Polimer esaslı gaz ayırma membranlarının hazırlanması
Preparation of polymer based gas separation membranes
Yazar: ERTAN DOĞAN
Danışman: PROF. DR. AHMET KAŞGÖZ ; YRD. DOÇ. DR. ALİ DURMUŞ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Gaz ayrıştırma = Gas seperation ; Polimerik membranlar = Polymeric membranes ; Zeolitler = Zeolites

Özet:
Son yıllarda membran teknolojisinin gelişimi ve kullanım alanının artması ile birlikte, üstün özelliklere sahip membran malzemelerin üretimine ilişkin çalışmalar önem kazanmıştır. Günümüzde zeolit katkılı polimer esaslı gaz ayırma membranlarının seçici-geçirgenlik özelliklerinin arttırılması, zeolit/polimer arayüzeyinde seçici olmayan boşlukların oluşması ve membranın düşük mekanik dayanımı gibi dezavantajlarının iyileştirilmesi bilim dünyası ve endüstri için önemini korumaktadır.Bu tez çalışmasında, zeolit katkılı, karmaşık yapılı gaz ayırma membranları klasik çözeltiden döküm yöntemine göre daha kolay, daha az süre gerektiren ve çözücüsüz bir yöntem olan; eriyikte harmanlama metodu ile çift vidalı ekstruderde hazırlanmıştır. Hazırlanan gaz ayırma membanlarında taşıyıcı polimer matris olarak, yüksek seçicilik özellikleri bilinen ve yüksek camsı geçiş sıcaklığına sahip bir polimer olan polikarbonat (PC) kullanılmıştır. Formülasyonlarda, PC-zeolit ara yüzey etkileşiminin arttırılması amacıyla p-nitroanilin kullanılmıştır. Yapılan denemelerle ara-yüzey uyumlaştırıcı bileşenin, bileşimdeki zeolitin yarısı kadar kullanılması gerektiği belirlenmiş, daha sonra polikarbonata ağırlıkça %10, 20 ve 30 oranlarında zeolit katılarak kompozit malzemeler hazırlanmıştır.Gaz ayırma membranlarında kullanılan yüksek Tg'li polimerlerin camsı geçiş sıcaklıkları altındaki kırılganlıkları, inorganik bir malzeme olan zeolitin katılmasıyla daha da artmaktadır. Oluşan bu mekanik dayanıksızlığı ortadan kaldırmak için hazırlanan polikarbonat/zeolit/p-nitroanilin karışımı ekstruderde yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) ile de harmanlanmıştır. Harman-kompozit yapılı malzemelerde PC ile HDPE arasındaki uyumsuzluğu azaltmak ve etkin polimer-polimer dispersiyonu sağlamak amacıyla da polietilen-glisidil metakrilat kopolimeri (PE-co-GMA) uyumlaştırıcı olarak kullanılmıştır.Son ürün olarak hazırlanan filmlerin ve polimer harmanlarının morfolojilerinin incelenmesi amacıyla X-ışını Kırınım Spektroskopisi (XRD) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) analizleri, seçici-geçirgenlik özelliklerinin belirlenmesi amacıyla da O2, N2 ve CO2 gaz testleri yapılmıştır.

Abstract:
In the recent years, preparation of membrane materials having superior properties have attracted significant interests as a result of development of membrane technology and increasing their industrial importance and usage. For a scientific and industrial point of view, improvement of perm-selectivity feature of zeolite filled polymer-based membranes have been currently crucial by forming non-selective holes in polymer/zeolite interface and enhancing of poor mechanical properties of such membranes.In this study, zeolite filled mixed matrix gas separation membranes were prepared by melt blending process in a twin screw extruder which regarded as a versatile, easy, time-benefit and non-solvent method compared to classical solvent-evaporation technique. Polycarbonate (PC), as a main polymer matrix, which is a well-known high-selective separation material having a high glass transition temperature (Tg) was used to preparation of membranes. para-nitroaniline(p-NA) was also used as interfacial agent in formulations to increase interactions between PC and zeolite. Based on the experimental works, it was found that interfacial agent should be used as half the amount of zeolite content in the composition and then composites were prepared by adding 10%, 20% and 30% (wt) of zeolite into PC.Brittle properties of the matrix polymers with high Tg increase with introducing inorganic component (zeolite) under the glass-transition temperature. To overcome such mechanical weakness, the PC/zeolite/p-NA mixture was blended with a high density polyethylene (HDPE) in twin screw extruder. Polyethylene-glycidyl copolymer (PE-co-GMA) was also used as compatibilizer to reduce immiscibility between the PC and HDPE and provide an effective polymer-polymer dispersion.XRD and SEM analyses were performed to investigate both polymer blends and end-product films. Gas tests against O2, N2 and CO2 were also carried out to evaluate perm-selectivity properties of samples.