Sulu organik karışımların ayrılmasına yönelik pervaporasyon modelleme çalışmaları ve buhar sıvı denge hesaplamaları
Pervaporation modeling studies for separation of aqueous organic mixtures and vapor liquid equilibrium calculations
Yazar: ENVER CAN KILIÇ
Danışman: DOÇ. DR. YAVUZ SALT
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Polimerik yoğun membranlar kullanarak ayırma işleminin gerçekleştirildiği pervaporasyon yöntemi farklı uygulama alanlarında yaygın şekilde kullanılmaktadır. Diğer membran proseslerinde olduğu gibi pervaporasyon yönteminde de en önemli bileşen membran olduğundan, ayrılması gereken karışımdan hedef bileşeni seçici bir şekilde tercih edebilecek ve yüksek akı değerleri verebilecek uygun membran malzemelerinin belirlenmesi gerekmektedir. Ayrıca, pervaporasyon sıvı karışımların ayrılmasında kullanılan bir ayırma yöntemi olduğundan ve özellikle azeotropik karışımların ayrılmasını sağlayabildiğinden, polimer-sıvı etkileşim ve sıvı-sıvı ikili etkileşimlerinin hesaplanması, aktivite katsayılarının ve diğer termodinamik özelliklerinin belirlenmesi, membran boyunca taşınım olayının çözümlenmesinde oldukça önemlidir. Etanol, bütanol ve aseton sanayinin birçok dalında yaygın biçimde ve yüksek miktarlarda kullanılan çözücülerdir. Bu kimyasalların farklı uygulama alanlarında birbirleriyle ve su ile oluşturdukları karışımların ayrılmasına yönelik daha etkin ve ekonomik çözümlerin oluşturulması gerekmektedir. Organik-su karışımlarından organiklerin geri kazanılması veya organik-organik karışımlarının ayrılmasında polidimetilsiloksan (PDMS) sıklıkla kullanılan polimerlerden birisidir. Polidimetilsiloksan yüksek zincir hareketliliği, düşük mekaniksel direnci ve düşük seçicilik değerleri vermesi nedeniyle farklı inorganik dolgular kullanılarak özelliklerinin geliştirilmesi gerekmektedir. Bu tez çalışması kapsamında, etanol, bütanol, aseton ve su kimyasallarının saf halleri ve ikili karışımları ele alınarak yoğunlukları belirlenmiş, farklı sıcaklıklarda izotermal buhar-sıvı denge hesaplamaları gerçekleştirilmiş, UNIFAC yöntemiyle aktivite katsayılarının kestirimi yapılmış ve ikili etkileşim parametreleri hesaplanmıştır. Saf madde pervaporasyon deneylerine yönelik olarak homojen ve zeolit NaY, zeolit 5A ve nano boyutlu TiO2 dolgulu polidimetilsiloksan membranlar hazırlanmıştır. Hazırlanan membranlar Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR), diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC), termal gravimetrik analiz (TGA) ve mekanik testlerle karakterize edilmiştir. Farklı sıcaklıklarda sorpsiyon deneyleri yapılarak membran-çözücü etkileşim parametreleri hesaplanmıştır. Membran karakterizasyon çalışmaları sonucunda belirlenen zeolit NaY dolgulu polidimetilsiloksan membran kullanılarak farklı sıcaklıklarda saf etanol, bütanol, aseton ve su için tekli geçirgenlik testleri yapılarak membran performansı ortaya konmuştur. Pervaporasyon yönteminde membran boyunca taşınım modellenmesinde en çok kullanılan yaklaşımlardan biri çözünme-difüzyon modelidir. Serbest hacim teorisi kapsamında bu model kullanılarak tekli bileşen modelleme çalışmaları gerçekleştirilmiş, deneysel verilerin model sonuçlarıyla uyumlu olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
The pervaporation method, in which separation is performed using polymeric dense membranes, is widely used in different application areas. Since the membrane is the most important component in the pervaporation method, as in other membrane processes, it is necessary to determine suitable membrane materials that can selectively choose the target component from the mixture to be separated and give high flux values. In addition, since pervaporation is a separation method used in the separation of liquid mixtures and can particularly provide separation of azeotropic mixtures, calculation of polymer-liquid interactions and liquid-liquid interactions, determination of activity coefficients and other thermodynamic properties are very important in analyzing transport across the membrane. Ethanol, butanol and acetone are solvents used widely and in high amounts in many branches of industry. It is necessary to create more effective and economical solutions for the separation of mixtures of these chemicals with each other and with water in different application areas. Polydimethylsiloxane (PDMS) is one of the polymers that is frequently used in the recovery of organics from organic-water mixtures or the separation of organic-organic mixtures. Since polydimethylsiloxane gives high chain mobility, low mechanical resistance and low selectivity values, its properties need to be improved by using different inorganic fillers. Within the scope of this thesis, the pure states and binary mixtures of ethanol, butanol, acetone and water chemicals were taken into consideration and their densities were determined, isothermal vapor-liquid equilibrium calculations were carried out at different temperatures, activity coefficients were estimated using the UNIFAC method, and binary interaction parameters were calculated. For pure substance pervaporation experiments, homogeneous and zeolite NaY, zeolite 5A and nano-sized TiO2 filled polydimethylsiloxane membranes were prepared. The prepared membranes were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), differential scanning calorimetry (DSC), thermal gravimetric analysis (TGA) and mechanical tests. Membrane-solvent interaction parameters were calculated by performing sorption experiments at different temperatures. Membrane performance was demonstrated by performing single permeability tests for pure ethanol, butanol, acetone and water at different temperatures using a zeolite NaY filled polydimethylsiloxane membrane determined as a result of membrane characterization studies. In the pervaporation method, one of the most used approaches for modeling transport across the membrane is the solution-diffusion model. Within the scope of free volume theory, single component pervaporation modeling studies were carried out using this model. It was determined that the expermimental data were consistent with the model results.