Metal organik kafes yapılar ile polimer nanokompozit membranların hazırlanması ve co2 ayırma özellikleri
Preparation of polymer nanocomposite membranes with metal organic frameworks and co2 separation properties
Yazar: NAGEHAN ŞAŞ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SENNUR DENİZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Gaz geçirgenliği = Gas permeability ; Membranlar = Membranes ; Polieter = Polyether ; Seçicilik = Selectivity

Özet:
Membran gaz ayırma sistemleri düşük enerji tüketimi, düşük maliyet, kolay kurulum gibi avantajlarından dolayı son yıllarda oldukça ilgi görmeye başlamıştır. Mevcut gaz ayırma membranlarının diğer ayırma teknolojileriyle rekabet edebilmesi için seçicilik ve geçirgenlik değerleri açısından iyileştirilmesi gerekmektedir. Gaz ayırma performansını iyileştirmek için polimerik matrise inorganik partiküllerin eklenmesiyle oluşan karışık matrisli membranlar geliştirilmiştir. Karışık matrisli polimerik membranlarda dolgu maddesi olarak metal organik kafes yapıların (MOF) kullanımı çoğu polimerik membrana göre daha iyi performans gösterebildiğinden, CO2 ayırma için umut verici bir seçenektir. Poli(eter-b-amid) (PEBA) kopolimerleri CO2 ayırma için mükemmel taşınım parametreleri gösterir. PEBA polimer matrisine dolgu maddesi olarak CuMOF eklenmesinin, CO2 geçirgenliğini ve CO2/N2 ideal seçiciliğini artırdığı bilinmektedir.
Bu çalışmada, PEBA polimer matrisine katkı maddesi olarak polietilen glikol (PEG) ile bakır esaslı metal organik çerçeve (CuMOF) nanokristalleri eklenmiştir ve karışık matrisli PEBA/PEG/CuMOF membranlar hazırlanmıştır. Poli (fenil sülfon) (PPSU) ile asimetrik bir destek tabaka hazırlanmıştır ve PEBA/PEG/CuMOF membranlarının destek tabakaya spin kaplama yöntemi ile kaplanmasıyla PPSU/PEBA/PEG/CuMOF ince film kompozit membranlar hazırlanmıştır. PPSU destek tabakası, faz dönüşüm yöntemiyle üretilmiştir. CuMOF nanokristalleri, solvo-termal yöntemle iki farklı prosedürde sentezlenmiştir ve seçici bir tabaka üretmek için PEBA polimer matrisine ağırlıkça %10, 20 ve 30 oranında eklenmiştir. Tüm membranların gaz geçirgenlik ölçümleri, azot, metan ve karbondioksit gazları ile 35ᵒC ve 3 bar besleme basıncında gerçekleştirilmiştir. İki farklı prosedür ile hazırlanan CuMOF yapıların, karışık matrisli membranlar ve ince film kompozit membranların gaz geçirgenlikleri ve morfolojisi üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Membranların ve CuMOF yapıların karakterizasyonu SEM, FTIR, XRD ve BET analizleri ile yapılmıştır. PEBA/PEG/CuMOF karışık matrisli membranlar, saf PEBA membrana göre daha yüksek CO2 geçirgenliği göstermiştir. PEBA/CuMOF membranların gaz geçirgenlik ölçüm sonuçları saf PEBA membranın gaz geçirgenlik ölçüm sonuçları ile karşılaştırıldığında CuMOF1 nanokristalleri membranların CO2 geçirgenliğini %25,64, CO2/N2 seçiciliğini %47,35 oranında azaltırken, CuMOF2 nanokristalleri CO2 geçirgenliğini %31,28, CO2/N2 seçiciliğini %37,98 oranında arttırmıştır.
Anahtar kelimeler: PEBA, CuMOF, karışık matrisli membran, gaz geçirgenlik, seçicilik

Abstract:
Membrane gas separation systems have started to attract a attention in recent years due to their advantages such as low energy consumption, low cost and easy installation. Existing gas separation membranes need to be improved in terms of selectivity and permeability in order to compete with other separation technologies. To improve the gas separation performance, mixed matrix membranes formed by adding inorganic particles to the polymeric matrix have been developed. The use of metal-organic frameworks (MOFs) as fillers in mixed matrix polymeric membranes is a promising option for CO2 separation, as it can outperform most polymeric membranes. Poly(ether-b-amide) (PEBA) copolymers show excellent transport parameters for CO2 separation. It is known that the addition of CuMOF as a filler to the PEBA polymer matrix increases the CO2 permeability and the CO2/N2 ideal selectivity.
In this study, polyethylene glycol (PEG) and copper-based metal organic framework (CuMOF) nanocrystals were added as additives to the PEBA polymer matrix and mixed matrix PEBA/PEG/CuMOF membranes were prepared. An asymmetric support layer was prepared with poly (phenyl sulfone) (PPSU) and PPSU/PEBA/PEG/CuMOF thin film composite membranes were prepared by coating the PEBA/PEG/CuMOF membranes to the backing layer by spin coating method. The PPSU support layer was produced by the phase inversion method. CuMOF nanocrystals were synthesized by the solvo-thermal method in two different procedures and added at 10, 20 and 30 wt% to the PEBA polymer matrix to produce a selective layer. Gas permeability measurements of all membranes were carried out with nitrogen, methane and carbon dioxide gases at 35 ᵒC and 3 bar feed pressure. The effects of CuMOF structures prepared by two different procedures on the gas permeability and morphology of mixed matrix membranes and thin film composite membranes were investigated. The characterization of the membranes and CuMOF structures was investigated by SEM, FTIR, XRD and BET analyses. PEBA/PEG/CuMOF mixed matrix membranes showed higher CO2 permeability than pure PEBA membrane. When the gas permeability measurement results of PEBA/CuMOF membranes are compared with the gas permeability measurement results of the pure PEBA membrane, CuMOF1 nanocrystals reduce the CO2 permeability of the membranes by 25.64%, the CO2/N2 selectivity by 47.35%, while the CuMOF2 nanocrystals reduce the CO2 permeability by 31.28%, CO2/N2 increased its selectivity by 37.98%.
Keywords: PEBA, CuMOF, mixed matrix membrane, gas permeability, selectivity