Development of polymer materials for applications in industrially relevant gas separation processes

Abstract

Polymeric membranes are a promising technology for efficient and selective gas separation, offering advantages such as energy efficiency, compact design, and operational simplicity. Among the wide variety of polymers used as membrane materials, aromatic polyimides are notable polymers in this field, offering exceptional thermal and chemical stability, mechanical strength, and feasibility of being processed as membranes. When properly designed, these materials are highly attractive for gas separation applications. However, aromatic polyimides used for gas separation face the well-known trade-off between permeability and selectivity, requiring further research to achieve higher-performance materials. This PhD thesis focuses on developing innovative materials with improved permeability vs selectivity balance performance. The proposed research approach adopts three primary strategies: integrating bipyridine groups into polymer backbones to enhance gas solubility, adding porous organic polymers to polyimide matrixes to fabricate mixed matrix membranes to improve gas diffusivity, and introducing metal salts to obtain facilitated transport materials. To achieve these goals, two families of polymers were designed and synthesized: bipyridine-based aromatic polyimides and bipyridine-containing porous organic polymers (POPs), both materials were destined for CO2 capture. Additionally, Ag(I) salts were incorporated inside the POP structures through the bipyridine moiety for making mixed matrix membranes as light olefin purification materials. All synthesized materials demonstrated outstanding chemical and thermal stability, as well as robust mechanical properties, enabling their application in gas separation processes. The resulting membranes exhibited big improvements in gas separations, particularly for CO2/N2 and C3H6/C3H8 gas pairs.

Las membranas poliméricas son una tecnología prometedora para la separación eficaz y selectiva de gases, ya que ofrecen ventajas como elevada eficiencia energética, diseño compacto y sencillez operativa. Entre la amplia variedad de polímeros utilizados como materiales de membrana, las poliimidas aromáticas son polímeros útiles para este campo, ya que ofrecen una estabilidad térmica y química excepcional, una buena resistencia mecánica y alta capacidad para ser procesadas como membranas. Si se diseñan adecuadamente, estos materiales resultan muy atractivos para aplicaciones de separación de gases. Sin embargo, las poliimidas aromáticas utilizadas para la separación de gases se enfrentan a la conocida relación inversa entre permeabilidad y selectividad, por lo que es necesario seguir investigando para conseguir materiales de mayor productividad. Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo de materiales innovadores con propiedades de separación de gases mejoradas. El enfoque de investigación propuesto en este trabajo de investigación adopta tres estrategias principales: integrar grupos de bipiridina en la estructura macromolecular de los polímeros para mejorar la solubilidad del gas, añadir polímeros orgánicos porosos a las matrices de poliimida para fabricar membranas de matriz mixta que mejoren la difusividad del gas, e introducir sales metálicas para obtener materiales de transporte facilitado en la purificación de olefinas ligeras. Para alcanzar estos objetivos, se diseñaron y sintetizaron dos familias de polímeros: poliimidas aromáticas basadas en bipiridina y polímeros orgánicos porosos (POPs) que contienen grupos bipiridina, ambos materiales destinados a la captura de CO2. Además, se incorporaron sales de Ag(I) dentro de las estructuras POP a través del grupo bipiridina para fabricar membranas de matriz mixta como materiales de purificación de olefinas ligeras. Todos los materiales sintetizados demostraron una extraordinaria estabilidad química y térmica, así como propiedades mecánicas robustas, lo que permitió su aplicación en procesos de separación de gases. Las membranas resultantes presentaron excelentes propiedades de separación, en particular para las parejas de gases CO2/N2 y C3H6/C3H8.