ساخت و مشخصه یابی غشاهای توسعه یافته الیاف توخالی پلی سولفون برای نمزدایی جریانات گازی در تماس دهنده غشایی گاز-مایع

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

مقاله 4، دوره 11، شماره 40، شهریور 1399، صفحه 45-58   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

مهرداد فرهادی منش¹؛ امیر منصوری زاده^{* 1}؛ بیژن هنرور²

¹گروه مهندسی شیمی، مرکز تحقیقات علوم و فناوری غشا، واحد گچساران، دانشگاه آزاد اسلامی، گچساران، ایران

²گروه مهندسی شیمی، واحد مرودشت ، دانشگاه آزاد اسلامی ، مرودشت ، ایران

تاریخ دریافت: 03 آذر 1398،  تاریخ بازنگری: 14 اردیبهشت 1399،  تاریخ پذیرش: 29 شهریور 1399 

چکیده

در این تحقیق، غشاهای توسعه یافته الیاف توخالی پلی‌سولفون (PSF) به روش جداسازی فازی ساخته شده­اند. از افزودنی­های غیرحلال پلی اتیلن گلایکول (PEG) و پلی وینیل پیرولیدن (PVP) جهت افزایش تخلخل غشاها در محلول پلیمری استفاده شده است. غشاهای ریز متخلخل در ماژول­های تماس دهنده غشایی گاز-مایع قرار گرفتند و برای نمزدایی جریان گاز نیتروژن از تری اتیلن گلایکول(TEG) استفاده شده است. غشاها با بررسی تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM)، تست‌های تراوایی نیتروژن، درجه تخلخل کلی، فشار مرطوب شدن و فشار تخریب مشخصه­یابی شدند. تصاویر SEMنشان داد که غشاهای تولید شده با افزودنی های PVP و PEG دارای ساختاری بسیار متخلخل با حفره­های بند انگشتی بیشتر و نازک­تر در مقایسه با غشای ساده می­باشند. نتایج تست تراوایی نیتروژن نشان داد متوسط اندازه حفره تقریبا 112 نانومتر و تراوایی کلی GPU 16900 برای غشای توسعه یافته با PVP بدست آمده است. غشای توسعه یافته با PVP دارای درجه تخلخل کلی تقریبی 76% می­باشد. غشاهای تولید شده با افزودنی­ها به دلیل تشکیل ساختاری با حفره‌های بند انگشتی نازک­تر و لایه اسفنجی ضخیم­تر دارای فشار تخریب بالاتری نسبت به غشای ساده می­باشند. نتایج تست جذب رطوبت نشان داد، در شدت جریان مایع ml/min250، غشای توسعه یافته با PVP دارای بیشترین میزان شار جذب رطوبت (m3/m2 s ^7-10× 6/6) می باشد که تقریبا 10% بیشتر از شار غشای ساده و 5/6% بیشتر از شار جذب غشای تولید شده باPEGمی­باشد.

کلیدواژه‌ها

غشا الیاف توخالی پلی سولفون؛ افزودنی غیرحلال؛ نمزدایی؛ تماس دهنده غشایی گاز-مایع

عنوان مقاله [English]

Fabrication and characterization of developed polysulfone hollow fiber membranes for dehydration of gas streams via gas-liquid membrane contactor

نویسندگان [English]

MEHRDAD FARHADIMANESH¹؛ AMIR MANSOURIZADEH¹؛ bizhan honarvar²

¹Department of Chemical Engineering, Membrane Science and Technology Research Center (MSTRC), Gachsaran Branch, Islamic Azad University, Gachsaran, Iran

²Department of Chemical engineering, Marvdasht Branch , Islamic Azad University, Marvdasht , Iran

چکیده [English]

In the present study, developed polysulfone (PSF) hollow fiber membranes were fabricated via a phase-inversion process. In order to enhance the membrane porosity, non-solvent additives such as polyvinylpyrrolidone (PVP) and poly ethyleneglycol (PEG) were introduced into the polymer solutions. The prepared membranes were used in the membrane contactor modules for dehydration of nitrogen gas stream by triethylene glycol (TEG). The membranes were characterized in terms of scanning electron microscopy (SEM), nitrogen permeation, overall porosity, collapsing pressure and wetting pressure. From SEM analysis, the membranes prepared by PVP and PEG presented a porous structure with smaller finger-like cavities compared to the plain membrane. Results of gas permeation test showed that the developed PSF-PVP membrane had mean pore size of 112 nm and N2 permeance of 16900 GPU. Due to open structure of the PSF-PVP membrane, a good overall porosity of about 76% was obtained. The prepared membranes by PVP and PEG showed higher collapsing pressure due to the formation of smaller finger-likes and a thicker spongy sublayer. From dehydration test at liquid flow rate of 250 ml/min, the maximum vapor absorption flux of 6.6×10-7 m3/m2 s was achieved for the PSF-PVP membrane which was about 10% and 6.5% higher than the flux of the plain membrane and PSF-PEG membrane, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

PSF hollow fiber membrane, Non-solvent additive, Dehydration, Gas-liquid membrane contactor

مراجع

1- R.W. Baker and K. Lokhandwala, “Natural gas processing with membranes: an overview,” Ind. Eng. Chem. Res., vol. 47, pp. 2109–2121, 2008.

 

2-گ. سلیم بیگی، ک. نصوری و ا. موسوی شوشتری، "اثر غلظت محلول پلیمری بر روی ساختار نانوالیاف پلی(وینیل الکل)" فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین، دوره 4، شماره 11، ص 33-21، بهار 1392.

 

3- A. Gabelman and S.T. Hwang, “Hollow fiber membrane contactors,” J. Membr. Sci., vol. 159, pp. 61–106, 1999.

 

4- A. Mansourizadeh and A.F. Ismail, “Hollow fiber gas–liquid membrane contactors for acid gas capture: a review,” J. Hazard. Mater., vol. 171, pp. 38–53, 2009.

 

5- S. Khaisri, D. deMotigny, P. Tontiwachwuthikul and P. Jiraratananon, “Comparing membrane resistance and absorption performance of three different membranes in a gas absorption membrane contactor,” Sep. Purif. Technol., vol. 65, pp. 290–297, 2009.

 

6- M. Sadoogh, A. Mansourizadeh and H. Mohammadinik, “An experimental study on the stability of PVDF hollow fiber membrane contactors for CO2 absorption with alkanolamine solutions,” RSC Adv., vol. 5, pp. 86031–86040, 2015.

 

7- A. Mansourizadeh, M. Jazebizadeh, M.R. Vaseghi and A. Aghili, “A comparative study on the structure of developed porous PVDF and PEI hollow fiber membrane contactors for CO2 absorption,” J. Polym. Res., vol. 23:4, pp. 1-10, 2014.

 

8- L.-Z. Zhang, Y.Y. Wang, C.L. Wang and H. Xiang, “Synthesis and characterization of a PVA/LiCl blend membrane for air dehumidification,” J. Membr. Sci., vol. 308, pp. 198–206, 2008.

 

9- P.G. Ingole, W.K. Choi, G.B. Lee and H.K. Lee, “Thin-film-composite hollow-fiber membranes for water vapor separation,” Desalination, vol. 403, pp. 12-23, 2017.

 

10- A. Fakharnezhad and P. Keshavarz, “Experimental investigation of gas dehumidification by tri-ethylene glycol in hollow fiber membrane contactors,” J. Ind. Eng. Chem., vol. 34, pp. 390–396, 2016.

 

11- K. Dalane, H.F. Svendsen, M. Hillestad and L. Deng, “Membrane contactor for subsea natural gas dehydration: Model development and sensitivity study,” J. Membr. Sci., vol. 556, pp. 263–276, 2018.

 

12- O. Falk-Pedersen, M.S. Grønvold, P. Nøkleby, F. Bjerve and H.F. Svendsen, “CO2 Capture with Membrane Contactors,” Int. J. Green Energy, vol. 2 (2), pp. 157–165, 2005.

 

13- A. Ovcharova, V. Vasilevsky, I. Borisov, S. Bazhenov, A. Volkov, A. Bildyukevich and V. Volkov, “Polysulfone porous hollow fiber membranes for ethylene-ethane separation in gas-liquid membrane contactor,” Sep. Purif. Technol., vol. 183, pp. 162–172, 2017.

 

14- T.V. Plisko, A.V. Bildyukevich, V.V. Usosky and V.V. Volkov, “Influence of the concentration and molecular weight of polyethylene glycol on the structure and permeability of polysulfone hollow fiber membranes,” Petr. Chem., vol. 56, pp. 321–329, 2016.

 

15- A. Mansourizadeh and A.F. Ismail, “Effect of additives on the structure and performance of polysulfone hollow fiber membranes for CO2 absorption,” J. Membr. Sci., vol. 348, pp. 260-267, 2010.

 

16- M.J. Han and S.T. Nam, “Thermodynamic and rheological variation in polysulfone solution by PVP and its effect in the preparation of phase inversion membrane,” J. Membr. Sci., vol. 202, pp. 55–61, 2002.

 

17- B. Chakrabarty, A.K. Ghoshal and M.K. Purkait, “SEM analysis and gas permeability test to characterize polysulfone membrane prepared with polyethylene glycol as additive,’ J. Colloid Interface Sci., vol. 320, pp. 245–253, 2008.

 

18- K. Li, J.F. Kong, D. Wang and W.K. Teo, “Tailor‐made asymmetric PVDF hollow fibers for soluble gas removal,” AIChE J., vol. 45, pp. 1211–1219, 1999.

 

19- A. Mansourizadeh, A.F. Ismail and T. Matsuura, “Effect of operating conditions on the physical and chemical CO2 absorption through the PVDF hollow fiber membrane contactor,” J. Membr. Sci., vol. 353, pp. 192–200, 2010.

 

20- A. Mansourizadeh and S. Mousavian, “Structurally developed microporous polyvinylidene fluoride hollow-fiber membranes for CO2 absorption with diethanolamine solution,” J. Polym. Res., vol. 20:99, pp. 1-12, 2013.

 

21- F. Tasselli, J.C. Jansen, F. Sidari and E. Drioli, “Morphology and transport property control of modified poly(ether ether ketone) (PEEKWC) hollow fiber membranes prepared from PEEKWC/PVP blends: influence of the relative humidity in the air gap,” J. Membr. Sci., vol. 255, pp. 13–22, 2005.

 

22- A. Mansourizadeh and A.F. Ismail, “Effect of LiCl concentration in the polymer dope on the structure and performance of hydrophobic PVDF hollow fiber membranes for CO2 absorption,” Chem. Eng. J., vol. 165, pp. 980–988, 2010.

 

23- H. Fashandi, A. Ghodsi, R. Saghafi and M. Zarrebini, “CO2 absorption using gas-liquid membrane contactors made of highly porous poly(vinyl chloride) hollow fiber membranes,” Int. J. Greenh. Gas Control, vol. 52, pp. 13–23, 2016.

 

24- A. Malek, K. Li and W.K. Teo, “Modeling of microporous hollow fiber membrane modules operated under partially wetted conditions,” Ind. Eng. Chem. Res., vol. 36, pp. 784–793, 1997.

 

25- A.C. Sun, W. Kosar, Y. Zhang and X. Feng, “A study of thermodynamics and kinetics pertinent to formation of PVDF membranes by phase inversion,” Desalination, vol. 309, pp. 156–164, 2013.

 

26- M. Sadrzadeh and S. Bhattacharjee, “Rational design of phase inversion membranes by tailoring thermodynamics and kinetics of casting solution using polymer additives,” J. Membr. Sci., vol. 441, pp. 31–44, 2013.

 

27- M. Rahbari-sisakht, A.F. Ismail and T. Matsuura, “Effect of bore fluid composition on structure and performance of asymmetric polysulfone hollow fiber membrane contactor for CO2 absorption,” Sep. Purif. Technol., vol. 88, pp. 99-106, 2012.

 

28- A. Mansourizadeh, A.F. Ismail, M.S. Abdullah and B.C. Ng, “Preparation of polyvinylidene fluoride hollow fiber membranes for CO2 absorption using phase-inversion promoter additives,” J. Membr. Sci., vol. 355, pp. 200–207, 2010.

 

29- K. Zhu, S. Zhang, J. Luan, Y.F. Mu, Y. Du and G. Wang, “Fabrication of ultrafiltration membranes with enhanced antifouling capability and stable mechanical properties via the strategies of blending and crosslinking,” J. Membr. Sci., vol. 539, pp. 116–127, 2017.

 

30- A.C.M. Franken, J.A.M. Nolten, M.H.V. Mulder, D. Bargeman and C.A. Smolders, “Wetting criteria for the applicability of membrane distillation,” J. Membr. Sci., vol. 33, pp. 315–328, 1987.

 

31- H.Y. Zhang, R. Wang, D.T. Liang and J.H. Tay, “Theoretical and experimental studies of membrane wetting in the membrane gas–liquid contacting process for CO2 absorption,” J. Membr. Sci., vol. 308, pp. 162–170, 2008.