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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5531 (2023) Citare questo articolo

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Le membrane ibride di polivinilidene fluoruro-silice-esadeciltrimetossisilano (PVDF-SiO2-HDTMS) sono state fabbricate tramite un metodo di inversione di fase non indotto da solventi per creare membrane stabili a fibra cava da utilizzare nell'assorbimento a contatto della membrana del biossido di carbonio (CO2). Le proprietà superficiali, le caratteristiche prestazionali e la stabilità prestazionale a lungo termine delle membrane preparate sono state confrontate e analizzate. Le superfici esterne delle membrane preparate erano superidrofobiche a causa della formazione di microstrutture ruvide su scala nanometrica sulle superfici e della loro bassa energia libera superficiale. L'aggiunta di nanoparticelle inorganiche ha migliorato la resistenza meccanica del PVDF-SiO2-HDTMS. Sono stati condotti esperimenti di funzionamento stabile a lungo termine con un gas di ingresso misto (CO2/N2 = 19/81, v/v) a una portata di 20 mL/min. Il liquido assorbente in questi esperimenti era 1 mol/L di dietanolammina (DEA) a una velocità di flusso di 50 mL/min. Il flusso di trasferimento di massa di CO2 attraverso la membrana PVDF-SiO2-HDTMS è diminuito da un valore iniziale di 2,39 × 10–3 mol/m2s a 2,31 × 10–3 mol/m2s, una diminuzione del 3% dopo 20 giorni. L'aggiunta di nanoparticelle inorganiche altamente stabili e idrofobe ha impedito la bagnatura dei pori e il danno strutturale alla membrana. È stato riscontrato che la membrana PVDF-SiO2-HDTMS ha eccellenti prestazioni stabili a lungo termine nell'assorbimento di CO2.

Il biogas è una promettente fonte di energia rinnovabile1 composta principalmente da CH4 (55–65%), CO2 (30–45%)2 e altri gas in tracce. Per poterlo utilizzare come combustibile, il suo contenuto di CH4 deve essere almeno del 95%, quindi l'assorbimento di anidride carbonica (CO2) è di grande importanza per l'applicazione pratica del biogas. Diversi ricercatori hanno studiato la cattura dell'anidride carbonica (CO2) dal biogas mediante sistemi di contattori a membrana a fibra cava. In un sistema con contattore a membrana per l'assorbimento di CO2, il gas misto e l'assorbente liquido scorrono sui lati opposti della membrana a fibra cava e la CO2 nel gas viene assorbita dall'assorbente liquido dopo essere passata attraverso la membrana a fibra cava. La membrana a fibra cava agisce come una barriera non selettiva tra la fase liquida e la fase gassosa, separando la fase gassosa dalla fase liquida e fornendo un'ampia area di contatto gas-liquido. Gli studi hanno dimostrato che nel processo di assorbimento per contatto con la membrana, il liquido assorbente entra e bagna i pori della membrana3,4,5. La velocità di diffusione della CO2 nel gas è maggiore che nella fase liquida. Ciò aumenta notevolmente la resistenza alla diffusione della membrana alla CO2, determinando una rapida diminuzione del flusso di trasferimento di massa della CO2. La membrana a fibra cava deve quindi essere resa idrofobica.

Durante un processo di assorbimento per contatto con la membrana, la membrana sarà inevitabilmente bagnata perché la pressione della fase liquida deve essere superiore alla pressione della fase gassosa per evitare la generazione di bolle. La differenza di pressione transmembrana spinge quindi l'assorbente nei pori, che bagna i pori. Al contrario, quando viene utilizzato un assorbente chimico, le proprietà superficiali (dimensione dei pori, porosità, ruvidità e composizione chimica) della membrana cambiano a causa della suscettibilità del materiale della membrana polimerica all'erosione da parte di liquidi alcalini6,7,8. Ciò aumenta la dimensione dei pori della membrana e diminuisce l'angolo di contatto superficiale, diminuendo così l'idrofobicità della membrana. Inoltre, durante il funzionamento a lungo termine, l'assorbente liquido vaporizzato entra nei pori della membrana e li bagna mentre il vapore si condensa. La ricerca recente si è quindi concentrata sullo sviluppo di membrane superidrofobiche a fibra cava per il funzionamento stabile a lungo termine dei processi di assorbimento per contatto con la membrana9,10.

Nei nostri studi precedenti, le membrane ibride superidrofobiche di polivinilidene fluoruro-esadeciltrimetossisilano (PVDF-HDTMS) sono state fabbricate tramite un metodo di inversione di fase non indotto da solventi con una miscela di ammoniaca e acqua come additivo non solvente e reagente di deidrofluorurazione e HDTMS come modificatore idrofobico. È stato condotto un esperimento di assorbimento per contatto della membrana di CO2 a lungo termine per studiare la stabilità a lungo termine della membrana in condizioni alcaline moderate. È stato riscontrato che il flusso di trasferimento di massa di CO2 del contattore a membrana PVDF-HDTMS è diminuito solo del 17% e poi è rimasto stabile per 17 giorni di assorbimento a contatto con la membrana con 1 mol/L di dietanolamina (DEA) come assorbente. Sebbene sia stato riscontrato che le membrane PVDF-HDTMS hanno un'eccellente stabilità a lungo termine, la ricerca attuale suggerisce che sono possibili ulteriori miglioramenti.