Satu inovasi dalam pemilihan membran untuk hidrogen (H2) memegang kunci
penting kepada ekonomi hidrogen. Polimer adalah bahan yang paling praktikal dan
menjimatkan untuk fabrikasi membran, tetapi penggunaan membran polimer
termasuk polysulfone (PSf) dan polybenzimidazole (PBI) membran untuk pemisahan
H2 sentiasa terhad oleh "keseimbangan" antara pemilihan dan kebolehtelapan. Dalam
kerja ini, nanopartikel Pd yang dimasukkan ke dalam membran PSf dan PBI
mengatasi batasan disebut. Sebelum pengadunan, nanopartikel Pd telah disintesiskan
secara kinetik dan distabilkan dalam mikroemulsi songsang oleh polyethylene glycol
(PEG) atau Polyvinylpyrrolidone (PVP). PSf membran matriks campuran (MMMs)
telah disediakan melalui fasa penyongsangan kering-basah manakala MMMs PBI
yang padat telah disintesis melalui fasa penyongsangan kering. Keputusan X-ray
diffraction (XRD) dan Energy dispersive X-ray (EDX) mengesahkan kemasukan
nanopartikel Pd telah berjaya. PSf(Pd/PEG)_3 MMM menunjukkan prestasi
pemilihan yang paling tinggi (pemilihan tulen H2/N2 : 21.69, pemilihan tulen H2/CO2
: 1.98 dan kebolehtelapan H2: 161.84 Barrer) berbanding membran PSf yang
dicampur dengan nanopartikel Pd dalam PEG yang lain. Penambahan PEG
mendorong perubahan struktur seperti jari menjadi sel-sel tertutup dan pertumbuhan
lapisan tebal. Kebolehtelapan H2 yang besar telah dicapai dengan menggunakan 2 %
nanopartikel Pd dalam PVP untuk membran PSf. (pemilihan Ideal H2/N2 : 20,
pemilihan ideal H2/CO2 : 6.2 dan kebolehtelapan H2 : 5781.07 Barrer). Peningkatan
ini boleh dikaitkan dengan perubahan ruang kosong dalam polimer dan pertumbuhan
lapisan padat yang disebabkan oleh PVP. Pada 200 °C, MMMs PBI dengan
kestabilan haba yang luar biasa telah mencapai pemilihan H2/CO2 dan H2/N2 yang
terbaik apabila 2 hingga 4 % nanopartikel Pd dalam PEG telah dimasukkan.
Pemilihan H2/CO2 oleh membran PBI(Pd/PEG)_2 adalah 18.56 (kebolehtelapan H2 :
53.22 Barrer) manakala pemilihan H2/N2 oleh membran PBI(Pd/PEG)_4 adalah
108.28 (kebolehtelapan H2 : 62.40 Barrer). Pemilihan H2 yang lebih tinggi telah
dicapai dengan menggunakan PVP sebagai penstabil dalam PBI(Pd) MMMs
berbanding PBI(Pd) MMMs dengan PEG. Membran PBI (Pd/PVP)_1 dengan 1 %
nanopartikel Pd dalam PVP mencapai pemilihan tulen H2/CO2 iaitu 19.73 dan
pemilihan tulen H2/N2 iaitu 252.54 (kebolehtelapan H2 : 32.41 Barrer). Kedua-dua
membran PBI(Pd/PEG)_2 dan PBI (Pd/PVP)_1 melepasi had atas „Robeson plot‟
dengan jayanya. Untuk membran PBI, pekali resapan bergantung kuat kepada suhu
dengan sumbangan minimum oleh kelarutan dalam pemilihan gas dan
kebolehtelapan. Tenaga pengaktifan dikurangkan dengan banyak oleh PBI MMMs
dan ia boleh menandakan pengurangan penyebaran gas disebabkan oleh pengurangan
dalam ruang kosong. Walau bagaimanapun, keutamaan penyerapan oleh H2 dalam
semua MMMs dengan nanopartikel Pd boleh berkaitan dengan interaksi antara H-Pd.
Walaupun tingkah laku penyerapan berbeza antara gas tulen dan campuran
disebabkan oleh tingkah laku pengangkutan, PBI(Pd/PVP)_1 MMMs telah
menunjukkan peningkatan yang mengagumkan oleh H2 di pengeluaran berbanding
dengan membran PBI yang asal untuk nisbah 50/50. Ketulenan 98.7 % H2 dicapai
pada 90 % pemulihan H2. Dalam kajian ini, pemuatan nanopartikel Pd dan suhu
operasi memberi kesan kepada ketulenan dan pemulihan H2 disebabkan perubahan
pada kebolehtelapan dan pemilihan membran. _______________________________________________________________________
An innovation in hydrogen (H2) selective membrane holds the important key to
hydrogen economy. Polymers are the most practical and economical material for
membrane fabrication, but the application of polymeric membranes including
polysulfone (PSf) and polybenzimidazole (PBI) membranes in H2 separation is
always limited by the “trade-off” between selectivity and permeability. In this work,
Pd nanoparticles are incorporated into PSf and PBI membranes to overcome the
mentioned limitations. Before blending, Pd nanoparticles were kinetically
synthesized and stabilized in the inversed microemulsion of polyethylene glycol
(PEG) or polyvinylpyrrolidone (PVP). The PSf mixed matrix membranes (MMMs)
were prepared by dry-wet phase inversion while the dense PBI MMMs were
synthesized by dry phase inversion. The X-ray diffraction (XRD) and Energy
dispersive X-ray (EDX) results confirmed that the Pd nanoparticles incorporation
was successful. The PSf(PEG/Pd)_3 MMM showed the highest separation
performance (pure gas H2/N2 selectivity : 21.69, pure gas H2/CO2 selectivity: 1.98
and H2 permeability : 161.84 Barrer) among the PSf membranes blended with Pd
nanoparticles in PEG. The addition of PEG induced the changes of finger-like
structure into closed cells and the growth of dense layer. High H2 permeability was
achieved using 2 wt% of Pd nanoparticles loading in PVP for PSf membrane (pure
gas H2/N2 selectivity : 20, pure gas H2/CO2 selectivity : 6.2 and H2 permeability :
5781.07 Barrer). The improvement could be related to the changes of free volume in
polymer and the growth of dense layer caused by PVP. At 200°C, PBI MMMs with
remarkable thermal stability achieved excellent H2/CO2 and H2/N2 selectivities when
2 to 4 wt% of Pd nanoparticles in PEG were incorporated. The H2/CO2 selectivity of
PBI(Pd/PEG)_2 membrane was 18.56 (H2 permeabillity : 53.22 Barrer) while the
H2/N2 selectivity of PBI(Pd/PEG)_4 membrane was 108.28 (H2 permeabillity: 62.40
Barrer). A higher selectivity of H2 was achieved by using PVP as the stabilizer in
PBI(Pd) MMMs in comparison to the PBI(Pd) MMMs with PEG. The
PBI(Pd/PVP)_1 membrane with 1 wt% of Pd nanoparticles loading in PVP achieved
a pure gas H2/CO2 selectivity of 19.73 and a pure gas H2/N2 selectivity of 252.54 (H2
permeabillity : 32.41 Barrer). Both PBI(Pd/PEG)_2 and PBI(Pd/PVP)_1 membranes
surpass the upper bound of Robeson plot successfully. For PBI membranes, the
diffusion coefficients depend on temperature strongly with minimal contribution of
solubility into gas selectivity and permeability. The activation energy reduced greatly
in PBI MMMs and it could signify the reduction of gas diffusion due to a drop in free
volume. However, the preferential sorption of H2 in all MMMs with Pd nanoparticles
could be related to the H-Pd interaction. Eventhough the permeation behavior is
different between pure and mixed gas permeation due to their transport behavior, the
PBI(Pd/PVP)_1 MMMs for mixed gas showed an impressive improvement of H2 in
permeate compare to neat PBI membrane for 50/50 ratio. The 98.7 % H2 purity was
achieved at 90 % H2 recovery. In this study, Pd nanoparticles loading and operating
temperature gave significance effect on purity and recovery of H2 due to the changes
on permeability and selectivity of membrane.
Mixed matrix membranes incorporated with palladium nanoparticles for hydrogen separation_Hani Shazwani Mohd Suhaimi_K4_2018_MYMY