته از غشاها برای کاربردهای صنعتی ضروری است. در این پژوهش، غشاهای زمینه‌مخلوط‌ مغناطیسی جدید با استفاده از پلی سولفون به عنوان زمینه اصلی غشا و ذرات مغناطیسی نئودیمیم برای جداسازی اکسیژن نیتروژن ساخته شدند. غشاهای زمینه‌مخلوط‌ مغناطیسی در حضور میدان مغناطیسی به منظور جلوگیری از ته نشینی ذرات و پراکندگی مناسب ذرات در زمینه پلیمر ساخته شدند. اثر مقادیر مختلف ذرات نئودیمیم بر ساختار غشاها، خواص مغناطیسی و پایداری حرارتی غشاها با آزمون های میکروسکوپی الکترونی پویشی، مغناطیس سنجی نمونه ارتعاشی و گرماوزن سنجی مورد ارزیابی قرار گرفت. همچنین برای بررسی عملکرد غشاهای ساخته شده در حضور میدان های مغناطیسی مختلف، ماژول جداسازی مغناطیسی جدیدی طراحی و ساخته شد. نتایج به دست آمده نشان دادند که تراوایی گازهای اکسیژن و نیتروژن با افزودن ذرات مغناطیسی نئودیمیم صرف نظر از میزان مقدار میدان مغناطیسی اعمالی حین فرایند جداسازی به دلیل برهم خوردن تراکم زنجیرهای پلیمر و ازدیاد حجم آزاد پلیمر، روند افزایشی داشته است. تراوایی گازهای اکسیژن و نیتروژن در غشاهای زمینه‌مخلوط‌ حاوی 5 درصد وزنی نئودیمیم در غیاب میدان مغناطیسی به ترتیب 182% و 443% نسبت به غشاهای خالص پلی سولفون افزایش یافت. همچنین، تراوایی و گزینش پذیری جفت های گازی مذکور مورد مطالعه با اعمال میدان مغناطیسی طی فرایند جداسازی، افزایش یافت. با افزایش میدان مغناطیسی از 0 به 570 میلی تسلا، گزینش پذیری غشاهای زمینه‌مخلوط‌ حاوی 5 درصد وزنی نئودیمیم از 2.73 به 3.77 افزایش یافت. براساس نتایج، افزودن ذرات نئودیمیم و همچنین استفاده از میدان مغناطیسی در طول فرایند ساخت و بررسی عملکرد غشا می تواند روشی موثر برای بهبود عملکرد غشا محسوب شود.

Investigation the performance of Polysulfone/Neodymium Magnetic Mixed-Matrix Membranes for O2/N2 Separation

AbstractResearch subject: In recent years, many efforts have been made to improve the performance of polymer membranes in oxygennitrogen separation due to the high cost and energy consumption of cryogenic distillation and adsorption methods. Increasing the performance of these types of membranes is still needed for industrial applications.Research approach: In this research, novel magnetic mixed matrix membranes (MMMs) were prepared using polysulfone (PSf) as the main matrix, and also neodymium (Nd) as the magnetic particles for O2/N2 separation. To avoid the particle sedimentation and proper dispersion of particles across the membrane thickness, magnetic particle dispersion in the PSf was controlled by applying an external magnetic field (MF). The effect of Nd magnetic particle content on the microstructure, magnetic properties and thermal stability of the prepared MMMs were investigated using scanning electron microscopy, vibrating sample magnetometer and thermogravimetric analysis. In this reseach, a novel magnetic module was designed and constructed to investigate the performance of prepared membranes in the presence of various MFs.Main Results: The obtained results indicated that the permeability of O2 and N2 gases was improved by adding Nd magnetic particles into PSf matrix regardless of the amount of MF due to the chain packing of polymers disruption and free volume enhancement. The permeability of O2 and N2 in the MMMs containing 5 wt.% Nd in the absence of MF was about 182 % and 443%, respectively, higher than those of neat PSf membranes. Furthermore, the permeability and selectivity of PSf and PSfNd membranes were considerably improved by applying the MF during the permeation experiments. In the MMMs containing 5 wt.% Nd, O2/N2 selectivity was increased from 2.73 to 3.77 upon an increase in the intensity of MF from 0 to 570 mT. Considering the findings, the application of Nd particles and MF during the membrane preparation and separation processes can be facile methods for enhancement of membrane performance. Keywords: Oxygen/nitrogen separation; Polysulfone; Neodymium; Magnetic mixedmatrix membranes; Magnetic separation module