@mastersthesis{10902/30648,
year = {2023},
month = {10},
url = {https://hdl.handle.net/10902/30648},
abstract = {En el aire que nos rodea existen múltiples compuestos, dos de los cuales, el oxígeno y el nitrógeno, son ampliamente utilizados en la industria y son esenciales en muchos procesos, como por ejemplo en la industria alimentaria, siderúrgica o en el ámbito de la medicina. Algunos de los métodos más ampliamente utilizados para su separación son la destilación criogénica, la adsorción o la permeación de gases. La tecnología de separación por membranas (basada en las diferencias de la difusividad y solubilidad de los distintos compuestos) es un método emergente que presenta ventajas significativas en términos de costes de capital y consumo energético en comparación con otras tecnologías de separación (Sanders y cols., 2013). El objetivo global de este trabajo es la purificación de oxígeno de mezclas sintéticas oxigeno/nitrógeno utilizando membranas de Matrimid en configuración plana y de fibras huecas y la inclusión de aditivos (ZIF-8 y Zeolita 4A para mejorar su rendimiento). Se han preparado membranas planas de Matrimid mediante el método de inversión de fases por evaporación del disolvente y para la fabricación de las membranas de fibra hueca se emplea la técnica de dry/wet spinning. Se han puesto a prueba en experimentos de permeación de gases con una mezcla de O2/N2 (50:50). Además, se ha desarrollado un modelo matemático en Aspen Custom Modeler con el fin de obtener una herramienta que permita asistir en el diseño de un proceso de separación de O2 y N2 a partir de aire. La membrana de Matrimid sin aditivos alcanzó una selectividad de en torno a 6 mientras que al incluir ZIF-8 en un 10% de carga se consiguió aumentar la selectividad O2/N2 hasta 6.9, además de un ligero aumento de la permeabilidad. En cambio, al incluir la Zeolita 4A como aditivo apenas se vieron mejoras tanto en permeabilidad como en selectividad en comparación con la membrana sin aditivos. Se procede a analizar el comportamiento de la membrana al añadir diferentes cargas de ZIF-8 en ella (10, 15 y 20%). Se observa que al incrementar la carga de ZIF-8, existe un ligero aumento de la selectividad de la membrana. Pero este aumento no es tan significativo (menos del 5% de cambio) como para considerar rentable trabajar a una alta carga de ZIF, ya que es un material muy caro. Por otro lado, al implementar la configuración de fibra hueca se observa que la permeance es más de 100 veces mayor que la obtenida en las membranas planas, pasando de 0.8 a 29.04 GPU a una temperatura de 70 °C. Se han introducido en Aspen Custom Modeler los balances de materia y energía, y las relaciones correspondientes entre las variables, además de añadir los datos que se obtienen en los experimentos realizados en el laboratorio a distintas presiones y temperaturas. Para comprobar que el modelo que se ha desarrollado predice de forma adecuada, se ha representado los flujos de permeado del oxígeno simulados y experimentales. Existe una pequeña desviación de menos del 20%, por lo que se puede concluir que el modelo se ajusta a la realidad. La membranas de Matrimid planas y de fibra hueca se consiguieron preparar en el laboratorio con sus correspondientes técnicas. Se puede concluir que el flujo es similar en las tres membranas planas, mientras que el factor de separación es mucho mayor para la membrana de Matrimid con 10% de ZIF-8, aumentando de 6 hasta 6.9. Al realizar el estudio de distintas cargas de ZIF-8, se obtuvo que la selectividad apenas varía para distintos porcentajes de ZIF-8, por lo tanto, basta con utilizar un 10% de este material en la membrana para conseguir selectividades considerablemente altas. Por otro lado, se concluye que la configuración de fibra hueca es un gran avance en términos de productividad, debido al aumento drástico de la permeance en comparación a las membranas planas. Por último, se ha desarrollado un modelo matemático fiable en Aspen Costum Modeler.},
abstract = {There are many compounds in the air around us, two of which, oxygen and nitrogen, are widely used in industry and are essential in many processes, for example in the food and steel industries or in the medical field. Some of the most widely used methods for their separation are cryogenic distillation, adsorption or gas permeation. Membrane separation technology (based on differences in the diffusivity and solubility of different compounds) is an emerging method that has significant advantages in terms of capital cost and energy consumption compared to other separation technologies (Sanders y cols., 2013).The overall objective of this work is the purification of oxygen from synthetic oxygen/nitrogen mixtures using Matrimid membranes in flat and hollow fiber configuration and the inclusion of additives (ZIF-8 and Zeolite 4A to improve their performance).
Matrimid flat sheet membranes have been prepared using the phase inversion method by evaporation of the solventand for the manufacture of hollow fiber membranes the dry/wet spinning method is used. They have been tested in gas permeation experiments with an O2/N2 mixture (50:50). In addition, a mathematical model has been developed in Aspen Custom Modeler in order to obtain a tool to assist in the design of an O2 and N2 separation process from air.
The Matrimid membrane without additives reached a selectivityof around 6, a value in accordance with those previously reported in the literature for membranes of this material. The inclusion of ZIF-8 as an additive at 10% loading increased the O2/N2 selectivity to 6.9, in addition to a slight increase in permeability. In contrast, the inclusion of Zeolite 4A as an additive showed little improvement in both permeability and selectivity compared to the membrane without additives.We proceeded to analyze the membrane behavior by adding different ZIF-8 loadings on it (10, 15 and 20%). It is observed that by increasing the ZIF-8 loading, there is a slight increase in membrane selectivity. But this increase is not so significant (less than 5% change) as to consider it profitable to work at a high ZIF loading, since it is avery expensive material. On the other hand, by implementing the hollow fiber configuration it is observed that the permeance is more than 100 times higher than that obtained in flat sheet membranes, going from 0.8 to 29.04 GPU at a temperature of 70 °C. Mass and energy balances and the corresponding relationships between the variables have been introduced in Aspen Custom Modeler, in addition to adding the data obtained in the experiments carried out in the laboratory at different pressures and temperatures. To verify that the predictive model that has been developed does not deviate from reality, the simulated and experimental oxygen permeate fluxes have been plotted. There is a small deviation of less than 20%, so it can be concluded that the model is in line with reality.
Matrimidflat sheet membranes have been prepared by the solvent evaporation phase inversion method and hollow fiber membranes by dry/wet spinning. It can be concluded that the flux is similar for the three flat sheet membranes, while the separation factor is much higher for the Matrimid membrane with 10% ZIF-8, increasing from 6 to 6.9. By performing the study of different ZIF-8 loadings, it was obtained that the selectivity hardly varies for different percentages of ZIF-8, therefore, it is sufficient to use 10% ofthis material in the membrane to achieve considerably high selectivities. On the other hand, it is concluded that the hollow fiber configuration is a great advance in terms of productivity, due to the drastic increase in permeance compared to flat membranes. Finally, a reliable mathematical model has been developed in Aspen Costum Modeler.},
title = {Membranas poliméricas compuestas en configuración plana y de fibra hueca para la separación de O₂/N₂},
author = {Guerra Cayón, Coral de la},
}