بررسی تجربی فرآیند ساخت غشاء کربنی بر روی پایه‌های سرامیکی با استفاده از رزین فنلی به عنوان ماده پیشتاز

نویسندگان

1 پژوهشگاه صنعت نفت، پژوهشکده گاز

2 دانشگاه علم و صنعت ایران، دانشکده مهندسی شیمی

چکیده

در این پژوهش، نمونه‌هایی از غشاءهای کربنی پایه‌دار با استفاده از رزین فنلی به عنوان ماده پیشتاز تهیه شد و اثر شرایط پوشش‌دهی شامل نوع حلال، غلظت حلال و روش پوشش‌دهی بر چگونگی تشکیل یک لایه بی‌نقص از رزین بر روی پایه، مورد بررسی قرار گرفت. همچنین این لایه، تحت عملیات کربنیزه شدن قرار گرفت تا تبدیل به غشاء کربنی شود. به منظور بررسی اثر نوع پایه، دو نوع پایه با جنس و ساختار تخلخل متفاوت مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشان داد که تنها عامل تأثیرگذار بر بی‌نقص بودن لایه رزین، غلظت محلول رزین است. غلظت بالای محلول رزین قادر است لایه‌ای کامل بر روی سطح پایه متخلخل تشکیل دهد. لیکن این نمونه‌ها، در حین کربنیزه شدن تخریب می‌شوند و غشاء به دلیل ضخامت بالای لایه رزین، دچار ترک خوردگی می‌شود. آزمایش‌های مشابه که با پایه‌هایی با ابعاد کوچک‌تر حفرات انجام شد، نیز نتایج یکسانی را به دنبال داشت. با تکرار عملیات لایه نشانی، می‌توان به لایه‌هایی از رزین دست یافت که به طور کامل سطح حفرات را پوشش می‌دهند. متأسفانه این لایه‌ها نیز پس از عملیات کربنیزه شدن، دچار ترک خوردگی می‌شوند و غشاء حاصل، تراوایی زیاد و انتخاب‌گری بسیار کم برای جداسازی گازها نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

An Experimental Investigations into Preparation of Carbon Membrane Based on Porous Ceramic Supports and Phenolic Resin as a Precursor

نویسندگان [English]

  • Mohammad Mahdyarfar 1
  • Ali Mohajeri 1
  • Touraj Mohammadi 2
  • Yaser Fasli 2
1 Gas Research Division, Research Institute of Petroleum Industry
2 Chemical Engineering Department, Iran University of Science and Technology
چکیده [English]

In this paper, some samples of supported carbon membranes are prepared with phenolic resin as a precursor. The effects of coating conditions including solvent type, resin concentration, and coating method on the preparation of a defect-free resin layer on the support surface are investigated. This layer is faced to carbonization operation to be converted to the carbon layer. To study the effect of support, two different supports with different materials and porosity are used. The results show that only resin concentration affects the preparation of the defect-free layer. A high concentration of resin can produce a complete layer on the surface of the support. But this layer is destroyed during carbonization and some cracks appear on the surface of the membrane due to the high thickness of resin layer. Similar experiments with supports having pores with smaller diameters show similar results. By repeating the coating-carbonization cycle, producing the complete resin layer is possible; but, this layer is also destroyed during carbonization and the produced membrane shows a little selectivity for gas separation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Gas Separation
  • Membrane Separation
  • Carbon Membrane
  • Phenolic Resin
  • Carbonization
مراجع

[1]. Ismail A. F. and David L. I. B., “A review on the latest development of carbon membranes for gas separation”, J. Membr. Sci., Vol. 193, pp. 1-18, 2001.

[2]. Saufi S. M. and Ismail A. F., “Fabrication of carbon membranes for gas separation – a review”, Carbon, Vol. 42, pp. 241-259, 2004.

[3]. Williams P. J. and Koros W. J., “Gas separation by carbon membranes”, in: Li N., Fane A.G., Ho W.S. & Matsura T. (eds.), Advanced membrane technology and applications, John Wiley & Sons, Inc., 2008.

[4]. Fuertes A. B., “Adsorption-selective carbon membrane for gas separation”, J. Membr. Sci., Vol. 177, pp. 9-16, 2000.

[5]. Acharya M., Engineering design and theoretical analysis of nanoporous carbon membranes for gas separa tion, PhD Thesis, University of Delaware, 1999.

[6]. Shiflett M. B., Synthesis, characterization and application of nanoporous carbon membranes, PhD Thesis, University of Delaware, 2002.

[7]. Kita H., Nanbu K., Maeda H. and Okamoto K., “Gas separation and pervaporation through microporous carbon membrane derived from phenolic resin”, in: Pinnau I. & Freeman B.D. (eds.), Advanced materials for membrane separations, American Chemical Society, 2004.

[8]. Rao M.B. and Sircar S., “Nanoporous carbon membranes for separation of gas mixtures by selective surface flow”, J. of Membr. Sci., Vol. 85, pp. 253-264, 1993.

[9]. Chen Y. D. and Yang R. T., “Preparation of carbon molecular sieve membrane and diffusion of binary mixtures in the membrane”, Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 33, pp. 3146-3153, 1994.

[10]. Centeno T. A. and Fuertes A. B., “Carbon molecular sieve membranes derived from a phenolic resin supported on porous ceramic tubes”, Separation and purification technology, Vol. 25, pp. 379-384, 2001.

[11]. Wei W., Hu H., You L. and Chen G., “Preparation of carbon molecular sieve membrane from phenol–formaldehyde Novolac resin”, Carbon, Vol. 40, pp. 445 –467, 2002.

[12]. Duke M. C., Campbell R. & Deniz da Costa J. C., “Multi-layered silica-carbon molecular sieve membrane for CO2 separation”, International conference on nanoscience and nanotechnology, Brisbane, Australia, 3-7 July, 2006.

[13]. Centeno T. A. and Fuertes A. B., “Supported carbon molecular sieve membranes based on a phenolic resin”, J. of Membr. Sci., Vol. 160, pp. 201-211, 1999.

[14]. Katsaros F. K., Steriotis Th. A., Romanos G. E., Konstantakou M., Stubos A. K. and Kanellopoulos N. K., “Preparation and characterisation of gas selective microporous carbon membranes”, Microporous and Mesoporous Materials, Vol. 99, pp. 181–189, 2007.

[15]. Fuertes A. B., “Adsorption-selective carbon membrane for gas separation”, J. Membr. Sci., Vol. 177, pp. 9–16, 2000.

[16]. Fuertes A. B. & Menendez I., “Separation of hydrocarbon gas mixtures using phenolic resin-based carbon membranes”, Sep. Purif. Technol., Vol. 28, pp. 29–41, 2002.

[17]. Centeno T. A., Vilas J. L. & Fuertes A.B., “Effects of phenolic resin pyrolysis conditions on carbon membrane performance for gas separation”, J. Membr. Sci., Vol. 228, pp. 45–54, 2004.