Modelling mixed matrix membranes and ceramic foams with application to separation processes

2021 ◽  
Author(s):  
Χρήστος Στιάπης
Keyword(s):  
Applied Sciences ◽  
Three Dimensional ◽  
Mixed Matrix Membranes ◽  
Separation And Purification ◽  
Mixed Matrix ◽  
Separation Processes ◽  
Ceramic Foams ◽  
Digital Reconstruction ◽  
Toxin Removal ◽  
Matrix Membranes

Τα ετερογενή πορώδη υλικά είναι παρόντα σε πολλές πρακτικές και σύγχρονες εφαρμογές, όπως στη διήθηση αιωρημάτων και αεροκολλοειδών, τις διεργασίες βιομετατροπής άνθρακα, τη γεωλογική αποθήκευση CO2 και τις βιοϊατρικές διεργασίες, Οι εφαρμογές αυτές βασίζονται σε συγκεκριμένους φυσικούς, χημικούς ή βιοχημικούς μηχανισμούς για τη λειτουργία τους, όπως είναι η μεταφορά μάζας, ορμής ή ενέργειας, η ρόφηση καθώς και οι χημικές/βιοχημικές αντιδράσεις. Οι μηχανισμοί αυτοί στο εσωτερικό των πορωδών μέσων συναρτώνται σε μεγάλο βαθμό με τη δομή και τη μορφολογία του πορώδους μέσου. Ως εκ τούτου, απαιτείται λεπτομερής μελέτη της εσωτερικής δομής αυτών των πορωδών μέσων για την κατανόηση και τη βελτίωση των διεργασιών στις οποίες χρησιμοποιούνται. Μια λεπτομερής περιγραφή της μικροδομής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εξακρίβωση των φυσικών ιδιοτήτων και την εκτίμηση και βελτίωση της απόδοσής τους. Η παρούσα διατριβή χρησιμοποιεί στατιστικές ιδιότητες που εξάγονται από εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) για τη διερεύνηση και την ψηφιακή αναδημιουργία δομών πορωδών μέσων. Αρχικά, επιλέγεται μια στοχαστική προσέγγιση για την ανακατασκευή πορωδών μέσων επειδή αποτυπώνει τη στοχαστική φύση τους σε λογικά εύρη υπολογιστικού κόστους και χρόνου. Στη συνέχεια, δημιουργείται ένα ψηφιακό μοντέλο ανακατασκευής και ένα πρόγραμμα υπολογιστή για την αναδημιουργία δομών πορωδών μέσων αξιοποιώντας τις διάφορες στατιστικές ιδιότητές τους. Μια ειδική εφαρμογή που μελετάται στην παρούσα διατριβή είναι ο ψηφιακός χαρακτηρισμός των μεμβρανών PES/ PVP που χρησιμοποιούνται σε διαδικασίες αιμοκάθαρσης και η ανάπτυξη ενός μοντέλου που μπορεί να προβλέψει την απόδοσή τους στον καθαρισμό του αίματος. Οι εν λόγω μεμβράνες αποτελούνται από πολλαπλά στρώματα και, συνήθως, μια δομή που μοιάζει με αφρό σχηματίζεται στο εσωτερικό τους, επηρεάζοντας την απόδοση διαχωρισμού και βελτιώνοντας τις μηχανικές ιδιότητες της μεμβράνης.Σε αυτό το πλαίσιο, αναπτύχθηκε μια νέα μέθοδος για την ψηφιακή ανακατασκευή αφρών χρησιμοποιώντας την προσέγγιση Laguerre Tessellation, η οποία παρουσιάζει αξιοσημείωτη ικανότητα να περιγράφει αφρώδη υλικά που αποτελούνται από μακροκοιλότητες με πολυεδρική μορφή. [1]. Επιπλέον, για να περιγραφούν αφρώδη υλικά με μακροκοιλότητες σφαιρικού σχήματος και αυξημένη συνδεσιμότητα, αναπτύχθηκε μια εναλλακτική μέθοδος που βασίζεται στη δημιουργία συσσωρεύσεων κοίλων σφαιρών. [2]. Τέλος, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο για την περιγραφή της απομάκρυνσης των δεσμευμένων σε πρωτεΐνες τοξινών κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αιμοκάθαρσης με τη χρήση μεμβρανών μικτής μήτρας και επικυρώθηκε με πειραματικά δεδομένα. [3]. Αυτό το μοντέλο επεκτάθηκε περαιτέρω και χρησιμοποιήθηκε για την πρόβλεψη της απόδοσης μιας πολυστρωματικής μεμβράνης μικτής μήτρας κατά την απομάκρυνση της τοξίνης κρεατινίνη. [4]. Επιπλέον, η ενσωμάτωση των διαδικασιών ανακατασκευής που αναπτύχθηκαν στο μοντέλο μείωσε περαιτέρω τα απαιτούμενα πειραματικά δεδομένα.Η χρήση αυτών των μεθόδων ανακατασκευής στο νέο μοντέλο που αναπτύχθηκε παρείχε πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά της μεμβράνης και τις συνθήκες της διεργασίας. Έτσι, θα μπορούσε να βοηθήσει στη βελτιστοποίηση της μεταφοράς μάζας μέσω της μεμβράνης αιμοκάθαρσης. Επιπλέον, η διαδικασία αυτή μπορεί να επεκταθεί σε διαφορετικές τεχνολογίες διαχωρισμού ανοίγοντας το δρόμο προς το σχεδιασμό προσαρμοσμένων δομών πορωδών μέσων με επιθυμητές ιδιότητες μεταφοράς αποφεύγοντας χρονοβόρα και συχνά ακριβά φυσικά πειράματα. 1. Stiapis, C.S.; Skouras, E.D.; Burganos, V.N. Advanced Laguerre Tessellation for the Reconstruction of Ceramic Foams and Prediction of Transport Properties. Materials 2019, 12, 1137.2. Stiapis, C.S.; Skouras, E.D.; Burganos, V.N. Three-Dimensional Digital Reconstruction of Ti2AlC Ceramic Foams Produced by the Gelcast Method. Materials 2019, 12, 4085.3. Stiapis, C.; Skouras, E.; Pavlenko, D.; Stamatialis, D.; Burganos, V. Evaluation of the Toxin-to-Protein Binding Rates during Hemodialysis Using Sorbent-Loaded Mixed-Matrix Membranes. Applied Sciences 2018, 8, 536.4. Stiapis, C.S.; Skouras, E.D.; Burganos, V.N. Prediction of Toxin Removal Efficiency of Novel Hemodialysis Multilayered Mixed-Matrix Membranes. Separation and Purification Technology 2020, 250, 117272.

Highly efficient CO2 capture by mixed matrix membranes containing three-dimensional covalent organic framework fillers

2019 ◽  
Vol 7 (9) ◽  
pp. 4549-4560 ◽  
Author(s):  
Youdong Cheng ◽  
Linzhi Zhai ◽  
Yunpan Ying ◽  
Yuxiang Wang ◽  
Guoliang Liu ◽  
...  
Keyword(s):  
Co2 Capture ◽  
Three Dimensional ◽  
Mixed Matrix Membranes ◽  
Mixed Matrix ◽  
Covalent Organic Framework ◽  
Highly Efficient ◽  
Organic Framework ◽  
Matrix Membranes

A three-dimensional covalent organic framework filler with size-selective pores has been proven effective in boosting the membrane CO2 capture performance.

scholarly journals Dimensional Nanofillers in Mixed Matrix Membranes for Pervaporation Separations: A Review

Membranes ◽  
2020 ◽  
Vol 10 (9) ◽  
pp. 193
Author(s):  
Guang Yang ◽  
Zongli Xie ◽  
Marlene Cran ◽  
Chunrui Wu ◽  
Stephen Gray
Keyword(s):  
Polymer Matrix ◽  
High Performance ◽  
Three Dimensional ◽  
Liquid Mixtures ◽  
Mixed Matrix Membranes ◽  
Mixed Matrix ◽  
Inorganic Fillers ◽  
High Flexibility ◽  
The Impact ◽  
Matrix Membranes

Pervaporation (PV) has been an intriguing membrane technology for separating liquid mixtures since its commercialization in the 1980s. The design of highly permselective materials used in this respect has made significant improvements in separation properties, such as selectivity, permeability, and long-term stability. Mixed-matrix membranes (MMMs), featuring inorganic fillers dispersed in a polymer matrix to form an organic–inorganic hybrid, have opened up a new avenue to facilely obtain high-performance PV membranes. The combination of inorganic fillers in a polymer matrix endows high flexibility in designing the required separation properties of the membranes, in which various fillers provide specific functions correlated to the separation process. This review discusses recent advances in the use of nanofillers in PV MMMs categorized by dimensions including zero-, one-, two- and three-dimensional nanomaterials. Furthermore, the impact of the nanofillers on the polymer matrix is described to provide in-depth understanding of the structure–performance relationship. Finally, the applications of nanofillers in MMMs for PV separation are summarized.

Mixed matrix membranes for hydrocarbons separation and recovery: a critical review

2019 ◽  
Vol 0 (0) ◽  
Author(s):  
Sara Najari ◽  
Samrand Saeidi ◽  
Fausto Gallucci ◽  
Enrico Drioli
Keyword(s):  
High Performance ◽  
Polymeric Materials ◽  
Mixed Matrix Membranes ◽  
Filler Materials ◽  
Successful Implementation ◽  
Separation And Purification ◽  
Light Hydrocarbons ◽  
Mixed Matrix ◽  
Suitable Combination ◽  
Matrix Membranes

Abstract The separation and purification of light hydrocarbons are significant challenges in the petrochemical and chemical industries. Because of the growing demand for light hydrocarbons and the environmental and economic issues of traditional separation technologies, much effort has been devoted to developing highly efficient separation techniques. Accordingly, polymeric membranes have gained increasing attention because of their low costs and energy requirements compared with other technologies; however, their industrial exploitation is often hampered because of the trade-off between selectivity and permeability. In this regard, high-performance mixed matrix membranes (MMMs) are prepared by embedding various organic and/or inorganic fillers into polymeric materials. MMMs exhibit the advantageous and disadvantageous properties of both polymer and filler materials. In this review, the influence of filler on polymer chain packing and membrane sieving properties are discussed. Furthermore, the influential parameters affecting MMMs affinity toward hydrocarbons separation are addressed. Selection criteria for a suitable combination of polymer and filler are discussed. Moreover, the challenges arising from polymer/filler interactions are analyzed to allow for the successful implementation of this promising class of membranes.

scholarly journals Mixed-Matrix Membrane Fabrication for Water Treatment

Membranes ◽  
2021 ◽  
Vol 11 (8) ◽  
pp. 557
Author(s):  
Tawsif Siddique ◽  
Naba K. Dutta ◽  
Namita Roy Choudhury
Keyword(s):  
Membrane Fouling ◽  
Interfacial Polymerization ◽  
Mixed Matrix Membranes ◽  
Mixed Matrix Membrane ◽  
Scale Production ◽  
Mixed Matrix ◽  
Separation Processes ◽  
Typical Application ◽  
Wide Range ◽  
Matrix Membranes

In recent years, technology for the fabrication of mixed-matrix membranes has received significant research interest due to the widespread use of mixed-matrix membranes (MMMs) for various separation processes, as well as biomedical applications. MMMs possess a wide range of properties, including selectivity, good permeability of desired liquid or gas, antifouling behavior, and desired mechanical strength, which makes them preferable for research nowadays. However, these properties of MMMs are due to their tailored and designed structure, which is possible due to a fabrication process with controlled fabrication parameters and a choice of appropriate materials, such as a polymer matrix with dispersed nanoparticulates based on a typical application. Therefore, several conventional fabrication methods such as a phase-inversion process, interfacial polymerization, co-casting, coating, electrospinning, etc., have been implemented for MMM preparation, and there is a drive for continuous modification of advanced, easy, and economic MMM fabrication technology for industrial-, small-, and bulk-scale production. This review focuses on different MMM fabrication processes and the importance of various parameter controls and membrane efficiency, as well as tackling membrane fouling with the use of nanomaterials in MMMs. Finally, future challenges and outlooks are highlighted.

scholarly journals Review: Mixed-Matrix Membranes with CNT for CO2 Separation Processes

Membranes ◽  
2021 ◽  
Vol 11 (6) ◽  
pp. 457
Author(s):  
Marquidia J. Pacheco ◽  
Luis J. Vences ◽  
Hilda Moreno ◽  
Joel O. Pacheco ◽  
Ricardo Valdivia ◽  
...  
Keyword(s):  
Carbon Dioxide ◽  
Carbon Nanotubes ◽  
Polymer Support ◽  
Mixed Matrix Membranes ◽  
Co2 Separation ◽  
Graphene Sheets ◽  
Mixed Matrix ◽  
Separation Processes ◽  
Carbon Dioxide Co2 ◽  
Matrix Membranes

The membranes’ role is of supreme importance in the separation of compounds under different phases of matter. The topic addressed here is based on the use of membranes on the gases separation, specifically the advantages of mixed-matrix membranes (MMMs) when using carbon nanotubes as fillers to separate carbon dioxide (CO2) from other carrier gas. MMMs consist of a polymer support with additive fillers to improve their efficiency by increasing both selectivity and permeability. The most promising fillers in the MMM development are nanostructured molecules. Due to the good prospects of carbon nanotubes (CNTs) as MMM fillers, this article aims to concentrate the advances and developments of CNT–MMM to separate gases, such as CO2. The influence of functionalized CNT or mixtures of CNT with additional materials such as zeolites, hydrogel and, graphene sheets on membranes performance is highlighted in the present work.

PDMS mixed matrix membranes filled with novel PSS-2 nanoparticles for ethanol/water separation by pervaporation

RSC Advances ◽  
2016 ◽  
Vol 6 (82) ◽  
pp. 78648-78651 ◽  
Author(s):  
Parimal V. Naik ◽  
Pieter L. H. Verlooy ◽  
Sam Smet ◽  
Johan A. Martens ◽  
Ivo F. J. Vankelecom
Keyword(s):  
Composite Materials ◽  
Mixed Matrix Membranes ◽  
Mixed Matrix ◽  
Separation Processes ◽  
Water Separation ◽  
Matrix Membranes

The design of functional micro- and mesostructured composite materials is significantly important for separation processes.

scholarly journals Recent advances in synthesis and applications of mixed matrix membranes

2021 ◽  
Vol 1 (1) ◽  
pp. 1-27
Author(s):  
Iman Salahshoori ◽  
Ahmad Seyfaee ◽  
Aziz Babapoor
Keyword(s):  
Solubility Parameters ◽  
Mixed Matrix Membranes ◽  
Primary Concern ◽  
Inorganic Membranes ◽  
Mixed Matrix ◽  
Separation Processes ◽  
Water Separation ◽  
Efficient Operation ◽  
Transfer Properties ◽  
Matrix Membranes

Researchers are currently considering membranes separation processes due to their eco-friendly, process simplicity and high efficiency. Selecting a suitable and efficient operation is the primary concern of researchers in the field of separation industries. In recent decades, polymeric and inorganic membranes in the separation industry have made significant progress. The polymeric and inorganic membranes have been challenged due to their competitiveness in permeability and selectivity factors. A combination of nanoparticle fillers within the polymer matrix is an effective method to increase polymeric and inorganic membranes’ efficiency in separation processes. Mixed matrix membranes (MMMs) have been considered by the separation industry due to high mechanical and physicochemical, and transfer properties.  Moreover, gas separation, oil treatment, heavy metal ions removal, water treatment and oil-water separation are common MMMs applications. Selecting suitable polymer blends and fillers is the key to the MMMs construction. The combination of rubbery and glassy polymers with close solubility parameters increases the MMMs performance. The filler type and synthesis methods also affect the morphological and transfer properties of MMMs significantly. Zeolites, graphene oxide (GO), nanosilica, carbon nanotubes (CNTs), zeolite imidazole frameworks (ZIFs) and metal-organic frameworks (MOFs) are used in the MMMs synthesis as fillers. Finally, solution mixing, polymerization in situ and sol-gel are the primary synthesising MMMs methods.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document