Het ontwikkelen en toepassen van polymer membranen voor het scheiden van CO2

Voor het ontwerpen van membranen voor selectieve afscheiding van CO2 uit N2, werd gebruik gemaakt van enerzijds twee commerciële, hoogperformante polyimide polymeren, Extem en U-Varnish, en anderzijds van een ultraperformant polyamide-imide polymeer, Rhodeftal. De fasescheiding van zowel Extem/water/solvent systemen voor verschillende solventen als Extem/NMP/niet-solvent systemen voor verschillende coaguleermiddelen werden onderzocht. Op basis van cloud point gegevens konden er ternaire fasediagrammen opgesteld worden. N‑methyl-2-pyrrolidon (NMP), dimethylaceetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF) en dimethylsulfoxide (DMSO) werden gebruikt als solvent, terwijl water als coaguleermiddel gebruikt werd. De membranen die bereid werden vanuit de Extem/solvent/water systemen (behalve Extem/DMSO/water) vertoonden poriën met een vingerstructuur in de sublaag. Het Extem/DMSO/water systeem daarentegen had verrassend een sponsachtige structuur. In het Extem/NMP/niet-solvent systeem werden water, methanol en glycerol gebruikt als coaguleermiddel, NMP werd gebruikt als solvent. Een dikke, dense laag bovenop een macroporeuze onderlaag werd verkregen wanneer methanol als coagulant gebruikt werd, dit in tegenstelling tot het Extem/NMP/glycerol systeem, waarvoor een volledig sponsachtige structuur waargenomen werd, omhuld door een microporeuze oppervlaktelaag. Om de oorzaak van deze onverwachte waarnemingen te onderzoeken, werden verschillende parameters die een effect kunnen hebben op de membraanmorfologie onderzocht, waaronder de binaire interacties tussen solvent/niet-solvent, de mengenthalpie, de viscositeit en de diffusiesnelheid. De snelheid van het solventuitwisselingsproces voor het Extem/DMSO/water systeem lag lager wanneer men deze vergelijkt met de andere systemen, en dit wegens een hogere viscositeit van de casting solution en wegens een lagere diffusiesnelheid. Hierdoor werd uitgestelde ontmenging waargenomen.

De performantie van de geselecteerde polymeren op vlak van weekmaking werd onderzocht door de permeabiliteit van zuiver CO2 op te meten bij 35 °C en bij drukken tot 20 bar. De resultaten toonden aan dat Rhodeftal, ten opzichte van de andere polymeren, de minste effecten van weekmaking vertoonde. Dit kon verklaard worden door de sterke intramoleculaire krachten tussen naburige ketensegmenten van dit polyamide-imide polymeer. Om het weekmakingsfenomeen beter te begrijpen, werd de sorptie van CO2 in de geselecteerde polymeren berekend aan de hand van een mathematisch model, dat gebaseerd is op statistische analyse. De performantie van de geselecteerde polymeren op het gebied van gasscheiding werd verbeterd, door deze te blenden met commerciële polymeren, zoals Matrimid en Torlon. De mengbaarheid, de intermoleculaire interacties, de thermische stabiliteit en de kristalliniteit (d-spacing) van de membraanblends werden onderzocht gebruikmakende van onder andere DSC, FTIR en XRD. De karakterisatieresultaten toonden aan dat zowel Extem/Torlon als Extem/Matrimid onmengbare systemen zijn bij elke bestudeerde compositie. Dit is in tegenstelling tot Extem/U-Varnish en Matrimid/Rhodeftal, waarvoor mengbare polymeerblends verkregen werden. Het scheidingsvermogen van de membranen, die samengesteld waren uit deze blends, werd bestudeerd voor een gasmengsel dat bestond uit 15% vol. CO2 (aangevuld met N2). Voor systemen met partieel mengbare blends lag de selectiviteit significant hoger, terwijl de permeabiliteit afnam. In het geval van mengbare blends werd -zoals verwacht- vastgesteld dat de waarden voor permeabiliteit en selectiviteit binnen het bereik lagen van de waarden voor de zuivere polymeren.

Tenslotte werd HSP gebruikt om de mengbaarheid van twee polymeren te bestuderen, op basis van polymeer-polymeer interactie. Daarnaast werd dit ook gebruikt om een geschikt solvent voor beide polymeren te vinden. Uiteindelijk bleek dat men vanuit de berekeningen van de HSP, gebaseerd op individuele oplosbaarheidsparameters, de mengbaarheid van twee polymeren beter kan voorspellen dan vanuit de totale oplosbaarheidsparameter; de totale oplosbaarheidsparameter bleek immers niet in staat te zijn de mengbaarheid van polymeren te voorspellen. DMF werd gebruikt bij de bereiding van de blendoplossingen, aangezien het de grootste affiniteit vertoonde voor alle bestudeerde blendpolymeren.