velikost textu

Novel materials for membrane gas separation

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
Novel materials for membrane gas separation
Název v češtině:
Nové materiály pro membránové separace plynů
Typ:
Disertační práce
Autor:
Verena Giel, dipl. ing., Ph.D.
Školitel:
RNDr. Zbyněk Pientka, CSc.
Oponenti:
Ing. Pavel Izák, Ph.D.
doc. Ing. Ondřej Vopička, Ph.D.
Id práce:
130378
Fakulta:
Přírodovědecká fakulta (PřF)
Pracoviště:
Katedra fyzikální a makromol. chemie (31-260)
Program studia:
Makromolekulární chemie (P1405)
Obor studia:
-
Přidělovaný titul:
Ph.D.
Datum obhajoby:
29. 11. 2018
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Jazyk práce:
Angličtina
Klíčová slova:
Polyanilin, polybenzimidazol, titanátové nanotrubice, membrány, permeace plynů, sorpce plynů
Klíčová slova v angličtině:
Polyaniline, polybenzimidazole, titanate nanotubes, membranes, gas permeation, gas sorption
Abstrakt:
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 matricí. Morfologie, mechanické a fyzikálně-chemické vlastnosti všech připravených materiálů byly studovány. Propustnost membrán pro plyny H2, O2, N2, CH4, a CO2 byla stanovena manometrickou metodou pomocí integrálního permeametru a sorpce těchto plynů v membránách byla stanovena gravimetricky. Vliv koncentrace PANI v PBI matrici, vliv protonace, tepelného zpracování a koncentrace TiNT na separační vlastnosti membrán pro plyny byly systematicky sledovány. Výsledky získané v této práci ukázaly na vztah struktura membrány-výkon membrány. Modifikace membrán PANI vede ke zlepšení jejich separačních vlastností. Výsledky získané během této studie poskytly základní pochopení vztahu struktury a výkonu, a odhalily, že složení a modifikační postup mají velký význam pro vlastnosti membránové separace. Ke zlepšení separační účinnosti dostatečné pro průmyslové aplikace bude však potřebný následný výzkum, zaměřený na optimalizaci podmínek přípravy membrán a úpravu membránové struktury.
Abstract v angličtině:
Summary 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) undoped PANI/PBI blend membranes, 2) doped PANI/PBI blend membranes, 3) thermally treated undoped and doped PANI/PBI blend membranes, and 4) undoped PANI/PBI-TiNT mixed matrix membranes (MMMs). Each material was characterized for its morphological, mechanical, and physico-chemical properties. Furthermore, gas permeation and sorption measurements were carried out on a time-lag permeation apparatus and a gravimetric sorption balance for the gases H2, O2, N2, CH4, and CO2 in order to investigate the gas separation behavior and to find out which membrane material possesses enhanced gas transport properties. The effect of the amount of PANI inside the PBI matrix, acid-doping, thermal treatment, and TiNT content was systematically investigated in relation to the gas permeation performance of the membranes. Furthermore, the membrane performance of each material was estimated with existing models as a means of interpretation of the experimental data and in order to figure out which membrane properties are good for a required membrane process. The results acquired during this study provided a fundamental understanding of the structure- property relationship and revealed that the composition and the modification procedure is of great importance for the membrane separation properties. Further research to optimize the membrane preparation conditions and to modify the membrane structure is needed to improve the separation performance for industrial applications.
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce Verena Giel, dipl. ing., Ph.D. 8.28 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce Verena Giel, dipl. ing., Ph.D. 187 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky Verena Giel, dipl. ing., Ph.D. 182 kB
Stáhnout Autoreferát / teze disertační práce Verena Giel, dipl. ing., Ph.D. 1.82 MB
Stáhnout Posudek oponenta Ing. Pavel Izák, Ph.D. 1.34 MB
Stáhnout Posudek oponenta doc. Ing. Ondřej Vopička, Ph.D. 216 kB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby 492 kB