Study the Membrane of Polyacrylonitrile - Poly Sulfone and the Effect of Aluminum Oxide Nanoparticles for Gas Separation

Document Type : Research Article

Authors

Department of Chemical Engineering, Marvdasht Branch, Islamic Azad University, Marvdasht, I.R. IRAN

Abstract

Membrane systems are widely used due to their many advantages. The membrane is used for gas separation. In this study, improvement of gas separation properties in the alloy membrane of polyacrylonitrile (PAN) and polysulfone (PSF) was studied by adding aluminum oxide nanoparticles. By addition polysulfone to polyacrylonitrile membrane, the best combination of alloy membranes percentage was obtained. Then, a sol-gel method for making Nano-composite membranes was studied. All membranes were prepared using the solvent evaporation method. The ratio of polymers in the mixed matrix was considered at the rate of PAN 100%, PSF 100 %, (PSF 5%- PAN 95%), (PSF 10% -PAN 90%), (PSF 15% -PAN 85%). Aluminum oxide nanoparticles were placed on the membrane with weight percentages of 2.5, 5, 10, 15, and 20. To study the membrane, SEM and FT-IR analyses were used.  By adding aluminum oxide nanoparticles to the membrane at the weight percentage of 10% and measuring the rate of leakage, it was observed that the leakage rate of carbon dioxide, oxygen, nitrogen, and methane gases increased by 146%, 159%,166%%, and 54%, respectively, compared to the membranes without aluminum oxide nanoparticles. Tests showed that the optimal amount of adding aluminum oxide to improve the properties of the membrane is 10% of the weight percentage.

Keywords

Main Subjects


[1] صادقی، مرتضی؛ وفایی منش، علیرضا، "مقدمه­ای بر غشا و فرآیندهای غشایی"، انتشارات سپاهان، (١٣٨٨).
[2] Takht Ravanchi M., Kaghazchi T., Kargari A., Application of Membrane Separation Processes in Petrochemical Industry: A Review, Desalination, 235 (1): 199-244 (2009).
[3] Pandey P., Chauhan R.S., Membranes for Gas Separation, Prog. Polym. Sci., 26: 853–893 (2001).
[4] Bastani D., Esmeaili N., Asadollahn M., Polymeric Mixed Matrix Membrane Containing Zeolites as a Filler for Gas Separation Application: A Review, J. Ind.Eng. Chem., 19: 375-393 (2013).
[6] Cong H., Radosz M., Towler B.F., Shen Y., Polymer–Inorganic Nanocomposite Membranes for Gas Separation, Sep. Purif. Technol., 55: 281–291 (2007).
[7] Ozturk B.‚ Demirciyeva F.‚ Comparison of Biogas Upgrading Performance of Different Mixed Matrix MembranesChem. Eng. J.222: 201-217 (2013).
[8] Rafiq S., Man Z., Maulud A., Muhammad N., Maitra S., Separation of CO2 from CH4 Usingpolysulfone. Polyimide Silica Nanocomposite Membranes, Sep. Purif. Technol., 90 (27): 162-172 (2012).
[9] Dorosti F., Omidkhah M.R., Pedram M.Z., Moghadam F., Fabrication and Characterization of Polysulfone/Polyimide–Zeolite Mixed Matrix Membrane for Gas Separation, Chem. Eng. J.‚ 171: 1469-1476 (2011).
[10] Ahn J., Chung W.J., Pinnau I., Guiver M.D., Polysulfone/Silica Nanoparticle Mixed-Matrix Membranes for Gas Separation, J.Membr. Sci., 314: 123-133 (2008).
[11] Sadeghi M., Khanbabaei G., Dehaghani A.H.S., Sadeghi M., Aravand M.A., Akbarzade M., Khatti S., Gas Permeation Properties of Ethylene Vinyl Acetate–Silica Nanocomposite Membranes, J.Membr. Sci., 322: 423–428 (2008).
[12] Chieh F., Jung F., Hsieh Y., Wie S., Chao M., Chien C., Ying L., Shinjiang J., Novel Poly Vinyl Alcohol Nano Composites Containing Carbon Nano-Tubes with Fe3O4 Pendants for Alkaline Fuel Cell Applications, J.Membr. Sci., 444: 41-49 (2013).
[13] سنایی پور، حمیدرضا؛ عبادی عموقین، آبتین؛ مقدسی، عبدالرضا؛ کارگر، علی؛ قنبری، داود؛ شیخی مهرآبادی، زهرا؛ قائمی، مجتبی، مطالعه خواص جداسازی گاز در غشای آلیاژی پلیمر جدید ABS/PVAC، نشریه شیمی و مهندسیشیمیایران، (2)30: 43 تا 51 (1390).
[14] تکبیری، معصومه؛ محمدی، تورج؛ پاک، افشین، جداسازی ترکیب­های گوگردی از بنزین توسط فرایند تراوش تبخیری، نشریه شیمی و مهندسیشیمیایران، (1)31: 71 تا80 (1391).
[15] محمدی، مریم؛ مقدسی، عبدالرضا؛ حسینی، سید محسن، "ساخت و ارزیابی غشاهای پلیمری حاوی نانو ذرات اکسید روی به منظور جداسازی دی اکسید کربن از نیتروژن"، پایان نامه دانشگاه اراک، ایران، (1390).
[16] شیروانی، همت؛ صادقی، مرتضی، "بررسی خواص جداسازی گاز توسط غشای آلیاژ پلیمری پلی یورتان/ پلی وینیل الکل و اثر نانو ذرات سیلیکا بر فرآیند جداسازی"، پایان نامه دانشگاه صنعتی اصفهان، (1390).
[17] Madaeni S.S., Akbarzade Arbatan T., Preparation and Characterization of Microfiltration Membrane Embedded with Silver Nano-Particles, Iran. J. Chem. Chem. Eng. (IJCCE), 29: 105-111 (2010).
[19] Momeni S.M., Pakizeh M., Preparation, Characterization and Gas Permeation Study of PSf/MgO Nanocomposite Membrane, Braz. J. Chem. Eng., 30: 589-597 (2013).
[20] بنده علی، سمانه؛ مقدسی، عبدالرضا؛ کارگری، علی؛ سنایی پور، حمید رضا، تاثیر نانو ذرات سیلیکا بر کارایی غشای پلیمری آلیاژی ABS/PVAc برای جداسازی هلیم از متان، نشریه علوم و مهندسی جداسازی، 6 (2): 1 تا 10 (1393).
[22] فلاح نژاد، زینب؛ باکری، عبدالرضا؛ رحیم نژاد، مصطفی، تصفیه پساب­های نفتی با استفاده از غشای نانوساختار الیاف تو خالی پلی اتر سولفون ، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (2)34: 73 تا 85 (1394).
[23] Sun H., Wang T., Xu Y., Gao W., Li P., Niu Q.J., Fabrication of Polyimide and Functionalized Multi-Walled Carbon Nanotubes Mixed Matrix Membrane by in-Situ Polymerization for CO2 Separartion, Sep. Purif. Technol., 177: 327-336 (2017).
[26] Maxwell C., “Treatise on Electricity and Magnetism”, Oxford University Press, London (1873).
[27] Sheikh M., Asghari M., Afshari M., Effect of Nano Zinc Oxide on Gas Permeation Through Mixed Matrix Poly (Amide-6-b-Ethylene Oxide) Based Membranes, Int. J. Nano Dimens., 8(1): 31-39 (2017).
[28] Dehghani Kiadehi A., Jahanshahi M., Rahimpour A., Ghoreishi A.A., Fabrication and Evaluation of Functionalized Nano-titanium Dioxide (F-Nano TiO2)/ Polysulfone (PSF) Nanocomposite Membranes for Gas Separation, Iran. J. Chem. Chem. Eng. (IJCCE), 4: 40-49 (2014).
[29] Xue L., Borodin O., Smith D., Modeling of Enhanced Penetrant Diffusion in Nanoparticle-Polymer Composite Membranes, J.Membr. Sci., 286: 293-300 (2006).
[32] Mohaghehian M., Sadeghi M., Pourafshari Chenar M., Naghsh M., Gas Separation Properties of Polyvinylchloride (PVC)-Silica Nanocomposite Membrane, Korean J. Chem. Eng., 31(11): 2041-2050 (2014).
[33] Sadeghi M., Talakesh M.M., Ghalei B., Shafiei M., Preparation, Characterization and Gas Permeation Properties of a Polycaprolactone Based Polyurethane-Silica Nanocomposite Membrane, J.Membr. Sci., 427: 21-29 (2013).
[34] Isfahani A.P., Sadeghi M., Saeedi Dehaghani A.H., Aravand M.A., Enhancement of the Gas Separation Properties of Polyurethane Membrane by Epoxy Nanoparticles, J. Ind. Eng. Chem., 44: 67-72 (2016).
[36] Robeson L.M., Correlation of Separation Factor Versus Permeability for Polymeric Membranes, J.Membr. Sci., 62: 165-185 (1991).