دانلود رایگان ترجمه مقاله تاثیر حلالها در تعدیل زئولیت SAPO-34 با ۳-آمینوپروپیل تریدتروفسی سیلان – الزویر ۲۰۱۳

مقاله انگلیسی رایگان (PDF)

ترجمه فارسی رایگان (PDF)

خرید ترجمه با فرمت ورد

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

۱ . مقدمه
زئولیت ها مواد آلومینوسیلیکات غیر معدنی هستند که در جداسازی گاز غشا با توجه به ساختارهای منفرد تکرار شده خود پتانسیل بالایی را نشان داده اند. اندازه گیری دقیق و تمیز شکل از یک توزیع منحنی باریک، انتخاب برتر در جداسازی گاز را تضمین می کند [۱]. زئولیت SAPO-34 به ویژه برای جداسازی گاز مناسب است زیرا ساختار چابازیت آن (CHA) دارای اندازه منفذی ۰٫۳۸ نانومتر است؛ که تقریبا شبیه به اندازه مولکولی گازهای مختلف است، به ویژه در یک برنامه کاربردی گاز طبیعی. بنابراین، زئولیت SAPO-34 به عنوان پرکننده های انتخابی در غشاهای ماتریکس مخلوط (MMMs) برای جداسازی دی اکسید کربن (CO2) [2،۳] اضافه شده است. به طور کلی MMM ها از پلیمر به عنوان فاز پیوسته و پرکننده معدنی به عنوان فاز پراکنده تشکیل شده اند.MMM ها ویژگی های ترکیب شده برتر هر دو پرکننده معدنی و پلیمر را برای دستیابی به عملکرد جداسازی گاز عالی نشان می دهند [۴]. با این حال، فضاهای غیر انتخابی دورویه در MMM به علت سازگاری ضعیف بین پلیمر و پرکننده های معدنی شکل می گیرند، که تاثیر عمیقی بر عملکرد جداسازی دارد [۵]. عوامل اتصال سیلان برای بهبود سازگاری زئولیت در ماتریکس پلیمری پیشنهاد شده است. عوامل اتصال سیلان عبارتند از: مواد شیمیایی مبتنی بر سیلیکون که شامل دو نوع گروه واکنشی، یعنی گروه های غیر آلی و ارگانیک در یک مولکول است. فرمول کلی یک عامل اتصال سیلان، R- (CH2) n-Si-X3 است که در آن X یک گروه قابل هیدرولیز است مانند متاکسی، اتاکسی یا استاکسی، در حالی که R یک گروه اصلی از اعضای بدن است، مانند آمینو، متاکریلوسکی و اپوکسی . پس از پیوند زئولیت، عامل اتصال سیلان به عنوان یک رابط موثر عمل می کند که یک تعامل پیچیده از عوامل شیمیایی و فیزیکی مانند گرادیان غلظت، ضریب انبساط و چسبندگی است.
خواص منحصر به فرد فیزیکی و شیمیایی عامل اتصال سیلان می تواند حتی در طی فرسودگی کامپوزیت از قطع اتصال جلوگیری کند [۶].
پچر و همکارانش [۷] استفاده از ۳-آمینوپروپیلت تریمتوکسیسیلان (APTMS) را برای تغییر زئولیت ZSM-2 قبل از ترکیب با غشاهای پلییمید اعلام کردند. اگر چه میکروگراف های SEM و TEM نشان دهنده عدم وجود حفره هاست، MMM ها از لحاظ انتخاب و نفوذپذیری CO2 به دلیل انسداد زاویه روی زئولیت ZSM-2 عملکرد ضعیفی را نشان داده اند. [۸] . پچر و همکارانش برای استفاده از MMIM های پلییمید، از پلی اتیل مینرال سیلان شده با فرمول ۳-آمینوپروپیلتتری اکسیدیزان (APTES) اصلاح شده استفاده کردند. هم انتخاب و هم نفوذپذیری سیگنال MMM اصلاح شده نسبت به غشای شسته شده و تمیز کاهش یافته است. کاهش جذب CO2 نشان داده که منافذ زئولیت نیز توسط APTES مسدود شده اند. به جای استفاده از تولوئن به عنوان حلال در اصلاح سیلان، اسماعیل و همکاران. [۶] زئولیت ۴A اصلاح شده با استفاده از APTES در اتانول را اصلاح کردند. علاوه بر سازگاری خوبی بین غشاء زئولیت اصلاح شده و پلی اترسولون (PES) مشاهده شده، پیشرفت خوبی در انتخاب CO2 بدست آمده است. با این حال، نفوذ پذیری CO2 تقریبا ۸۰٪ در مقایسه با غشای PES شسته شده کاهش یافته است. کاهش نفوذ پذیری را تنها می توان توسط استحکام پلیمر توضیح داد [۹].
در آماده سازی PES MMMs، Li و همکاران. [۱۰] زئولیت ۳A، ۴A و ۵A را با استفاده از ۳-آمینوپروپیل متیل دیوتروکسی سیلان (APMDES) در تولوئن اصلاح کردند. این اصلاح باعث کاهش استحکام زنجیره پلیمری و انسداد منافذ جزئی شده که با ماتریس پلیمری القا شده اند. در نتیجه، هم انتخاب و هم نفوذپذیری CO2 از طریق MMM مخلوط شده با زئولیت اصلاح شده، بیشتر از MMM حاوی زئولیت بدون تغییر بوده اند. بهبود مشابه در جداسازی گاز توسط هیلاک و همکارانش [۹]گزارش شده است، که MMM ها را با استفاده از زئولیت SSZ-13 اصلاح شده با (۳-آمینوپروپیل) -dimeethyl-ethoxysilane (APDMES) در تولوئن نیز ساخته اند. گروهی از محققان دانشگاه لویول [۱۱] نیز ۶MDA MMF را با استفاده از زئولیت فوجازی رشد با هم و فیزیکی EMC-2 (FAU / EMT) با APMDES پیوند دادند. آنها اعلام کردند که MMM با ۲۵ درصد وزنی از زئولیت پیوندی در شرایط پیوند بهینه (۸۵، ۲۴ و ۰٫۳۵ میلی مولاری APMDES / میلی لیتر ایزوپروپانول (IPA) بهبود قابل توجهی را هم در انتخاب و هم نفوذ پذیری CO2 در مقایسه با غشای شسته شده پلیمید نشان داده است. با این حال MMM های اصلاح شده دارای نفوذ پذیری پایین ترند، اما در مقایسه با MMM بدون تغییر انتخاب بیشتری دارند. افزایش مقدار APMDES زنجیره ای روی ساختار زئولیت منجر به ایجاد فاز دو رویه محکم می شود [۱۱]. علاوه بر این، کاهش سطح و حجم میکروپور زئولیت ها نشان می دهد که منافذ زئولیت نیز توسط بخشی از سیلان ایجاد شده اند. در مطالعات بعدی شان [۵]، زئولیت FAU / EMT با APTES، APMDES و APDMES در حلالهای با قطبیت متنوع پیوند داده شد. نتیجه نشان داد که تمام MMM های اصلاح شده، به ویژه MMMs حاوی زئولیت اصلاح شده با استفاده از APTES با IPA به عنوان حلال پیوند، دارای انتخاب و نفوذ پذیری بالاتر CO2 نسبت به MMM های تغییر نیافته و غشاهای پلیمری مرتب هستند. علاوه بر بهبود رابط پرکننده / پلیمر، واکنش پیوند بیشتر از رسوب گذاری پرکننده جلوگیری می کند و باعث پخش پراکندگی همگن ذرات زئولیت در ماتریکس پلیمری می شود. استفاده از حلال قطبی، مانند IPA، در واکنش پیوند می تواند توزیع یکنواخت بیشتر از محل های پیوند را با افزایش تحرک مولکول های آمینوسیله تولید کند. علاوه بر این، سطح منطقه BET به شدت تحت تاثیر تغییرات در میزان آمینوسیلان پیوند شده قرار نمی گیرد.
برای اطلاع بیشتر ما، کار تحقیقاتی زیادی بر اصلاح سیلان از زئولیت SAPO برای آماده سازی MMM برای جداسازی CO2 تمرکز نمی کند. بر اساس بررسی نوشته های دقیق، اصلاح SAPO زئولیت با استفاده از سیلان دارای پتانسیل زیادی برای افزایش جداسازی CO2 از MMM ها است. در این کار، ۳-آمینوپروپیل تریدتروفسی سیلان (APMS) به عنوان عامل اتصال سیلان انتخاب شده، زیرا متاکسی سیلان ها در واکنش هیدرولیز نسبت به گروه های اتوسیکی راحت تر هستند [۱۲]. علاوه بر این، اثرات IPA و اتانول به عنوان حلال برای پیوند سیلان به منظور دستیابی به جداسازی CO2 رضایت بخش مقایسه شده است.

بخشی از مقاله انگلیسی:

۱٫ Introduction

Zeolites are inorganic aluminosilicate materials which have shown great potential in membrane gas separation due to their well-defined repeating pore structures. The accurate size and shape discrimination resulted from a narrow pore distribution ensures the superior selectivity in gas separation [1]. SAPO-34 zeolite is particularly suitable for gas separation because its chabazite (CHA) structure has a 0.38 nm framework pore size; which is nearly similar to the molecular sizes of various gases, especially in a natural gas application. Thus, SAPO-34 zeolite has been added as the selective fillers in mixed matrix membranes (MMMs) for carbon dioxide (CO2) separation [2,3]. In general, MMMs composed of polymer as the continuous phase and inorganic filler as the dispersed phase. MMMs exhibit the combined superior properties of both inorganic fillers and polymer to achieve excellent gas separation performance [4]. However, non-selective interfacial voids form in the MMMs due to the poor compatibility between the polymer and inorganic fillers, resulting profound impact on the separation performance [5]. Silane coupling agents were commonly proposed to improve the compatibility of zeolite in polymeric matrix. Silane coupling agents are silicon-based chemicals which contain two types of reactive groups, namely inorganic and organic groups in the same molecule. The general formula of a silane coupling agent is R-(CH2)n-Si-X3 in which X is a hydrolyzable group, such as methoxy, ethoxy or acetoxy, while R is an organo functional group, such as amino, methacryloxy and epoxy. After grafting on the zeolite, the silane coupling agent acts as an effective interface, which is a complex interaction of chemical and physical factors, such as concentration gradient, expansion coefficient and adhesion. The unique physical and chemical properties of silane coupling agent can even prevent debonding during composite aging [6]. Pechar et al. [7] reported the use of 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) to modify ZSM-2 zeolite before blending into polyimide membranes. Although SEM and TEM micrographs showed the absence of voids, the MMMs showed poor performance in terms of CO2 selectivity and permeability due to the pore blockage on ZSM-2 zeolite [8]. Pechar and co-workers further used silanated zeolite L filler modified with 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) to prepared polyimide MMMs. Both CO2 selectivity and permeability of the modified MMM dropped relatively to the neat membrane. The reduction of CO2 adsorption indicated the zeolite pores was also partially blocked by APTES. Instead of using toluene as the solvent in the silane modification, Ismail et al. [6] modified zeolite 4A using APTES in ethanol. Besides the good compatibility between the modified zeolite and polyethersulfone (PES) membrane was observed, a great improvement in the CO2 selectivity was achieved. However, the CO2 permeability was reduced nearly 80% compared to the neat PES membrane. The reduction of permeability can only be explained by the polymer rigidification [9]. In the preparation of PES MMMs, Li et al. [10] modified zeolite 3A, 4A and 5A using 3-aminopropylmethyldiethoxy silane (APMDES) in toluene. The modification reduced the rigidification of polymer chain and partial pore blockage which induced by the polymer matrix. As a result, both of the selectivity and permeability of CO2 via MMM blended with the modified zeolite were higher than those MMMs containing zeolite without the modification. Similar improvement in the gas separation was reported by Hillock et al. [9] who fabricated MMMs using SSZ-13 zeolite modified with (3-aminopropyl)-dimethyl-ethoxysilane (APDMES) in toluene as well. A group of researchers from Laval University [11], also synthesized 6FDA-ODA MMMs using intergrowth Faujasite and EMC-2 (FAU/EMT) zeolite grafted with APMDES. They reported that MMMs with 25 wt.% of zeolite grafted at optimum grafting condition (85 C, 24 h and 0.35 mmol APMDES/ml isopropanol (IPA)) exhibited great improvement in both CO2 selectivity and permeability compared to the neat polyimide membrane. However, modified MMMs possessed lower permeability, but higher selectivity as compared to unmodified MMM. Increasing the amount of APMDES chained on zeolite structure resulted rigidified interfacial phase [11]. Additionally, the reduction of surface area and micropore volume of the zeolites suggested the zeolite pores were also partially blocked by the silane coupling agent. In their subsequent study [5], FAU/EMT zeolite was grafted with APTES, APMDES and APDMES in solvents with varied polarity. The result revealed that all the modified MMMs, especially those MMMs containing modified zeolite using APTES with IPA as the grafting solvent, possessed higher CO2 selectivity and permeability compared to the unmodified MMMs and neat polymeric membranes. Besides improving filler/polymer interface, the grafting reaction further prevented the filler sedimentation, yielding improved homogenous dispersion of zeolite particles in polymeric matrix. The employment of polar solvent, such as IPA, in grafting reaction could generate more uniform distribution of grafting sites by increasing mobility of the aminosilane molecules. In addition, BET surface area was not much affected by changes on the amount of grafted aminosilane. To our best knowledge, not much research work focuses on the silane modification of SAPO zeolites to prepare MMMs for CO2 separation. Based on the detailed literature review, modification of SAPO zeolite using silane has a great potential to further enhance the CO2 separation of MMMs. In this work, 3-aminopropyl trimethoxy silane (APMS) was selected as silane coupling agent because methoxy silanes are more readily in hydrolysis reaction compared to ethoxy groups [12]. In addition, the effects of IPA and ethanol as the solvent for silane grafting were compared in order to achieve satisfactory CO2 separation.