Analisys of gas permeability in perfluorosufonated polymeric membranes for CO2 separation

The present thesis focuses on the permebility analisys of Aquivion® 980 Perfluoro sulfonic acid (PFSA) polymer with particular reference to the influence of the equivalent weight (gram of polymer per molSO3H) on the permeation properties. Aquivion grade tested, indeed, were characterized by a lower equivalent weight ( 870 g/molSO3H against 980 of the present material) with respect to data present in the open literature. Permeability of different gases (CO2, N2, and CH4) was tested at different temperatures and different humidity, a parameter which greatly influences the gas transport in such hydrophilic material- Aquivion® swells consistently in humid conditions increasing its gas permeability of more than one order of magnitude with respect to values prevailing in dry conditions. Present data confirm such behavior being the permeability of all gases and vapors tested substantially increased in presence of water. Interestingly the increase in permeability results be similar for all the gases inspected, hence such enhanced permeation capability is not associated to a selectivity loss that happens in polymeric membranes. Although, the results, of CO2, are lower compared to those obtained with the different grades, with lower equivalent weight, of Aquivion, thus suggesting that an increase of this parameter is detrimental for both permeability and selectivity of the membranes with respect to CO2. This is likely related to the fact that a lower content of SO3H groups makes it difficult to have an interconnected water domain inside the membranes. A modeling approach was considered to describe the experimental data and to give a better insight into the observed behavior, unfortunately, it resulted not sensitive enough to catch the differences between the gas permeability in PSFAs with high and low equivalent weight. The latter were indeed usually contained within 10-20% which results to be the in the same range of model precision when used in a predictive way.

Determinazione della performance di membrane composite per la purificazione di gas

In questo elaborato vengono presentati i risultati di una attività sperimentale incentrata sulla ricerca di membrane a matrice mista per la separazione di gas da miscele. In questo lavoro viene descritta la preparazione di membrane in polisulfone e membrane a matrice mista polisulfone con ZIF-8 a quattro diversi caricamenti percentuali, PSf+ZIF-8 2%, 4%, 8% e 16%. Vengono anche esposti i risultati delle prove di caratterizzazione di tali membrane. E' stato condotto un esame attraverso microscopia elettronica a scansione (SEM) sulla sezione e sulla superficie delle cinque membrane. Sono esposti i risultati dei test di permeazione condotti attraverso un permeometro a volume costante. Le prove sono state fatte per tutte le membrane con sei diversi gas penetranti (H2, He, O2, CO2, CH4 e N2) a tre diverse temperature (35°C, 50°C e 65°C) ottenendo i valori dei coefficienti di permeabilità, solubilità e diffusività. Sono state calcolate le selettività ideali per ogni coppia di gas per tutte le membrane e le energie di attivazione. Sono stati fatti paragoni con i risultati di letteratura e ricercate correlazioni predittive per le proprietà di trasporto delle membrane in funzione di diversi parametri.