Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός ασύμμετρων πολυμερικών μεμβρανών, για τον διαχωρισμό συστατικών του φυσικού αερίου

Abstract

In this research the first experiments concern the performance of various polymers in permeability and gas separation procedures. The study is based on dense membranes, which are considered as the most appropriate products, for the correlation of the obtained experimental data with the materials’ native preferences. The materials that are used here are polymethyl-methcrylate, polysulfone, cellulose acetate and polyethylene, in various molecular weights. In the permeability experiments, the gases that are used are N2,CH4 ,H2S and their mixtures. The gases and experimental conditions (temperature for example) are selected in an attempt to simulate the substances of natural gas or other simple hydrocarbons, in ordinary membrane applications. The next part of the project, incorporates the study of a variety of aspects of the membrane casting (such as membrane shrinkage). Other technological procedures concerning gas separation with the use of polymeric membranes (such as membrane surface repair or annealing) are also investigated for their effect on the membrane’s structure and as of that to the membrane’s performance. The following section of the research, involves the study of simple porous fibers, which are considered as the dynamic aspect of the membranes. In this case the significant parameter of the fibers’ extension and its effect on the micro-morphology of the product, is studied. The structural details of interest are: finger like pores, the pores’ geometry and their size distribution. The fibers are casted from PMMA and Psf in various MW. Finally hollow fibers are studied. This category of fibers is interesting from technological point of view, taking into consideration their large permeating surface versus their small weight and volume, when they are used in procedures such as gas separation or similar. Yet the hollow fiber casting process, being quite similar with the case of simple fibers, is a field of research that the results of the previous experiments can be put into practice. Again the microstructure that is created under stresses during the fiber casting and the product quality, is the point of interest. PMMA and Psf, combined with various solvents are checked.

Στην πρώτη φάση της παρούσας εργασίας, οι πειραματικές διαδικασίες επικεντρώνονται στην μελέτη διαφόρων πολυμερών, σχετικώς με την απόδοση τους σε διαδικασίες περατοτήτων απλών αερίων. Η μελέτη διεξάγεται σε συμπαγείς μεμβράνες, οι οποίες κρίνονται ως οι καταλληλότερες για τον συσχετισμό των αποτελεσμάτων με τις «ονομαστικές» ιδιότητες των πολυμερών. Στα εμπλεκόμενα υλικά περιλαμβάνονται πολυμεθεκρυλικός-μεθυλεστέρας, πολυσουλφόνη, πολυαιθυλένιο, οξική κυτταρίνη, σε διάφορα διαθέσιμα μοριακά βάρη. Η μελέτη των περατοτήτων επικεντρώνεται κυριότερα σε άζωτο, μεθάνιο, υδρόθειο(σε περιορισμένη έκταση) καθώς και μίγμα αυτών. Η επιλογή των αερίων και οι συνθήκες διεξαγωγής των πειραμάτων γίνεται με γνώμονα την βέλτιστη δυνατή προσομοίωση του φυσικού αερίου αλλά και συνήθων εφαρμογών και χρήσεων. Σε επόμενο στάδιο της έχοντας επιλέξει τα καταλληλότερα πολυμερή για την χρήση τους σε διαχωρισμό αερίων με μεμβράνες, ελέγχονται διάφοροι παράμετροι της παρασκευής αλλά και διαδικασίες τεχνολογικού ενδιαφέροντος σχετικές με την ανάπτυξη ασύμμετρων πορωδών συστημάτων από τα αυτά. Οι εν λόγο πειραματικές ενότητες αφορούν την συρρίκνωση μεμβρανών, την δυνατότητα επισκευής μεμβρανών αλλά και συνακόλουθές δράσεις όπως ανόπτηση, οι οποίες διαδικασίες δύνανται να αναπτύξουν ιδιαίτερες μορφολογίες. Ακόλουθο στάδιο της εργασίας αφορά την μελέτη απλών πορωδών ινών, που θεωρούνται ως η δυναμική εκδοχή των ασύμμετρων μεμβρανών. Στην περίπτωση αυτή ελέγχεται η σημαντική παράμετρος της έκτασης των ινών και η επίδραση αυτής, στην μικρο-μορφολογία και την επιφάνεια των ινών. Οι δομικές λεπτομέρειες που ελέγχονται είναι η εμφάνιση μακροδακτύλων, τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των πόρων, η ανάπτυξη οικογενειών πόρων για δύο άμορφα πολυμερή: πολυμεθακρυλικό-μεθυλεστέρα και πολυσουλφόνη, εξεταζόμενα σε διάφορα μοριακά βάρη. Στο τελικό στάδιο, μελετάται η περίπτωση κοίλων πορωδών μεμβρανών. Η κατηγορία των κοίλων ινών είναι ιδιαιτέρως ενδιαφέρουσα από τεχνολογική άποψη, καθώς δύνανται να χρησιμοποιηθούν ως μεμβράνες για διαχωρισμούς αερίων, δεδομένης της πολύ μεγάλης ενεργής επιφάνειας που παρουσιάζουν για δεδομένο όγκο και βάρος προϊόντος. Οι ίνες αυτού του είδους, εξετάζονται σχετικά με την δομή που σχηματίζουν αλλά και την τελική τους ποιότητα, που δύνανται να επηρεάσουν σημαντικά την ενδεχόμενη χρήση σε διαδικασίες διαχωρισμού αερίων και περατοτήτων γενικότερα.