Estudio de las propiedades dieléctricas de membranas aditivadas de polisulfona para la captura de CO2

Abstract

[ES] Reducir la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera y mantener la temperatura del planeta en un rango compatible con la vida es un objetivo mundial, en el que juega un papel fundamental el desarrollo de tecnologías para la captura del CO2. Entre otras, la adsorción ambiental de CO2 atmosférico a través de contactores de membrana es una solución muy prometedora. Concretamente, esta tecnología utiliza unas membranas especiales de polisulfona para la captación en su interior del CO2. En este trabajo se van a estudiar el comportamiento dieléctrico de distintas configuraciones de membranas que permitan establecer una relación entre la movilidad de las cadenas poliméricas que constituyen la membrana y su capacidad de captación, con el fin de tunear el diseño de estas membranas y maximizar la eficiencia del proceso. Para ello se ha elegido una membrana comercial Lupasol G20 que es una Polisulfona modificada con una polietilenimina hiperramificada, que a su vez se ha modificado con cloruro de benzoilo (Aditivo1) en distintas proporciones 2% y 10%, o isocianato de fenilo (Aditivo 2) en las mismas proporciones. Todas las membranas se prepararon mediante precipitación por inversión de fase. La caracterización se basa fundamentalmente en el análisis exhaustivo del espectro de relajaciones dieléctricas y en la su conductividad eléctrica y protónica. Asimismo, se ha analizado su estructura química, morfología microscópica, propiedades y estabilidad térmicas, en función del tipo de aditivo y su composición. Estas membranas exhiben una morfología muy similar, mostrando unos macro-huecos en la parte superior que aumentan con la proporción de aditivo. El espectro dieléctrico de la membrana está formado por cuatro relajaciones que se corresponden con movimientos de tipo intramolecular (a bajas temperaturas) y movimientos de cadena principal tales como la relajación estructural y la transición vítrea. Además, se identifica una quinta relajación debida a la propia conductividad eléctrica. Asimismo, el incremento en el aditivo produce un desplazamiento de las relajaciones a mayor temperatura debido al aumento de las restricciones. Finalmente, se ha comprobado que la espectroscopia dieléctrica es una técnica adecuada para proporcionar información sobre movilidad de las cadenas laterales y la columna vertebral de estos polímeros, así como, la flexibilidad y volumen libre de estos grandes sistemas supramoleculares, permitiendo con ello predecir sus propiedades finales en función del tipo de sustituyente y su composición.

[EN] Reducing the amount of carbon dioxide in the atmosphere and keeping the planet's temperature in a range compatible with life is a global goal, in which the development of CO2 capture technologies plays a key role. Among others, environmental adsorption of atmospheric CO2 through membrane contactors is a very promising solution. Specifically, this technology uses special polysulphone membranes to capture CO2 inside the membrane. In this work, the dielectric behaviour of different membrane configurations will be studied. The relationship between the mobility of the polymer chains and its capture capacity is established, to tune the design of these membranes and maximise the efficiency of the process. For this purpose, a commercial membrane Lupasol G20 has been chosen, which is a polysulphone modified with a hyperbranched polyethylenimine, which in turn has been modified with benzoyl chloride (Additive 1) in different proportions of 2% and 10% or phenyl isocyanate (Additive 2) in the same proportions. All membranes were prepared by phase inversion precipitation. The characterisation is mainly based on the exhaustive analysis of the dielectric relaxation spectrum and their electrical and proton conductivity. Their chemical structure, microscopic morphology, thermal properties, and stability have also been analysed, depending on the type of additive and its composition. These membranes exhibit a very similar morphology, showing macro-hollows in the upper part that increase with the proportion of additive. The dielectric spectrum of the membrane is formed by four relaxations. At low temperatures two intramolecular relaxations and a structural relaxation and glass transition, al high temperatures. In addition, a fifth relaxation due to the electrical conductivity itself is identified. Also, the increase in additive produces a shift of the relaxations to higher temperature due to the increase of the restraints. Finally, it has been shown that dielectric spectroscopy is a suitable technique to provide information on the mobility of the side chains and backbone of these polymers, as well as the flexibility and free volume of these large supramolecular systems, thus allowing the prediction of their final properties depending on the type of substituent and its composition.