Biyopolimer esaslı karışık matris membranların hazırlanması ve gaz geçirgenlik özellikleri
Preparation and gas separation properties of biyopolymer based mixed matrix membranes
Yazar: ÖZLEM YERCİ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SENNUR DENİZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Günümüzde, gaz karışımlarından H2 ve CO2'in ayrılmasında membran teknolojilerinin kullanımına olan ilgi ve çalışmalar hızla artmaktadır. Çalışmaların çoğunun amacı ayrılmak istenen gaza yüksek seçicilik ve geçirgenlik gösteren yeni ve özellikle biyobozunur polimer matrisli membran materyallerinin ve yapılarının geliştirilmesidir. 
Bu tez çalışmasında, polimer matris olarak poli (laktik asit) (PLA) ve polikaprolakton (PCL) biyobozunur polimerleri tercih edilmiştir. Polimer-çözücü etkileşiminden dolayı membran morfolojisine, mekanik dayanımına ve gaz geçirgenliğine etkisini incelemek amacıyla iki farklı çözücü kullanılarak kloroform ile PLA-K ve diklorometan ile PLA-D esaslı membranlar hazırlanmıştır. 
Membranların H2 geçirgenliği özelliğini belirlemek ve geçirgenlik değerini arttırmak amacıyla PLA membran matrisine nano boyutlu katkı maddeleri eklenerek PLA esaslı karışık matris membranlar hazırlanmıştır. Polimer zincirlerinin yerleşimi ve nanopartiküller ile etkileşimini iyileştirmek amacıyla polietilen glikol (PEG) katkı maddesi olarak eklenmiştir ve gaz geçirgenliğine etkisi araştırılmıştır. PLA esaslı membranların gaz ayırma özelliklerini ve performansını arttırmak amacıyla iki farklı bakır esaslı MOF (CuMOF ve CuMOF@GO) nanokristalleri sentezlenmiştir ve polimer matrise eklenerek PLA/CuMOF ve PLA/CuMOF@GO karışık matris membranlar hazırlanmıştır. CuMOF yapılarının karışık matris membranların gaz ayırma özelliklerine ve morfolojisine etkileri araştırılmıştır. İki farklı biyobozunur polimerin gaz geçirgenlik özelliklerini incelemek amacıyla PLA/PCL karışım membranları hazırlanmıştır. Tüm membranların hidrojen, azot, metan ve karbon dioksit gazları için geçirgenlik ölçümleri yapılarak geçirgenlik parametreleri ölçülmüştür ve seçicilikleri hesaplanmıştır. Gaz geçirgenlik ölçümleri, sabit 3 bar besleme basıncı ve 35 °C sabit sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. PLA polimer zincirleri ile CuMOF nanokristalleri arasında etkileşimin, eklenen PEG katkısının ve membran hazırlamada kullanılan çözücülerin membranların gaz ayırma özelliklerine etkileri araştırılmıştır. Membranların morfolojileri ve CuMOF yapılarının karakterizasyonu FTIR, XRD, SEM ve BET analizleri ile yapılmıştır. PLA membranlarının H2 geçirgenlikleri CuMOF içeren membranlarda %63,95 azalırken, CO2 geçirgenlikleri %199,48 oranında artmıştır. Çözücü olarak diklorometan ile hazırlanan membranların H2 geçirgenliklerinin kloroform ile hazırlanan membrana göre daha yüksek olduğu anlaşılmıştır. PLA ve PCL membranların H2 ve CO2 ayırmada kullanım potansiyeline sahip olduğu belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Membran gaz ayırma, gaz geçirgenlik, karışık matris membranlar, PLA, CuMOF

Abstract:
Nowadays, interest and studies on the use of membrane technologies in the separation of H2 and CO2 from gas mixtures are increasing rapidly. The aim of most of the studies is to develop new and especially biodegradable polymer matrix membrane materials and structures with high selectivity and permeability to the gas desired to be separated.
In this thesis, poly (lactic acid) (PLA) and polycaprolactone (PCL) biodegradable polymers were preferred as polymer matrix. In order to examine the effect on membrane morphology, mechanical strength and gas permeability due to polymersolvent interaction, chloroform and PLA-K and dichloromethane and PLA-D based membranes were prepared using two different solvents. PLA-based mixed matrix membranes were prepared by adding nano-sized additives to the PLA membrane matrix in order to determine the H2 permeability properties of the membranes and to increase the permeability value. In order to improve the arrangement of polymer chains and interaction with nanoparticles, polyethylene glycol (PEG) was added as an additive and its effect on gas permeability was investigated. In order to increase the gas separation properties and performance of PLA-based membranes, two different copper-based MOF (CuMOF and CuMOF@GO) nanocrystals were synthesized and PLA/CuMOF and PLA/CuMOF@GO mixed matrix membranes were prepared by adding them to the polymer matrix. The effects of CuMOF structures on gas separation properties and morphology of mixed matrix 
membranes were investigated. PLA/PCL mixture membranes were prepared to examine the gas permeability properties of two different biodegradable polymers. Permeability measurements were made for hydrogen, nitrogen, methane and carbon dioxide gases of all membranes and their permeability parameters were measured and their selectivities were calculated. Gas permeability measurements were carried out at a constant supply pressure of 3 bar and a constant temperature of 35 °C. The effects of the interaction between PLA polymer chains and CuMOF nanocrystals, the added PEG additive and the solvents used in membrane preparation on the gas separation properties of the membranes were investigated. The morphology of the membranes and the characterization of the CuMOF structures were performed by FTIR, XRD, SEM and BET analyses. While H2 permeability of PLA membranes decreased by 63.95% in CuMOF containing membranes, CO2 permeability increased by 199.48%. It was understood that the H2 permeability of the membranes prepared with dichloromethane as a solvent was higher than the membrane prepared with chloroform. It has been determined that PLA and PCL membranes have the potential to be used in H2 and CO2 separation.

Keywords: Membrane gas separation, gas permeability, mixed matrix membranes, PLA, CuMOF