Development of sulfonated poly(ether imide) membranes for gas permeation

A busca por membranas com propriedades adequadas a separação de gases em escala industrial tem levado a modificação e sIntese de polImeros de engenharia, com objetivo de obter membranas com propriedades adequadas. Uma das modificaçoes que tem se apresentado promissora é a inserção de grupos sulfônicos em polImeros comerciais. Espera-se que o polImero sulfonado apresente um aumento na permeação de gases polares, em relação a gases apolares, devido a sua estrutura mais polar e flexIvel. Neste contexto, o objetivo do presente trabalho é a sIntese e caracterização de membranas de poli(éter imida) sulfonada para a permeação de gases. Um planejamento experimental foi desenvolvido, em diferentes condiçoes reacionais de temperatura, tempo e excesso de um dos reagentes (ácido acético), para a sIntese de poli(éter imida) sulfonada (SPEI). Através deste planejamento, constatou-se que as variáveis que mais influenciam o grau de sulfonação são a temperatura e o tempo. O polImero com o maior grau de sulfonação, determinado por capacidade de troca iônica (IEC= 92 mEq H+/g), foi utilizado para o preparo da membrana de SPEI, obtida pela técnica de inversão de fase por evaporação do solvente, utilizando-se clorofórmio como solvente. Este filme foi caracterizado a partir das seguintes análises: espectroscopia de infravermelho (FTIR), calorimetria diferencial de varredura (DSC), análise termogravimétrica (TGA) e microscopia eletrônica de varredura (MEV), a fim de avaliar a influência da inserção do grupo sulfônico na matriz polimérica. O espectro de infravermelho de SPEI apresentou bandas relacionadas as vibraçoes assimétricas em 1240 cm-1 (ligação O=S=O), ligação simétrica em 1171 cm-1 (O=S=O) e ligação S-O entre 1010-1024 cm-1. Isto indica a presença de grupos sulfônicos. A análise de DSC foi realizada entre 150-250C. Nesta faixa, não foram observadas alteraçoes na temperatura de transição vItrea (Tg) do polImero modificado (217C). Acredita-se que a decomposição do grupo sulfona aconteça antes da temperatura atingir o Tg do polImero. Esta suposição é confirmada na análise de TGA. As imagens de MEV mostraram que foram obtidos filmes livres de poros e defeitos. A membrana da SPEI foi utilizada no ensaio de permeaçao dos gases 02, N2 e C02, a fim de determinar a permeabilidade e seletividade da membrana. As permeabilidades encontradas para o gas oxigênio foram de 0,76 barrer para a PEI e 0,46 barrer para a SPEI. A seletividade do dióxido de carbono em relaçao ao oxigênio aumentou de 3,5, na membrana de PEI, para 4,83, na membrana de SPEI. Em relaçao ao nitrogênio, as permeabilidades medidas foram 0,064 barrer e 0,043 barrer, para a PEI e para a SPEI, respectivamente, enquanto a seletividade em relaçao ao C02 aumentou de 41,1 para 55,5. Estes resultados indicam que o efeito de sorçao predominou devido ao aumento das interaçöes moleculares, reduzindo assim o volume livre, o que tornou a membrana sulfonada mais compacta, com permeabilidade menor e maior seletividade. Estes resultados corroboram com a premissa de que a sulfonaçao é um processo promissor para o desenvolvimento de membranas mais eficientes.The search for membranes with suitable properties for gas separation in industrial scale has led to the modification and synthesis of engineering polymers with the purpose of obtaining membranes with superior properties. 0ne of the modifications that have been considered promising is the insertion of sulfonic groups in commercial polymers. Due to its structure more polar and flexible, it is expected that the sulfonated polymer present an increase in polar gas permeation in relation to nonpolar gases. In this context, the objective of this work is the synthesis and characterization of membranes of poly (ether imide) sulfonated for the permeation of gases. An experimental design was developed in different reaction conditions of temperature, time and an excess of one of the reagents (acetic acid), for the synthesis of poly (ether imide) sulfonated, SPEI. Through this planning, it was found that the variables that most influenced the degree of sulfonation are temperature and time. The polymer with the highest degree of sulfonation, by ion exchange capacity (IEC = 92 mEq H+ I g), was used to prepare SPEI membrane obtained by the technique of solvent evaporation, using chloroform. This film was characterized from the following analysis: infrared spectroscopy (FTIR), differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TGA) and scanning electron microscopy (SEM) to evaluate the influence of insertion of the sulfonic group in the polymer matrix. The infrared spectrum showed bands of SPEI related to asymmetric vibrations at 1240cm- 1 (S = 0 = 0), in symmetric stretch at 1171 cm-1 (0 = S = 0) and S0 stretch between 1010-1024cm-1. This indicates the presence of sulfonic groups. The DSC analysis was carried out between 150-250C. In this range, there are no significant changes in glass transition temperature of the modified polymer (217C). It is believed that the decomposition of the sulfone group occurs before the temperature reaches the Tg of the polymer. This assumption is confirmed in the TGA analysis. The images of SEM showed that films were obtained free of pores and defects. The membrane SPEI obtained by the technique of solvent evaporation, was used for testing permeation of gases 02, N2 and C02 in order to determine the permeability and selectivity of the membrane. The permeabilities found for oxygen were 0.76 barrer for PEI and 0.46 barrer for SPEI. The selectivity of carbon dioxide relative to oxygen increased from 3.5 to 4.83. Regarding nitrogen, the permeability measurements were 0.064 barrer and 0.043 barrer for the PEI and the SPEI, respectively, while the selectivity relative to C02 increased from 41.1 to 55.5. These results indicate that the predominant effect of sorption due to increased molecular interactions, thus reducing the free volume, made the membrane sulfonated more compact with lower permeability and higher selectivity. These results agree with the premise that the sulfonation is a promising process for the development of more efficient membranes