Novel materials for membrane gas separation

Abstract

Souhrn Mnoho vědeckých pracovišť se věnuje vývoji polymerních membrán pro separace plynů. Nicméně v komerční praxi bylo zatím použito jenom několik typů polymerů. Aby membránová separace plynů mohla soutěžit s klasickými metodami, je zřejmá poptávka po nových materiálech s lepšími separačními vlastnostmi. Cílem této práce byla příprava membrán z nových polymerních materiálů. Ke studiu byl zvolen polyanilin (PANI), mnohostranný polymer, jenž může podstatně měnit svoje strukturní vlastnosti různými modifikačními postupy. Samotný PANI vykazuje vysokou O2/N2 selektivitu, a proto by mohl být zajímavý pro různé aplikace jako například obohacování vzduchu kyslíkem nebo naopak příprava inertní dusíkové atmosféry. Membrány z výchozího PANI jsou ale křehké a náchylné k prasklinám. PANI byl proto míchán s polybenzimidazolem (PBI), což je tepelně odolný a filmotvorný polymer. Ze směsného materiálu PANI/PBI tak bylo možné připravit tenké a stabilní polymení fólie. Tyto byly dále modifikovány několikerým způsobem: protonovány kyselinou, tepelně upraveny, přídavkem titanátových nanotrubic (TiNT). Tak byly připraveny následující materiály: 1) směsi neprotonovaný PANI/PBI, 2) směsi protonovaný PANI/PBI 3) tepelně zpracované směsi protonovaného i neprotonovaného PANI/PBI, 4) neprotonovaný PANI/PBI-TiNT membrány se smíšenou...

The implementation of polymer membranes in gas separation applications has been investigated to a great extent. Nevertheless, only a few types of polymers are used in commercial applications, disclosing the need for new materials with superior membrane performance to make membrane processes a more competitive technology over the conventional ones. Based on this context, this work focuses on the development of new polymeric membranes. Polyaniline (PANI), a multifaceted polymer that can change its structural properties upon various modification procedures, was chosen as membrane material. PANI membranes possess attractive O2/N2 selectivities, wherefore it is an interesting candidate for the use in gas separation applications, such as generation of oxygen-enriched air or inert gas generation. However, membranes made from neat PANI are suffering from brittleness and thus create leak paths through the membrane. Therefore PANI was blended with polybenzimidazole (PBI), a temperature stable polymer with good film-forming properties facilitating the preparation of thin, stable polymer films. Furthermore, several techniques were investigated including acid-doping, thermal treatment, and addition of titanate nanotubes (TiNTs) to enhance the separation properties. The materials that have been prepared are: 1)...