Increasing carbon dioxide (CO2) emissions in the environment have contributed to global warming and climate changes, which are issues of paramount importance. As fossil-fuel power plants are currently the largest point sources of anthropogenic CO2 emissions, the efficient and economical removal of CO2 from power plant flue streams (CO2/N2), from syngas (CO2/H2) as well as removal of CO2 form natural gas and biogas constitute a key technical, economical and environmental challenge. Different technologies have been developed including absorption with amines, pressure swing adsorption using porous solids and cryogenic separation. Membrane separation technology based on polymeric materials has been one of the most widely studied and faster growing separation techniques since it is more environmental friendly, less energy intensive and simpler up- and down-scaling.
The development of polymeric membranes that could withstand high operational pressure and temperature without sacrificing their separating performance is still a big challenge. Polymeric ionic liquids (PILs) as CO2 separation membrane materials have become an emerging field with great potential in recent years, as they combine the high CO2 sorption capacities and high absorption-desorption rates associated with their IL character with the intrinsic polymer properties like improved process ability and enhanced mechanical stability.
This work is focused on the development of novel pyridinium based PILs and their evaluation as CO2 gas separation membranes. The preparation of the PILs involves two main synthetic steps including the synthesis of the precursor aromatic polyether copolymers containing main chain pyridine units and conversion to their PIL analogues via N-quaternization reaction, followed by anion exchange with the desired salts (e.g. NABF4, LiTFSI). The prepared PILs can form very thin films with excellent mechanical stability (3-25 μm) via conventional solution casting method without using any mechanical support. The effect of the anion on the gas permeation properties was investigated. The influence of the humidity on the PIL separation performance has also been evaluated. Blending of the prepared PILs with free ionic liquids resulted in PIL/IL membranes where the effect of the free IL on the CO2 permeability and selectivity was studied.
(EL)
Η αύξηση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) στο περιβάλλον, συμβάλει στην αύξηση της θερμοκρασίας του πλανήτη και στις κλιματικές αλλαγές, θέματα τα οποία είναι μεγάλης σημασίας. Αφού οι σταθμοί παραγωγής ενέργειας αποτελούν τις μεγαλύτερες πηγές εκπομπής CO2, η αποτελεσματική απομάκρυνση του από τα καυσαέρια των εργοστασίων (CO2/N2), από το αέριο σύνθεσης για την παραγωγή υδρογόνου (CO2/H2), καθώς και από το φυσικό αέριο και το βιοαέριο αποτελεί οικονομική και περιβαλλοντική πρόκληση. Διάφορες τεχνολογίες έχουν αναπτυχθεί για το διαχωρισμό, μεταξύ των οποίων η προσρόφηση, η απορρόφηση και η κρυογονική απόσταξη. Ωστόσο, οι μεμβράνες που βασίζονται σε πολυμερικά υλικά αποτελούν μια ταχέως αναπτυσσόμενη τεχνολογία, διότι είναι φιλική προς το περιβάλλον και οικονομικά προσιτή.
Η ανάπτυξη πολυμερικών μεμβρανών που είναι ανθεκτικές σε μεγάλες πιέσεις και θερμοκρασίες διατηρώντας ταυτόχρονα και τη διαχωριστική τους ικανότητα αποτελεί πρόκληση για την επιστημονική κοινότητα. Τα πολυμερικά ιονικά υγρά (PILs), ως υλικά για την κατασκευή μεμβρανών για το διαχωρισμό του CO2 αποκτούν χρόνο με το χρόνο όλο και μεγαλύτερο προβάδισμα, καθώς συνδυάζουν την υψηλή ικανότητα ρόφησης ως προς το CO2, καθώς και υψηλές ταχύτητες ρόφησης-εκρόφησης που οφείλονται στο ιονικό υγρό, μαζί με τις ιδιότητες των πολυμερών όπως η βελτιωμένη επεργασιμότητα και η αυξημένη μηχανικής σταθερότητας.
Αυτή η εργασία επικεντρώνεται στην ανάπτυξη PILs με βάση το πυριδίνιο και οι μεμβράνες που προέκυψαν αξιολογήθηκαν ως προς τη διαπερατότητα τους σε αέρια όπως CO2, CH4 καθώς και στη διαχωριστική τους ικανότητα. Η σύνθεση των PILs αποτελείται από δύο κύρια βήματα, το πρώτο αφορά τη σύνθεση του αρωματικού πολυαιθέρα που περιέχει ομάδες πυριδίνης στην κύρια αλυσίδα του και μετατροπή στο αντίστοιχο PIL μέσω της αντίδρασης τεταρτογοποίησης του αζώτου της πυριδίνης και στη συνέχεια ακολουθεί το στάδιο της ιονανταλλαγής με τα επιθυμητά άλατα (NaBF4, LiTFSI). Τα PILs που παρασκευάστηκαν, σχηματίζουν μεμβράνες με εξαιρετική μηχανική υπόσταση (3-25 μm) χωρίς να χρειάζονται κάποιο επιπλέον υποστήριγμα. Επιπλέον, μελετήθηκε η επίδραση του ανιόντος στη διαπερατότητα σε CO2 και CH4 καθώς και στη διαχωριστική ικανότητα, και της υγρασίας στις μεμβράνες. Τέλος, μίγματα των PIL με ελεύθερα ιονικά υγρά, έδωσαν μεμβράνες οι οποίες μελετήθηκαν ως προς τη διαπερατότητα και την εκλεκτικότητά τους.
(EL)
Πανεπιστήμιο Πατρών
