ساخت غشای نانوساختار کربنی برای جداسازی دی اکسیدکربن از متان

نانولوله کربنی (cnt) پیشتاز اکتشافات بی نظیر کربنی در دو دهه اخیر است. بسیاری از پژوهشگران امید دارند که با کمک این ساختار شگفت انگیز نانومتری، غشاهای جدیدی بسازند که بتواند مشکلات غشاهای موجود را برطرف نماید. آنچه استفاده از غشاهای cnt را به تأخیر انداخته است، این است که عمده روشهای موجود برای ساخت این غشاها دشوار و پرهزینه و غیر قابل افزایش مقیاس هستند و مهمتر اینکه در جداسازی گاز کارایی مناسبی ندارند. هر چند مزیت اصلی آنها افزایش تراوایی است. در این رساله روشهای مختلفی برای ساخت غشا از نانولوله های کربنی و قابلیتهای این ماده در ساخت مورد بررسی قرار گرفت و روشهای نوینی ارائه گردید. برای انجام آزمایشهای غشایی، دو جزئی مهم co2/ch4 انتخاب شد که با توجه به منابع عظیم گازی کشور، جداسازی آن در ایران از جایگاه ویژه ای برخوردار است. ابتدا برای بررسی رفتار cntها در جداسازی گاز، غشای لوله ای cnt عامل دار (گروه کربوکسیل) با چسباننده نسبتاً خنثای پلی استایرن بر پایه استیل متخلخل ساخته شد. در روش ساخت آن از ترکیب روش ساخت باکی پیپر و ماتریس های مخلوط استفاده شد. میزان تراوایی گازهای co2 و ch4 از این غشاها 30 تا 60 برابر بیش از غشای پلی استایرن و تقویت شده آن با نانولوله کربنی است. میزان گزینش پذیری این نمونه در جداسازی co2/ch4 66/0 است که از گزینش پذیری نودسن بیشتر است. این افزایش به تمایل بیشتر cntها در جذب co2 نسبت به متان ارتباط دارد. با توجه به اینکه به کمک فیلتراسیون تحت خلأ نمی توان اتصالات مناسبی برای cntها ایجاد نمود، این غشاها در اثر فشار گاز و افزایش حرکت cntها بتدریج کارایی خود را در جداسازی از دست می دهند. در مرحله بعد، غشاهای نامنظم نانوساختار کربنی (نانولوله کربنی، نانوفیبرکربنی و میکروکویل-کربنی) در یک مرحله cvd ساخته شد. برای این منظور از زیرلایه ارزان قیمت و قابل حل در آب nacl استفاده گردید. این غشاها حالت اسفنجی دارند، اما با قرار دادن توزیع کننده در مقابل کاتالیست به هنگام واکنش، تراکم بیشتری در ساختارشان ایجاد می گردد که منجر به شکننده شدن آنها می شود. اثر پارامترهای ساخت بر استحکام مکانیکی غشاهای تولیدی مورد بررسی قرار گرفت. نمونه های ساخته شده پس از اکسیداسیون، فقط 5/5% ناخالصی دارند. این غشاهای نامنظم به دلیل دارا بودن حفرات درشت قادر به جداسازی گاز نیستند. غشاهای میکروکویل کربنی در مقطع عرضی ساختاری منعطف دارند اما نسبت به خم شدن آسیب پذیر هستند. در این رساله برای اولین بار غشای نامتقارن cnt در واکنش یک مرحله ای cvd ساخته شد. این نمونه پایه ای متخلخل از cntهای همراستای عمودی دارد که در سطح بالایی آن لایه ای نازک از cntهای نامنظم قرار گرفته اند. چنین نمونه ای را می توان به عنوان پایه ای مستقل به کار گرفت، شکنندگی غشاهای کربنی را ندارد و به دلیل دارا بودن ساختار خالصی از cnt چند دیواره تا دمای °c 500 پایداری حرارتی دارد. به علاوه پیوند میان سطح بالایی و قالب متخلخل پایینی از طریق عاملدار شدن برقرار نشده و بنابراین اثر معکوس میان واکنش پذیری و پایداری حرارتی cntها در آن حذف شده است. این نمونه پیش از انجام هرگونه عملیات خالص سازی دارای 10% ناخالصی است. علیرغم این که تراوایی گاز از این نمونه عالی است، هنوز برای ایجاد کارایی جداسازی، در لایه جداکننده نیاز به بهینه سازی دارد.