CO2/CH4 AYRIMI İÇİN KOMPOZİT POLİİMİD MEMBRANLARIN SENTEZİ VE GELİŞTİRİLMESİ
THE SYNTHESIS AND DEVELOPMENT OF COMPOSITE POLYIMIDE MEMBRANES FOR CO2/CH4 SEPARATION
Yazar: İLKE ILICAK
Danışman: DOÇ. DR. MEHTAP ŞAFAK BOROĞLU
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Kompozit polimerler = Composite polymers

Özet:
Günümüzde enerji kaynakları hızlı bir şekilde tüketilmektedir. Bu nedenle alternatif enerji kaynaklarına olan ilgi gün geçtikçe artmaktadır.  Membran bazlı gaz ayırma sistemleri baca gazı arıtma, doğal gaz arıtma, hidrojen geri kazanımı ve rafineriler gibi birçok endüstriyel işlemlerde kullanılmakta ve ekonomik açıdan avantaj sağlamaktadır. Polimerik membranlar, özellikle poliimid membranlar, geçirgenlik, seçicilik ve işleme özelliklerinden dolayı gaz ayırma işlemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Zeolitik imidazolat yapılar (ZIF'ler), homojen gözenek boyutları, yüksek ısıl ve kimyasal kararlılık gibi üstün moleküler elek membranlarının hazırlanması için yeni bir kristalin gözenekli malzeme tipi olarak ortaya çıkmıştır. 
Bu çalışmada, ilk aşamada zeolitik imidazolat yapı-95 (ZIF-95) ve zeolitik imidazolat yapı-100 (ZIF-100) parçacıkları hazırlanarak Matrimid® 5218 poliimid matrisine dahil edilmiştir. Matrimid® 5218/ZIF-95 ve Matrimid® 5218/ZIF-100 karışık matrisli membranları (KMM), Matrimid® 5218 polimer çözeltisine ağırlıkça % 0, 10, 20, 30 oranlarında ZIF-95 ve ZIF-100 yüklemeleri kullanılarak oluşturulmuştur. Bu KMM'ler çözelti döküm yöntemi ile hazırlanmıştır. ZIF-95 ve ZIF-100 ile Matrimid® 5218 arasındaki etkileşim X-Işını Difraksiyonu (XRD), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Fourier Dönüşümü Kızılötesi Spektroskopisi (FT-IR), Termogravimetrik Analiz (TGA) ve Dinamik Mekanik Analiz (DMA) yöntemleri ile karakterize edilmiştir. 
Matrimid® 5218/ZIF-95 ve Matrimid® 5218/ZIF-100 karışık matriks membranlarının gaz ayırma performansı 35 °C'de ve 4 bar basınç altında analiz edilmiştir. Gaz geçirgenlik analizleri, H2, CO2 ve CH4 gazlarının ayrımı için uygun gözenek boyutuna sahip ZIF-95 ve ZIF-100 ilavesi ile gerçekleşmiştir. Polimer matrisinde partiküllerin dispersiyonunu gözlemlemek için karışık matris membranların yüzey ve kesitsel taramalı elektron mikroskobu görüntüleri alınmıştır. SEM analizi sonucunda polimer yapı içinde partikül dağılımının oldukça homojen olduğu, ZIF partiküllerinin topaklanarak aglomerasyona sebep olmadığı ve gözle görünür delik veya çatlakların olmadığı tespit edilmiştir. Gaz geçirgenlik ölçümleri sonucunda, polimer matrisi içerisine katılan ZIF miktarı arttıkça H2, CO2 ve CH4 geçirgenlikleri artarken seçicilikte de artış görülmüştür. ZIF-95 içeren KMM'ler, ZIF-100 içeren KMM'lere göre daha yüksek geçirgenlik seçicilik değerleri göstermiş bu durumunda ZIF-95 ile ZIF-100 arasındaki gözenek boyutu farklılığından kaynaklandığı düşünülmektedir. Sonuçlar, ZIF membran sentezi için genel bir sürecin geliştirildiğini, beklentilerinin ve potansiyel yeni gelişimlerin sunulduğunu göstermektedir.

Abstract:
Today, energy resources are consumed rapidly. For this reason, interest in alternative energy sources is increasing day by day. Membrane-based gas separation systems are used in many industrial processes such as flue gas treatment, natural gas treatment, hydrogen recovery and refineries, and are economically advantageous. Polymeric membranes, especially polyimide membranes, are widely used in gas separation processes due to their permeability, selectivity and processing properties. Zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs) have emerged as a new type of crystalline porous material for the preparation of superior molecular sieve membranes such as homogeneous pore sizes, high thermal and chemical stability. 
In this study,  in the first step, zeolitic imidazolate framework-95 (ZIF-95) and zeolitic imidazolate framework-100 (ZIF-100) particles were prepared and incorporated into Matrimid® 5218 polyimide matrix. Matrimid® 5218/ZIF-95 and Matrimid® 5218/ZIF-100 mixed matrix membranes (MMMs) were prepared using ZIF-95 and ZIF-100 charges in the Matrimid® 5218 polymer solution at 0, 10, 20, 30 percent by weight. These MMMs were prepared by solution casting method. Interaction between ZIF-95, ZIF-100 and Matrimid® 5218 is characterized by X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscope (SEM), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), Thermogravimetric Analysis (TGA), Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Dynamic Mechanical Analysis (DMA) methods.
The gas separation performance of the Matrimid® 5218 / ZIF-95 and Matrimid® 5218 / ZIF-100 mixed matrix membranes was analyzed at 35 ° C and 4 bar pressure. Gas permeability analyzes were performed with the addition of ZIF-95 and ZIF-100 which has the appropriate pore size for the separation of H2, CO2 and CH4 gases. Surface and cross-sectional scanning electron microscopy images of mixed matrix membranes were taken to observe the dispersion of the particles in the polymer matrix. As a result of the SEM analysis, it was found that the particle distribution in the polymer structure is very homogeneous, the ZIF particles do not agglomerate and there are no visible holes or cracks. As a result of gas permeability measurements, the permeability of H2, CO2 and CH4 increased while the selectivity increased as the amount of ZIF added in the polymer matrix increased. KMMs containing ZIF-95 showed higher values of permeability selectivity than KMMs containing ZIF-100, which is thought to be caused by the difference in pore size between ZIF-95 and ZIF-100. The results show that a general process for ZIF membrane synthesis has been developed, and anticipation and potential new developments are presented.