Fabrication of a Polyetherimide/ZIF-8 Composite Membrane for Separating Carbon Dioxide from Methane.

Document Type : Original Article

20.1001.1/jgt.2024.2022467.1034.
Abstract
In the present work, a polyetherimide/ZIF-8 composite membrane was fabricated by solution casting technique. The prepared membranes were Characterized using Scanning Electron Microscopy (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy – attenuated total reflectance (FTIR-ATR), energy dispersive X-ray (EDAX) and X-ray diffraction (XRD). Furthermore, the membrane''''s performance in separating carbon dioxide and methane was analyzed through single gas permeability measurements. FTIR-ATR spectrum of the prepared membrane confirmed the functional groups of polyetherimide. XRD analysis showed that the additive was well dispersed in the polymer, resulted in a reduction in the membrane''''s crystallinity. EDAX analysis confirmed the existence and proper dispersion of Zn particles in the membrane. Finally. The results of permeability tests showed that adding ZIF-8 to the membrane significantly increased its permeability and selectivity. The permeability of the composite membrane for CO2 gas was 5.91 GPU, more than twice that of the pure polyetherimide membrane. Additionally, the permeability for CH4 gas was 0.31 GPU, representing a significant improvement over the pure membrane''''s permeability of 0.17 GPU. The carbon dioxide/methane selectivity also rose from 15.3 in the pure membrane to 19.1 in the composite membrane. In conclusion, the study demonstrated that adding ZIF-8 to a polyetherimide matrix can improve the effectiveness of the resulting composite membrane for separating CO2 from CH4. The improvement in selectivity was primarily due to the increased solubility coefficient of carbon dioxide compared to methane in the composite membrane.

Keywords


Article Title Persian

تولید غشای کامپوزیت پلی‌اترایمید/ 8-ZIF برای جداسازی دی‌اکسید کربن از متان

Abstract Persian

در این مطالعه، غشای کامپوزیت پلی‌اترایمید/ 8-ZIF به روش ریخته‌گری حلال تولید شد. طیف‌سنجی فوریه تبدیل مادون‌قرمز – بازتاب کاهش‌یافته (FTIR-ATR) غشای تهیه‌شده تأیید کرد که گروه‌های عاملی پلی‌اترایمید وجود دارند. پراش اشعه ایکس (XRD) نشان داد که ذرات افزودنی به‌خوبی در پلیمر پخش شده است که منجر به کاهش بلورینگی غشا شد. پراش اشعه ایکس پراکنده انرژی (EDAX) وجود و پخش مناسب ذرات روی در غشا را تأیید کرد. در نهایت، نتایج آزمون‌های عبور نشان داد که افزودن ZIF-8 به غشا به‌طور قابل‌توجهی میزان عبور و انتخاب‌پذیری آن را افزایش داده است. عبور غشای کامپوزیت برای گاز دی‌اکسید کربن GPU ۵.۹۱ بود، بیش از دو برابر غشای پلی‌اِتریمید خالص. علاوه بر این، عبور گاز متان GPU ۰.۳۱ بود که نشان‌دهنده بهبود قابل‌توجهی نسبت به نفوذیت غشای خالص با عبور GPU۰.۱۷ بود. همچنین، انتخاب‌پذیری دی‌اکسید کربن/متان هم از ۱۵.۳ در غشای خالص به ۱۹.۱ در غشای کامپوزیت افزایش یافت. در نتیجه، این مطالعه نشان داد که افزودن 8-ZIF به ماتریس پلی‌اِتریمید می‌تواند کارایی غشای کامپوزیت حاصل را در جداسازی CO2 از CH4 بهبود بخشد. این بهبود انتخاب‌پذیری را می‌توان بیش از همه به افزایش ضریب حلالیت دی‌اکسید کربن نسبت به متان در غشای کامپوزیت ارتباط داد.

Keywords Persian

پلی‌اترایمید
غشای ماتریس آمیخته
8-ZIF
جداسازی گاز
  1. Azizi, N., Mohammadi, T. and Behbahani, R. M., 2017. Synthesis of a new nanocomposite membrane (PEBAX-1074/PEG-400/TiO2) in order to separate CO2 from CH4. J. Nat. Gas. Sci. Eng., 37, 39. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2016.11.038
  2. Bergaoui, M., Khalfaoui, M., Awadallah, F. A. and Al-Muhtaseb, S., 2021. A review of the features and applications of ZIF-8 and its derivatives for separating CO2 and isomers of C3-and C4-hydrocarbons. J. Nat. Gas Eng., 96, 104289. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2021.104289
  3. Chen, B. K., Su, C. T., Tseng, M. C. and Tsay, S. Y., 2006. Preparation of Polyetherimide Nanocomposites with Improved Thermal, Mechanical and Dielectric Properties. Polym. Bull., 57 (5), 671. http://dx.doi.org/10.1007/s00289-006-0630-3
  4. Dorosti, F., Omidkhah, M. and Abedini, R., 2014. Fabrication and characterization of Matrimid/MIL-53 mixed matrix membrane for CO2/CH4 separation. Chem. Eng. Res. Des., 92 (11), 2439. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2014.02.018
  5. Eiras, D., Labreche, Y. and Pessan, L. A., 2016. Ultem®/ZIF-8 Mixed Matrix Membranes for Gas Separation: Transport and Physical Properties. Mater. Res., 19 (1), 220. https://doi.org/10.1590/1980-5373-MR-2015-0621
  6. Ma, Y., Sun. Y., Yin, J., Sun, H., Wu, H. and Wang, H., 2019. A MOF membrane with ultrathin ZIF-8 layer bonded on ZIF-8 in-situ embedded PSf substrate. J. Taiwan Inst. Chem. Eng., 104, 273. https://doi.org/10.1016/j.jtice.2019.08.012
  7. Murali, R. S., Sridhar S., Sankarshana, T. and Ravikumar, Y. V. L., 2010. Gas Permeation Behavior of Pebax-1657 Nanocomposite Membrane Incorporated with Multiwalled Carbon Nanotubes. Ind. Eng. Chem. Res., 49 (14), 6530. http://dx.doi.org/10.1021/ie9016495
  8. Perez, E. V., Balkus, K. J., Ferraris, J. P. and Musselman, I. H., 2009. Mixed-matrix membranes containing MOF-5 for gas separations. J. Membr. Sci., 328(1-2), 165. http://dx.doi.org/10.1016/j.memsci.2008.12.006
  9. Rahman, S. N., Saleem, H. and Zaidi, S. J., 2023. Progress in membranes for pressure retarded osmosis application. Desalination., 549, 116347. http://dx.doi.org/10.1016/j.desal.2022.116347
  10. Setiawan, W. K. and Chiang, K. Y., 2019. Silica applied as mixed matrix membrane inorganic filler for gas separation: a review, Sustain. Environ. Res., 29 (1), 1. https://doi.org/10.1186/s42834-019-0028-1
  11. Singh, K., Devi, S., Bajaj, H. C., Ingole, P., Choudhari, J. and Bhrambhatt, H., 2014. Optical Resolution of Racemic Mixtures of Amino Acids through Nanofiltration Membrane Process, Sep. Sci. Technol., 49 (17), 2630. https://doi.org/10.1080/01496395.2014.911023
  12. Vega, J., Andrio, A., Lemus, A. A., Díaz, J. A. I., del Castillo, L. F., Gavara, R. and Compañ, V., 2019. Modification of polyetherimide membranes with ZIFs fillers for CO2 separation. Sep. Purif. Technol., 212, 474. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.11.033
  13. Xia, W., Zhu, J., Guo, W., An, L., Xia, D. and Zou, R., 2014. Well-defined carbon polyhedrons prepared from nano metal–organic frameworks for oxygen reduction. J. Mater. Chem. A., 2 (30), 11606. http://dx.doi.org/10.1039/C4TA01656D

Articles in Press, Accepted Manuscript
Available Online from 23 August 2023