Membrane science is a state-of-the-art environmentally green technology that ascertains superior advantages over traditional counterparts for CO2 capture and separation. In this research, mixed matrix membranes (MMMs) comprising cellulose acetate (CA) with various loadings of bentonite (Bt) clay were fabricated by adopting the phase-inversion technique for CO2/CH4 and CO2/N2 separation. The developed pristine and MMMs were characterized for morphological, thermal, structural, and mechanical analyses. Several techniques such as scanning electron microscopy, thermogravimetric analysis, Fourier transformed infrared spectroscopy, and nano-indentation investigations revealed the promising effect of Bt clay in MMMs as compared to pristine CA membrane. Nano-indentation test identified that elastic modulus and hardness of the MMM with 1 wt. loading was increased by 64% and 200%, respectively, compared to the pristine membrane. The permeability decreased with the incorporation of Bt clay due to uniform dispersion of filler attributed to enhanced tortuosity for the gas molecules. Nevertheless, an increase in gas separation performance was observed with Bt addition up to 1 wt. loading. The opposite trend prevailed with increasing Bt concentration on the separation performance owing to filler agglomeration and voids creation. The maximum value of ideal selectivity (CO2/CH4) was achieved at 2 bar pressure with 1 wt. % Bt loading, which is 79% higher than the pristine CA membrane. For CO2/N2, the ideal selectivity was 123% higher compared to the pristine membrane with 1 wt. % Bt loading at 4 bar pressure.

中文翻译：

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用于分离 CO2 的醋酸纤维素-膨润土混合基质膜的研制和性能评价

膜科学是最先进的环保绿色技术，它在二氧化碳捕获和分离方面具有优于传统技术的优势。在本研究中，采用相转化技术制备了包含醋酸纤维素 (CA) 和不同负载量的膨润土 (Bt) 粘土的混合基质膜 (MMM)，用于 CO2/CH4 和 CO2/N2 分离。开发的原始和 MMM 被表征为形态、热、结构和力学分析。扫描电子显微镜、热重分析、傅里叶变换红外光谱和纳米压痕研究等几种技术揭示了与原始 CA 膜相比，Bt 粘土在 MMM 中的有希望的效果。纳米压痕测试确定了 1 wt. 的 MMM 的弹性模量和硬度。与原始膜相比，负载分别增加了 64% 和 200%。渗透率随着 Bt 粘土的掺入而降低，这是由于填料的均匀分散归因于气体分子的弯曲度增强。然而，观察到气体分离性能随着 Bt 添加至 1 重量份而增加。加载。由于填料团聚和空隙产生，随着 Bt 浓度的增加，对分离性能的影响相反。理想选择性 (CO2/CH4) 的最大值是在 2 bar 压力下使用 1 wt. % Bt 负载，比原始 CA 膜高 79%。对于 CO2/N2，理想的选择性比 1 wt. 的原始膜高 123%。在 4 bar 压力下的 Bt 加载百分比。渗透率随着 Bt 粘土的掺入而降低，这是由于填料的均匀分散归因于气体分子的弯曲度增强。然而，随着 Bt 添加至 1 重量％，观察到气体分离性能的提高。加载。由于填料团聚和空隙产生，随着 Bt 浓度的增加，对分离性能的影响相反。理想选择性 (CO2/CH4) 的最大值是在 2 bar 压力下使用 1 wt. % Bt 负载，比原始 CA 膜高 79%。对于 CO2/N2，理想的选择性比 1 wt. 的原始膜高 123%。在 4 bar 压力下的 Bt 加载百分比。渗透率随着 Bt 粘土的掺入而降低，这是由于填料的均匀分散归因于气体分子的弯曲度增强。然而，观察到气体分离性能随着 Bt 添加至 1 重量份而增加。加载。由于填料团聚和空隙产生，随着 Bt 浓度的增加，对分离性能的影响相反。理想选择性 (CO2/CH4) 的最大值是在 2 bar 压力下使用 1 wt. % Bt 负载，比原始 CA 膜高 79%。对于 CO2/N2，理想的选择性比原始膜高 123%。在 4 bar 压力下的 Bt 加载百分比。观察到 Bt 添加量高达 1 重量％时气体分离性能有所提高。加载。由于填料团聚和空隙产生，随着 Bt 浓度的增加，对分离性能的影响相反。理想选择性 (CO2/CH4) 的最大值是在 2 bar 压力下使用 1 wt. % Bt 负载，比原始 CA 膜高 79%。对于 CO2/N2，理想的选择性比 1 wt. 的原始膜高 123%。在 4 bar 压力下的 Bt 加载百分比。观察到 Bt 添加量高达 1 重量％时气体分离性能有所提高。加载。由于填料团聚和空隙产生，随着 Bt 浓度的增加，对分离性能的影响相反。理想选择性 (CO2/CH4) 的最大值是在 2 bar 压力下使用 1 wt. % Bt 负载，比原始 CA 膜高 79%。对于 CO2/N2，理想的选择性比 1 wt. 的原始膜高 123%。在 4 bar 压力下的 Bt 加载百分比。这比原始 CA 膜高 79%。对于 CO2/N2，理想的选择性比 1 wt. 的原始膜高 123%。在 4 bar 压力下的 Bt 加载百分比。这比原始 CA 膜高 79%。对于 CO2/N2，理想的选择性比 1 wt. 的原始膜高 123%。在 4 bar 压力下的 Bt 加载百分比。