افزایش بازده جداسازی گاز با عامل دار کردن سطح غشاهای نانومتخلخل

Enhancing gas separation efficiency by surface functionalization of nanoporous membranes

چکیده

در این مقاله شواهدی مربوط به تغییرات بازده جدایش غشاهای آلومینای آندی نانومتخلخل با قطر کانال ۱۰-۱۰۰ نانومتر را که توسط اکتادسیل فسفونیک اسید و به روش سنتی عامل دار شده است، ارائه می شود. تعدیل کردن سطح با استفاده از گروه های آلکیل با چگالی سطح ۲group/nm^۲، منجر به کاهش ۳-۵۰۰ برابری تراوایی (نفوذپذیری) کل می شود که به طبیعت گاز نفوذ کننده و قطر کانال های غشا بستگی دارد.

اختلاف گازهای مختلف در میزان نفوذ پذیری با کاهش قطر تخلخل ها افزایش می یابد. در یک غشا با سطح عامل دار شده و قطر کانال ۱۰nm، فاکتور جداسازی گاز ایده آل و مختلط n-C_۴H_۱۰/ CH_۴ (با میزان نفوذ ۳/۵m^۳) به ترتیب به ۳/۳۲ و ۹ می رسد. این اثر به تغییر نسبت زمان عبور مولکول به زمان ماندن آن در حالت جذب شده مربوط است؛ همانطوری که اشباع سطح توسط مولکول های جذب شده به ضریب تطابق گشتاور تماسی مربوط است که با استفاده از مدل مشتقی بیان می شود. سهم این دو فاکتور منجر به افزایش فاکتور جدایش گازهای پایدار و تراکم پذیر به بیش از حد Knudsen شده و تراوایی بالای غشای متخلخل را حفظ می کند.

جهت دانلود ترجمه تخصصی و فارسی این مقاله می توانید وجه آنرا پرداخت نموده و بلافاصله دریافت نمایید.

ABSTRACT

Here we report evidence for substantial changes in the separation efficiency of nanoporous anodic alumina membranes with nanochannel diameters ranging from 10–۱۰۰ nm modified with octadecylphosphonic acid in the transitional flow regime. Softening of surface by alkyl groups with a surface density ∼۲ groups/nm2 leads to a general permeance decrease in 3–۵۰۰ times, depending strongly on the penetrant gas nature and the channels diameter.

The divergence of the permeance, for different gases, increases with the decreasing diameter of the pores. For a surface-functionalized membrane, with 10-nm channel diameters, it results in n-C4H10/CH4 ideal and mixed gas separation factors up to 32.3 and 9.0 respectively at a n-C4H10 permeance up to 3.5 m3/ (m2·bar·h). The effect is related to the changes of the ratio of molecule travelling time to residence time in the adsorbed state, as well as a strong influence of surface saturation by the absorbed molecules on the tangential momentum accommodation coefficient, which is supported by the derived model. Synergetic contribution of these two factors allows to enhance the separation factor of permanent and condensable gases strongly beyond the Knudsen limit, while maintaining a high permeance of porous membranes.