Effects of Thermal Treatment and Physical Aging on the Gas Transport Properties in Matrimid^®

Les effets du traitement thermique et du vieillissement physique sur les caractéristiques du transport au gaz dans le Matrimid^®

¹ Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali (DICAM), Alma Mater Studiorum-Università di Bologna, via Terracini 28, 40131 Bologna – Italy
² Centro Interdipartimentale per Ricerca Industriale-Meccanica Avanzata e Materiali (CIRI-MAM) Alma Mater Studiorum-Università di Bologna, via Terracini 28, 40131 Bologna – Italy
e-mail: marco.giacinti@unibo.it

^* Corresponding author

Abstract

Carbon dioxide and methane transport in a commercial polyimide, Matrimid 5218^®, has been characterized in order to evaluate the effect of membrane thermal treatment and physical aging on its potentialities for CO₂/CH₄ separation. In particular, CO₂ and CH₄ permeabilities and diffusion coefficients were measured at three different temperatures (35, 45 and 55°C) in films pretreated at 50, 100, 150 and 200°C, respectively. The performances of each sample were examined for a period of more than 3 000 hours. Permeability and diffusivity values for both penetrants showed a marked decrease with increasing the pretreatment temperature up to 150°C and remained, then, substantially unchanged for specimens pretreated at the highest temperature. Interestingly, the samples characterized by the higher flux after film formation also showed a faster aging phenomenon, leading to a 25 % decrease of CO₂ permeability in the period inspected. Conversely, the samples pretreated at temperatures of 150°C, or higher, displayed very stable transport properties for the entire duration of the monitoring campaign. At the end of the aging period considered, the differences among samples were definitely reduced, suggesting that the initial behaviors are related to different polymer structures induced by pretreatment, which slowly evolve in time towards more similar and more stable configurations. Such aging rearrangements affect both CO₂ and CH₄ permeability in a similar way, so that no significant changes were observed for selectivity, which showed only a slight increment by increasing the temperature of the thermal treatment or the duration of the aging period.

Résumé

Le transport du dioxyde de carbone et du méthane dans un polyimide commercial, Matrimid 5218, a été analysé pour évaluer les effets du traitement thermique de la membrane et du vieillissement physique sur sa capacité à séparer CO₂/CH₄. En particulier, la perméabilité au CO₂ et au CH₄ et les coefficients de diffusion ont été mesurés à trois températures différentes (35, 45 et 55 °C) dans des films prétraités respectivement à 50, 100, 150 et 200 °C. Les performances de chaque échantillon ont été examinées sur une période de plus de 3 000 heures. Les valeurs de la perméabilité et de la diffusion pour les deux gaz ont fortement diminué lorsque la température du prétraitement a augmenté jusqu’à 150 °C. Les valeurs sont restées presque constantes au-delà de cette température. Il est intéressant de noter que les échantillons qui ont montré le plus grand flux, après le dépôt, ont subi simultanément un phénomène de vieillissement plus rapide, ce qui a conduit à une diminution de 25% de la perméabilité au CO₂ sur la période étudiée. Inversement, les échantillons prétraités au-delà de 150 °C ont affiché des propriétés de transport très stables pendant toute la durée des mesures. Par conséquent, à la fin de l’étude, les différences entre les échantillons ont été nettement réduites, ce qui suggère que la structure initiale pourrait être due à des structures polymériques différentes, induites par un prétraitement, qui évoluent lentement avec le temps vers des configurations plus semblables et plus stables. Il est important de remarquer qu’un tel réarrangement a affecté de la même manière la perméabilité au CO₂ et celle au CH₄. Nous n’observons donc pas de changements significatifs en ce qui concerne la sélectivité qui a montré seulement une légère hausse lorsque l’on augmente la température du traitement thermique ou le temps de vieillissement.