زمينه فني اين اختراع علم شيمي است. شيرين سازي گاز طبيعي و حذف گازهاي نامطلوب مانند دي اكسيد كربن همواره مورد توجه پژوهشگران و صنعتگران اين علم بوده است. روشهاي مختلفي براي انجام اين عمل استفاده مي شود كه يكي از آن ها استفاده از غشاها مي باشد. غشاهاي مورد استفاده شامل دو نوع غشاهاي پليمري و غشاهاي معدني هستند كه مزاياي آن ها به ترتيب انتخاب پذيري بالا و تراوايي بالا مي باشد.در اين كار، با به كار بردن پليمرهاي PEBAX و پلي اتيلن گلايكول (PEG) و ذره معدني نانولوله كربني غشايي به دست آمد كه ويژگي هاي هر دونوع غشا را داشته و در نتيجه كارايي بالايي دارد.از جمله مزاياي اين غشا تراوايي و انتخاب پذيري بالا، امكان تصفيه گاز بر سر چاه، استحكام بالا،مصرف انرژي كمتر،سازگاري با محيط زيست و ... مي باشد.

غشاهاي كربني يكي از اعضاي خانواده غشاهاي معدني هستند. در طراحي فرآيندهاي شيرين‌سازي گاز، بهينه‌سازي فرآيند و بهبود عملكرد از بخش‌هاي مهم مي باشند كه ساخت اين غشا گامي موثر در اين زمينه محسوب مي شود. اين غشا را مي توان با استفاده از مواد گوناگون توليد كرد. در اين پژوهش با استفاده از تركيب موادي كه تا به حال از آن استفاده نشده، غشا كربني آميخته با نانولوله كربني ساخته شده است. غشاي كربني با داشتن حفره هايي در ابعاد 0/3 الي 0/7 نانومتر مي تواند در جداسازي گاز مورد استفاده قرار گيرد. در اين اختراع علاوه بر استفاده از قابليت غربال گري نانولوله هاي كربني، با جايگذاري آن ها در داخل ساختار لايه غشايي، از ترك برداشتن آن در حين يا بعد از فرايند پيروليز پيش ماده جلوگيري شده است. از طرف ديگر اين امر سبب مي شود تا لايه نشاني مجدد به حداقل برسد. از اين رو، در اين اختراع محلول رزين فنولي نوالاك آميخته با نانولوله كربني بر روي پايه هاي كربني لايه نشاني شده اند. اين امر منجر به توليد غشا كربني بي نقص شده است.

اين اختراع با عنوان غشاي پليمري نانو كامپوزيتي poly (amide-6-b-ethylene oxide)/نانو اكسيد روي به روش ريخته گري محلول پليمري در زمينه شيرين سازي گاز طبيعي كاربرد دارد. نانو ساختارهاي اكسيد روي بكار گرفته شده در اين غشاها داراي ريخت شناسي هاي گوناگون شامل كشيده، ميله اي و تقريبا كروي مي باشند. غشا يك روش ساده و داراي هزينه هاي عملياتي پايين در شيرين سازي گاز طبيعي(حذف گازهاي خورنده و اسيدي مانند دي اكسيد كربن) است. استفاده از غشاهاي پليمري به تنهايي به دليل عبور دهي پايين آن ها، عملكرد خوبي را در جداسازي نشان نمي دهند. از طرفي، اختلاط ذرات غير آلي به بستر پليمر آلي عملكرد غشا رو بهبود مي دهد، به گونه اي كه نتيجه عملكرد فوق العاده آن در بخش استحكام مكانيكي، نفوذ پذيري، گزينش پذيري، براي كاريرد هاي مختلف جداسازي ديده مي شود. در اين اختراع ما موفق شديم براي اولين بار در كشور با استفاده از توزيع مناسب نانو ساختارهاي اكسيد روي در بستر پليمر انتخاب شده ، بهبود كيفيت غشا، خواص تراويي و گزينش پذيري و همچنين افرايش پايداري غشا از نظر مكانيكي و فيزيكي را مشاهده نماييم. خواص فيزيكي و شيميايي غشاهاي تهيه شده با استفاده از آزمون هاي FTR-IR، FESEM و AFM بررسي شد. همچنين آزمون هاي تراوش گاز براي غشاي نانو كامپوزيتي ساخته شده مورد ارزيابي قرار گرفته شد.

ساخت پايه از موارد مهم و ضروري است كه در غشاهاي پايه دار بايد در نظر گرفته شود. از اين رو در اين پژوهش ساخت پايه اي از جنس كربن در دستور كار قرار گرفت كه به صورت قرص (ديسك) مي باشد. براي ساخت اين قرص از پودر كربن فعال و رزين فنولي نوالاك استفاده شده است. اين مواد از جمله مواد ارزان و رايج محسوب مي شوند؛ از اين رو اين پايه در مقايسه با ديگر پايه ها كه معمولا از جنس سراميك و مواد معدني گوناگون مي باشند، داراي قيمت بسيار مناسبي هستند. اين قرص كربني مي تواند در شرايط بحراني نظير محيط هاي خورند شيميايي و يا محيط هاي دما و فشار بالا، براي انواع غشاها مورد استفاده گيرد. از طرف ديگر با توجه به اندازه حفره هاي اين قرص كربني (ماكروحفره)، مي توان از آن به عنوان غشا ميكروفيلتراسيون استفاده كرد.

شبيه سازي ملكولي جهت بهبود و بهينه سازي خواص انتقال و جداسازي گازي غشاي PEBAX با نانوذره زئوليتي FAUانجام شد. با توجه به حضور گازهاي مختلف در خروجي سيستم هاي توليد كننده گازهاي سبك و آلودگي ايجاد شده از اين گازها، روش اساسي براي جداسازي و فيلتر كردن اين گازها غشاها مي باشند. با استفاده از اين غشاي بهبود يافته، گازهاي مضر با بازده بسيار بالا فيلتر شده و جداسازي مي شوند و گازهاي از قبيل متان و دي اكسيد كربن از يكديگر جدا مي شوند. غشاء شبيه سازي شده در اين اختراع، با داشتن بخش نرم پلي اتيلن و سخت پلي آميد (با فرمول شيميايي HO - (CO - PA - CO - O - PE - O)n - H) در پليمر خود و همچنين استفاده از نانوذره زئوليتي FAU كه با حفرات و يون هاي جذبي كه داراي خواص فوق العاده جذبي و نفوذي مي باشند، جداسازي گازي را بسيار خوب و موثر انجام مي دهد.

ساخت غشاي بستر آميخته پلي اتر بلوك آميد با پركن زئوليتي عاملدار شده با نفيون به روش ريخته گري محلول در زمينه شيمي و مهندسي شيمي مي باشد. غشاها يك روش ساده و داراي هزينه هاي عملياتي پايين در شيرين سازي گاز طبيعي(حذف گازهاي خورنده و اسيدي مانند دي اكسيد كربن) هستند. هم اكنون در بيشتر موارد از سيستم سنتي و پرهزينه آميني براي شيرين سازي گاز طبيعي استفاده مي شود. با به كار بردن تركيبي از غشاهاي پليمري (انتخاب پذيري بالا) و معدني (تراوايي بالايي)، مي توان تراوايي و گزينش پذيري بالايي براي دي اكسيدكربن به دست آورد. در اختراع حاضر، پليمرهاي PEBAX و محلول نفيون 115 (%0.5) و ذره معدني زئوليت X13 با نسبت هاي معين تركيب شده است. غشاي (PEBAX(%8)-modified Zeolit (%1 به دست آمده، ويژگي هاي هر دونوع غشا را داشته و در نتيجه كارايي بالايي دارد. مهمترين مزيتهاي غشاي ساخته شده عبارتند از: مواد اوليه ارزان و در دسترس، روش ساخت بسيار آسان، تراوايي و انتخاب پذيري بالا، استحكام مناسب و سازگاري با محيط زيست مي باشد.

گاز طبيعي شامل ناخالصي هايي است كه بايد پيش از مصرف، جدا شوند. يكي از اين ناخالصي ها دي اكسيدكربن است كه حذف آن باعث افزايش ارزش گرمايي گاز طبيعي، كاهش حجم براي انتقال در خط لوله، كاهش خوردگي هنگام انتقال و توزيع گاز مي شود. در اين پژوهش، غشاي بستر آميخته PEBA با نانوذره ايميدازوليت مس -روي كه زيرمجموعه اي از MOFهاست ساخته مي شود تا بتوان توسط آن گاز دي اكسيدكربن را از گاز طبيعي حذف كرد.روش كار، استفاده از جذب بالاي نانوذره براي گاز كربن دي اكسيد نسبت به متان در بستري از پليمر PEBA مي باشد و درنهايت، ساخت غشاي زمينه آميخته اي كه نسبت به غشاهاي ساخته شده داراي تراوايي بالا و در عين حال انتخاب پذيري بالايي نسبت به دي اكسيدكربن / متان باشد.

به منظور بهبود عملكرد جداسازي گازي در فرآيندهاي غشايي هر چه ضخامت لايه چگال كمتر باشد، تراوايي افزايش خواهد يافت. براي جبران استحكام مكانيكي لايه نازك گزينش پذير در فشارهاي بالا و افزايش طول عمر آن، نيازمند به ساخت و شناسايي پايه هاي مناسب خواهيم بود، به نحوي كه سطح صافي را براي لايه گزينش پذير مهيا كرده و لايه فعال در زير لايه نفوذ ننمايد. در اين پژوهش، براي ساخت اين غشاهاي كامپوزيتي، با استفاده از نرم افزار Minitab17 و طراحي آزمايش Taguchi شاخه L27 بر روي بهينه كردن پايه توسط دستگاه لايه نشان چرخشي و به روش وارونگي فازي مرطوب كار شده است. تاثير شرايط عملياتي سنتز غشا PSf نظير غلظت، حلال، تركيب حمام انعقاد و دماي حمام انعقاد بر ريز ساختار غشا مورد بررسي قرار گرفت. سپس با استفاده از روش‌هاي شناسايي غشاهاي متخلخل بهترين زير لايه شناسايي شد. غشاهاي ساخته¬شده با به¬كارگيري آزمون¬هاي تست نقطه‌ي حباب، شناسايي ميزان تخلخل، شناسايي ميزان آبدوستي و آبگريزي غشا، SEM و AFM براي بررسي لايه اولترا مورد ارزيابي قرار گرفتند. با توجه به نتايج AFM و SEM براي دو نمونه غشا با بيشترين و كمترين تخلخل، مشاهده شد كه غشاهاي ساخته شده با پيشبيني نرم افزار مطابقت دارند. درنهايت غشايي با ميزان غلظت 20% وزني و تركيبي از حلال هاي DMF و NMP در حمام انعقاد با تركيب 95% آب و 5% DMF به عنوان بهترين زير لايه انتخاب شد.

تصفيه گاز طبيعي همواره مورد توجه پژوهشگران و صنعتگران اين علم بوده است. روشهاي مختلفي براي انجام اين عمل استفاده مي شود كه يكي از آن ها استفاده از غشاها مي باشد. غشاهاي مورد استفاده شامل دو نوع غشاهاي پليمري و غشاهاي معدني هستند كه مزاياي آن ها به ترتيب انتخاب پذيري بالا و تراوايي بالا مي باشد. هدف از اين اختراع ساخت غشاي بستر آميخته¬ با بارگذاري زئوليت كمتر از %2 وزني است كه بتوان به وسيله آن گاز دي اكسيدكربن را گاز طبيعي جدا كرد. غشاهاي پليمري انتخابگري خوبي دارند و غشاهاي معدني عبوردهي بالايي از خود نشان مي دهند. در اين اختراع خواص غشاهاي پليمري و نانو ذرات معدني به هم تركيب شده و دو خاصيت شار عبوري و ضريب جداسازي مقدار بالايي را به خود اختصاص مي دهند. بدين منظور، در اين اختراع از پليمر PEBA كه انتخابگري بسيار خوبي براي دي اكسيد كربن در مقابل متان و نيتروژن دارد به عنوان بستري براي حضور ذرات زئوليتي كه جذب بالايي براي دي اكسيد كربن داشته و شار عبوري را افزايش مي دهد، استفاده مي شود. در اين اختراع بر روي ميزان بارگذاري زير %2 وزني تمركز شده است. از جمله مزاياي اين غشا تراوايي و انتخاب پذيري بالا، امكان تصفيه گاز بر سر چاه، استحكام بالا،مصرف انرژي كمتر، سازگاري با محيط زيست و ... مي باشد.

در اين اختراع، شرح ساخت غشا PVDF-Graphene-Matrimid 5218 توسط روش جدايش فازي ارائه مي شود. از نانوذره گرافن براي بالا بردن مقاومت مكانيكي غشا و از پليمر ماتريميد جهت افزايش تراوايي آن استفاده شده است. غشاي ساخته شده از نظر ساختاري توسط آناليزهاي SEM ، FTIR و XRD و از نظر عملياتي توسط تراوايي آب خالص با استفاده از خوراك آب دريا با روش تقطير غشايي تحت خلا ارزيابي شده است و خلوص تراوه حاصل از اين سيستم برابر با 99/99% به دست آمده است.