Optimization of the pervaporation process during ethylene glycol regeneration using new membranes based on polyphenylene oxide modified with graphene oxide

Abstract

В данной работе с целью оптимизации процесса первапорационной дегидратации этиленгликоля (ЭГ) были разработаны новые высокоэффективные мембраны на основе поли(2,6-диметил-1,4-фениленоксида) (ПФО), модифицированного оксидом графена (ОГ). Были разработаны оптимальные условия получения композитов ПФО/ОГ с различным содержанием модификатора (0,1-0,9 масс.%) и два типа мембран на их основе: диффузионные (плотные) и композиционные (с тонким селективным слоем, нанесенным на пористую подложку). Влияние введения ОГ на структуру и физико-химические характеристики мембран было изучено различными методами анализа: ИК-Фурье спектроскопия, сканирующая электронная (СЭМ) и атомно-силовая (АСМ) микроскопии, термогравиметрический анализ (ТГА), измерение краевых углов по воде и степени набухания. Транспортные характеристики мембран были оценены при первапорационной дегидратации смеси ЭГ/вода в широком диапазоне концентраций (10-90 масс.% воды) при 22 ºС. Было продемонстрировано, что введение небольшого количества ОГ (до 0,9 масс.%) в ПФО матрицу приводит к улучшению проницаемости модифицированных мембран, сохраняя высокую селективность по отношению к воде. Композиционная мембрана с тонким селективным слоем из ПФО/ОГ(0,7%) композита, нанесенным на коммерческую пористую МФФК подложку из фторопласта, обладала оптимальными транспортными свойствами при первапорационной дегидратации ЭГ (10-30 масс.% воды) при 22 °C: удельная производительность 180-230 г/(м2ч), 99,8-99,6 масс.% воды в пермеате, и является перспективной для промышленного применения с целью оптимизации процесса первапорационной дегидратации.

In this work, novel high-performance membranes based on poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) (PPO) modified with graphene oxide (GO) were developed to optimize pervaporation dehydration of ethylene glycol (EG). The optimal preparation conditions of PPO/GO composites with different modifier content (0.1-0.9 wt.%) and two types of membranes (dense and supported) were developed. The effect of the introduction of GO on the structure and physicochemical characteristics of membranes were studied by various analysis methods: Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy, scanning electron (SEM) and atomic force (AFM) microscopies, thermogravimetric analysis (TGA), contact angle measurements and swelling experiments. The transport characteristics of the membranes were evaluated during the pervaporation dehydration of the EG in a wide concentration range (10-90 wt.% water) at 22 °C. It was demonstrated that the introduction of a small amount of GO (up to 0.9 wt.%) into the PPO matrix led to an improvement in the permeation flux of modified membranes maintaining high selectivity with respect to water. The supported membrane with a thin selective layer based on PPO/GO (0.7%) composite deposited onto a commercial porous MFFC substrate from fluoroplast demonstrated optimal transport properties during pervaporation dehydration of EG (10-30 wt.% of water) at 22 °C: permeation flux of 180-230 g/(m2h), 99.8-99.6 wt.% water in the permeate. It is promising for industrial application in order to optimize the process of pervaporation dehydration.