Aljayyousi, R. H.-A. A. A.-R. (2023). Manufacture and characterization of composite membranes by dipcoating for gas separation applications [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2023.103520
Trennverfahren sind in der chemischen Industrie von großem Interesse, um Produkte zu isolieren und die Reaktanten zurückzugewinnen. Es wurden viele Trenntechniken entwickelt, aber eine der bekanntesten und modernsten Techniken war die Membran Trennung. Diese Methoden helfen bei der Reduzierung der Kapitalinvestitionen, der Betriebskosten und erhöhen die Sicherheit des Prozesses. Heutzutage werden viele Membrananwendungen in der Gastrennung eingesetzt. In den USA und einigen europäischen Ländern werden Gasfilter bereits in großem Maßstab in der Industrie eingesetzt.Für die Gastrennung können viele verschiedene Membrantypen verwendet werden, wie z. B. Flach- oder Hohlfasermembranen aus Polymerverbundwerkstoffen. Die Gastrennleistung der Membranen kann durch Beschichtung der Membran mit einer geeigneten Beschichtung verbessert werden. In dieser Arbeit wurden verschiedene Beschichtungslösungen mit Pebax®-Copolymeren hergestellt und getestet, um die Selektivität im Gastrennverfahren zu verbessern.Die Beschichtung von Polypropylen-Hohlfasern (PP) mit verschiedenen Arten von Pebax® Copolymeren wurde bei unterschiedlichen Konzentrationen der einzelnen Polymere und unterschiedlichen Beschichtungsgeschwindigkeiten untersucht. Die Versuche wurden in zwei Modi durchgeführt, automatisch (Beschichtungsanlage, die von der TU Wien gebaut wurde) und manuell durch normales Eintauchen der Fasern in die Beschichtungslösung. Der automatische Modus wurde nur für den ersten Pebax®, Pebax®-1657, durchgeführt, während die gesamte Arbeit im manuellen Modus mit verschiedenen Konzentrationen von drei Pebax®, Pebax®-1657, Pebax®-5513 und Pebax®-1074, durchgeführt wurde. Die beschichteten Fasern wurden im REM untersucht, um die Dicke und die Gleichmäßigkeit der Beschichtung zu bestimmen. Außerdem wurde ihre Gasdurchlässigkeit und ihre Selektivität mit einer Gas Permeationsanlage (GP), die vom Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften der TU Wien gebaut wurde, getestet und bestimmt.Bei der maschinellen Beschichtung führte die niedrigere Aufnahmegeschwindigkeit zu der geringsten Schichtdicke, während die höchste Schichtdicke unter den gleichen Bedingungen mit der höheren Aufnahmegeschwindigkeit erzielt wurde. Andererseits hat die höhere Aufwickelgeschwindigkeit höhere Selektivitätswerte als die niedrigeren Aufwickelgeschwindigkeiten. Die Ergebnisse stimmen mit der Trade-off-Beziehung zwischen Selektivität und Permeabilität überein. Bei der Handbeschichtung nimmt die Dicke der Beschichtungsschicht mit zunehmender Pebax®-Konzentration zu, unabhängig vom jeweiligen Pebax®. Pebax®-5513 wies bei einer Konzentration von 3m% die geringste Schichtdicke auf, während Pebax®-1657 bei der gleichen Konzentration die höchste Schichtdicke aufwies. Das beste Selektivitätsergebnis wurde mit PP-Fasern erzielt, die mit 6m% Pebax®-1657 beschichtet waren, und das nächstbeste Selektivitätsergebnis wurde mit PP-Fasern erzielt, die mit Pebax®-5513 in derselben Konzentration beschichtet waren.Als zukünftige Empfehlung für diese Arbeit könnte ein Wechsel der PP-Fasern und die Verwendung anderer, weniger durchlässiger Fasern als Trägerschicht für die Pebax®-Beschichtung zu besseren Selektivitätsergebnissen unter den gleichen Beschichtungsbedingungen führen. Auch die Verwendung von PDMS-Polymer bei der Beschichtung als Rinnenschicht zwischen der Faserstützschicht und der Beschichtungsschicht aus Pebax® verhindert das Eindringen der Beschichtungslösung in die Stützschicht und kann zu einem besseren Ergebnis führen. Schließlich könnte durch eine Wärmebehandlung der Fasern nach der Beschichtung die Wirkung der Ofentrocknung und der normalen Trocknung bei Raumtemperatur untersucht werden.
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Separation processes got an important interest in chemical industries to isolate products and recover the reactants. A lot of separation techniques were built but one of the most famous and modern technique was membrane methods of separation, these methods help in reducing the capital investment, the cost of operating and increase the safety of process.In these days a lot of membrane applications are used in gas separation process. Large scale gas filters have already been employed in industrial sectors in the US and some European countries.Many of membrane types can be used in gas separation applications such as flat or hollow fibre membranes made of polymer composites. The gas separation performance of the membranes can be improved by coating the membrane with a suitable coating layer.In this thesis different coating solutions with Pebax® copolymer have been prepared and tested to improve the selectivity in gas separation process.The coating of polypropylene hollow fibres (PP) with different types of Pebax® copolymer was investigated at different concentration of each polymer and different speeds of coating. The trails were conducted in two modes, automatically (coating machine plant which is built by TU Wien university) and manually by normal dipping of the fibres in the coating solution. The automatically mode had been done only for the 1st type of Pebax® which is Pebax®-1657 and then all the work had been done in the manual mode under different concentrations of three types of Pebax® which are Pebax®-1657, Pebax®-5513, and Pebax®-1074. The coated fibres were analysed by SEM to determine the thickness and the uniformity of the coating layer. Besides, their performance in gas permeability and their selectivity was tested and determined by gas permeation (GP) unit which was constructed by Institute of Chemical, Environmental and Bioscience Engineering, TU Wien.In machine coating the lower take up speed produce the lowest thickness of the coating layer, while the highest thickness had been obtained from the higher take up speed under the same conditions. On the other hand, selectivity of the higher take up-speed has higher values of selectivity than the other lower take up speeds. The results agrees with the trade-off relation between selectivity and permeability. In manual coating the thickness of the coating layer increase with increasing the concentration of PEBAX®, regardless the specific type of that Pebax®. Pebax®-5513 had the lowest thickness under 3wt.% concentration, while Pebax®-1657 had the highest thickness at the same concentration. The best result of selectivity has been obtained from PP fibres coated with 6wt.% Pebax®-1657, and the next best result of selectivity has been obtained from PP fibres coated with Pebax®-5513 under the same concentration.As a future recommendation for this work, changing the PP fibres and deal with other less permeable fibres to be the support layer for the coating layer of Pebax® may lead to better results of selectivity under the same conditions of coating. Also, using PDMS polymer in coating as a gutter layer between the fibres support layer and the coating layer of Pebax® will prevent any penetration of the coating solution to the support layer and may lead to a better result. Finally, using the heat treatment for the fibres after coating would be possible to study the effect of oven-drying versus normal drying at room temperature.
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Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers