Μελέτη δομής και αξιολόγηση εκλεκτικότητας μεμβρανών άνθρακα και αργιλίας με μεθόδους διαπερατότητας

Abstract

The main objective of this thesis is the pore structure characterisation of mesoporous and microporous membranes and the investigation of diffusion and selectivity mechanisms in microporous solids, in regard with the case of mesoporous solids. For this purpose, homogeneous mesoporous Al2O3 as well as composite microporous carbon membranes were constructed. Non-porous Al2O3 powder and a series of activated carbon powders, activated at different degree, were also used in this study. The mesoporous Al2O3 membranes were constructed by symmetrical compaction of non-porous Al2O3 powder. The compaction took place in eleven successive steps with increased pressure, in order to minimise the radial non-homogeneity, which had observed in similar membranes. The microporous carbon membranes were produced by carbonisation and activation of polymeric precursors, in co-operation with SCT and BP Research. To improve the characteristics of pore structure, after the carbonisation, a subsequent step of activation is followed. Activated carbon powders were also produced by carbonisation and activation of Resole powder at similar conditions, in regard with the membranes.The adsorption isotherms provided useful information on the membrane structure and the characteristics of porous structure were determined. On the other hand permeability experiments were employed to determine the diffusion mechanisms and for the calculation of membranes’ structural factor (kg).Additionally, according to CO2 adsorption isotherms at higher temperatures (T=308 K), adequate amount adsorbed is observed, even at supercritical conditions. This behaviour can be attributed to the formation of a quasi-liquid phase inside the pores, due to the strong potential filed of the micropores. The differential permeability of CO2 at supercritical conditions exhibited a maximum. This result, which is in agreement with the results flow simulation inside micropores, can be interpreted in a way similar to the two phase mechanism on mesoporous solids. The carbon membranes exhibits high selectivity coefficient for a mixture CO2/Ν2 (1:1), but they can not seperate suffeciently mixtures of CH4/CO2 (1:1). The decrease in selectivity, as the pressure rises, can be attributed to the presence of parallel pores of the skin layer. These results are in good agreement with the adsorption and permeability experiments. Therefore, selectivity experiments can provide useful information on pore structure of microporous membranes.

Ο βασικός στόχος της διατριβής ήταν ο χαρακτηρισμός της πορώδους δομής μεσοπορωδών και μικροπορωδών μεμβρανών καθώς και η διερεύνηση φαινομένων διαχύσεως και εκλεκτικότητας σε μικροπορώδης μεμβράνες, σε σχέση με την αντίστοιχη συμπεριφορά παρόμοιων μεσοπορωδών υλικών. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκαν ομοιογενείς μεσοπορώδεις μεμβράνες οξειδίου του αργίλιου (Al2O3) και σύνθετες ασύμμετρες μικροπορώδεις μεμβράνες άνθρακα. Παράλληλα χρησιμοποιήθηκαν μη πορώδης κόνη Al2O3 και σειρά κόνεων άνθρακα, οι οποίες είχαν υποστεί ανθρακοποίηση και ενεργοποίηση σε διαφορετικό βαθμό. Οι μεσοπορώδεις μεμβράνες κατασκευάσθηκαν με συμμετρική συμπίεση κόνεως Αργιλίας. Συγκεκριμένα πραγματοποιήθηκε συμπίεση σε έντεκα στάδια με συνεχώς αυξανόμενες πιέσεις, ώστε να περιορισθεί η αξονική ανομοιογένεια. Οι μεμβράνες άνθρακα παρασκευάσθηκαν με ανθρακοποίηση και ενεργοποίηση πρόδρομων πολυμερικών ουσιών. Για τη βελτίωση των χαρακτηριστικών της πορώδους δομής των μεμβρανών, μετά το στάδιο της ανθρακοποιήσεως, ακολούθησε ενεργοποίηση στους 800 oC σε οξειδωτική ατμόσφαιρα (CO2) με τη χρήση διαφορετικών συνθηκών. Επίσης, μελετήθηκαν κόνεις άνθρακα, οι οποίες παρασκευάσθηκαν με ανθρακοποίηση και ενεργοποίηση ρητίνης Ρεσόλης, υπό μορφή κόνεως, στις ίδιες συνθήκες που παρασκευάσθηκαν οι μεμβράνες.Οι ισόθερμες προσροφήσεως έδωσαν χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με τη δομή των μεμβρανών ενώ υπολογίσθηκαν η ειδική επιφάνεια και το μέγεθος των πόρων. Η ανάλυση των πειραμάτων διαπερατότητας έδειξε ότι οι εξεταζόμενες μεμβράνες ήταν απαλλαγμένες δομικών ατελειών ενώ υπολογίσθηκε και ο παράγοντας δομής (kg) των μεμβρανών.Πειράματα προσροφήσεως CO2 σε υψηλές θερμοκρασίες, έδειξαν ικανοποιητική προσρόφηση ακόμα και σε υπερκρίσιμες συνθήκες (Τ=308 Κ). Το γεγονός αυτό αποδίδεται στη δημιουργία μιας ψευδο-υγρής φάσεως στο εσωτερικό των πόρων, λόγω του αυξημένου δυναμικού πεδίου των μικροπόρων. Τέλος, η διαφορική διαπερατότητα CO2 σε υπερκρίσιμες συνθήκες παρουσίασε μέγιστο. Το αποτέλεσμα αυτό βρίσκεται σε πλήρη συμφωνία με τα αποτελέσματα προσομοιώσεως της ροής μέσα από μικροπόρους.Οι μεμβράνες άνθρακα εμφανίζουν υψηλό συντελεστή εκλεκτικότητας για μίγμα CO2/Ν2 (1:1), ενώ δεν διαχωρίζουν ικανοποιητικά μίγμα CH4/CO2 (1:1). Τα αποτελέσματα αυτά βρίσκονται σε συμφωνία με αντίστοιχα των πειραμάτων της προσροφήσεως και της διαπερατότητας.Συνεπώς, είναι δυνατή η εξαγωγή χρήσιμων χαρακτηριστικών της πορώδους δομής μικροπορωδών μεμβρανών από πειράματα διαπερατότητας/ εκλεκτικότητας.