Metal organik kafes katkılı poli(eter-b-amid) membranların hazırlanması ve gaz geçirgenlik özellikleri
Preparation of metal organic framework additive poly(ether-b-amide) membranes and gas separation properties
Yazar: YİĞİT BARTU ILGAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SENNUR DENİZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Doğal gazın kalitesinin artırılması, çöp gazının geri kazanımı, H2 üretimi, geliştirilmiş petrol üretimi ve küresel ısınmanın önlenmesi gibi çeşitli uygulamalar için gaz karışımlarından H2 ve CO2'nin ayrılmasında membran gaz ayırma teknolojilerinin kullanımına ilgi artmaktadır. Membran esaslı CO2 ayırma teknolojilerinin kullanımında karşılaşılan en önemli sorun yüksek geçirgenliğe ve yüksek seçiciliğe sahip membranların geliştirilmesidir. Günümüzde araştırma çalışmalarının çoğu, ayrılmak istenen gaza yüksek seçicilik ve geçirgenlik gösteren yeni membran materyallerinin ve yapılarının geliştirilmesine yöneliktir. Son yıllarda, metal organik kafes yapılar (MOF), katkılı matriks membranlar (KMM) için dolgu malzemesi olarak kullanılmaktadır ve olumlu sonuçlar elde edilmektedir. Polimer/MOF arasındaki iyi etkileşim MOF'ların organik kısmı sayesinde sağlanmaktadır. MOF'lar çok yüksek gözenekli yapıları ve büyük yüzey alanları ile üstün kimyasal ve ısıl kararlılıklarından dolayı dikkat çeken gaz depolama, kimyasal sensör ve ayırma prosesi gibi önemli uygulamalar için umut verici materyallerdir. Yapılan çalışmalarda, gaz ayırma için MOF içeren KMM'lar; zirkonyum, çinko ve bakır esaslı MOF nanokristalleri ile farklı polimerik matriksler kullanılarak hazırlanmıştır.
Bu tez çalışmasında, polimer matriks olarak poli(eter-b-amid) (PEBA), seçilmiştir. Bu polimerler ile birlikte tez kapsamında farklı organik ligandlar ile sentezlenecek olan zirkonyum esaslı MOF'lar kullanılarak farklı polimer/MOF nanokompozit membranlar hazırlanacaktır. Nanokompozit membranların saf H2, CO2 ve CH4 gazları için geçirgenlikleri incelenecektir. MOF yapılarının nanokompozit membranların gaz ayırma özelliklerine ve morfolojisine etkileri araştırılacaktır. Membranların ve sentezlenen MOF türlerinin morfolojileri, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenecektir. Isıl davranışları termogravimetrik analizler (TGA) ve DSC ile belirlenecektir. Sentezlenen MOF türlerinin karakterizasyonu XRD ve BET analizleri ile yapılacaktır. Farklı bileşimlerde hazırlanan polimer/MOF nanokompozit membranların gaz geçirgenlikleri, 35˚C'de saf H2, CH4 ve CO2 gazları için ölçülecektir. Membranların seçicilikleri belirlenerek gaz ayırma performansları belirlenecektir ve MOF türü ve miktarının gaz seçiciliklerine etkisi araştırılacaktır.

Abstract:
There is an increasing interest in the use of membrane gas separation technologies for the separation of H2 and CO2 from gas mixtures for various applications such as increasing the quality of natural gas, recycling of waste gas, H2 production, improved oil production and prevention of global warming. Most of the research is directed towards to the development of new membrane materials and structures that exhibit high selectivity and permeability. Mixed matrix membranes (MMM) containing metal-organic frameworks (MOFs) have attracted large attention owing to the combined advantages of high permeation performance and easy process conditions. Polyether block amide was used in this study.  By using this matrix, different polymer/MOF nanocomposite membranes were prepared using zirconium based MOFs which will be synthesized with different organic ligands. In this study, the permeability of nanocomposite membranes was examined for pure H2, CO2 and CH4 gases and their ability to separate binary gas mixtures were studied. The effects of MOF structures on gas separation properties and morphology of nanocomposite membranes was investigated. MOF species morphology of the synthesized membranes was examined by the scanning electron microscope (SEM). TGA and differential scanning calorimeter (DSC) analysis were took place for the polymeric membranes. The characterization of synthesized MOFs was analyzed by XRD and BET which is used for surface characterization.  
The gas separation principles for the nonporous polymeric membranes were used rather than the other membrane separation methods. In this thesis, polyether-block-amide (Pebax®1657) was chosen as the polymer matrix. Different types of MOF nanocomposite membranes will be prepared by using zirconium based MOFs which will be synthesized with different organic ligands within the scope of this thesis. The permeability of nanocomposite membranes for pure H2, CO2 and CH4 gases will be examined. The effects of MOF structures on the gas separation properties and morphology of nanocomposite membranes will be investigated. The morphology of membranes and synthesized MOF species will be examined by scanning electron microscopy (SEM). Thermal behavior of membrane will be determined by thermogravimetric analysis (TGA) and DSC. Characterization of synthesized MOF species will be examined by XRD and BET analysis. The gas permeability of polymer / MOF nanocomposite membranes prepared in different compositions will be measured for pure H2, CH4 and CO2 gases at 35˚C. Gas separation performance will be determined by determining the selectivity of membranes and the effect of MOF types and amount on gas selectivity will be investigated.