Pervaporasyon yöntemiyle çözücü geri kazanımına yönelik ZSM-5 katkılı polidimetilsiloksan membran geliştirilmesi
Development of ZSM-5 additive polydimethylsiloxane membrane for solvent recovery by pervaporation method
Yazar: KÜBRA TEKİN
Danışman: DOÇ. DR. YAVUZ SALT
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Etanol, bütanol ve izopropil alkol birçok endüstriyel uygulamada yaygın olarak kullanılan alkoller arasındadır. Bu çözücülerin üretim veya uygulamalar sırasında kullanımında, sulu ikili veya çoklu karışımlar oluşabilmektedir. Bu sulu karışımların ekonomik ve verimli bir şekilde ayrılması gerekmektedir. Pervaporasyon, organik-organik veya organik-su gibi sıvı karışımların ayrılmasında kullanılabilecek enerji etkin bir membran ayırma prosesidir. Kauçuk benzeri bir polimer olan polidimetilsiloksan (PDMS), esnek bir zincir yapısına ve hidrofobik bir özelliğe sahiptir ve organik çözücülere karşı yüksek seçicilik gösterir. Ancak, PDMS'nin termal ve mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi gerekmektedir. Zeolitler, hidratlı alüminasilikatlardır ve moleküler elek özelliklerine sahip olmaları nedeniyle, polimer matrisine katıldığında polimer membranın ayırma performansını iyileştirebilir. Bu çalışmada, membran malzemesi olarak polidimetilsiloksan kullanılmış ve yapısal özelliklerini iyileştirmek için polimer matrisine ZSM-5 katılmıştır. Çözelti döküm tekniği ile PDMS ve %5, %10 ve %15 ağırlık oranında ZSM-5 içeren PDMS/ZSM-5 membranları hazırlanmıştır. Pervaporasyon prosesinde membran boyunca taşınım mekanizması, sorpsiyon, difüzyon ve desorpsiyon adımlarından oluşan çözünme-difüzyon modeline dayandığından, hazırlanan membranların sorpsiyon davranışının belirlenmesi, membranın ayırma performansının açıklanmasında önemlidir. Bu nedenle, hazırlanan membranların saf etanol, bütanol, izopropil alkol, su ve izopropil alkol-bütanol-etanol karışımı (İBE) içindeki sorpsiyon davranışları 30°C, 40°C ve 50°C sıcaklıklarda incelenmiştir. Sonuç olarak, PDMS bazlı membranların organik maddeleri, suyu ve karışımı şu azalan sırada sorbe ettiği sonucuna varılmıştır: organikler>sulu İBE karışımı>su.  Elde edilen membranlar, FTIR, FESEM, TGA ve temas açısı analizleri ile karakterize edilmiştir.

Abstract:
Ethanol, butanol and isopropyl alcohol are widely used in many industrial applications. During the production of these solvents or applications, aqueous binary or multiple mixtures are formed. These aqueous mixtures need to be separated economically and efficiently. Pervaporation is an energy efficient membrane separation process that can be used to separate liquid mixtures such as organic-organic or organic-water. Polydimethylsiloxane (PDMS), a rubbery polymer, has a flexible chain structure and hydrophobic property, and shows high selectivity toward organic solvents. However, the thermal and mechanical properties of PDMS need to be improved. Zeolites are hydrated aluminasilicates and zeolites, which have molecular sieving properties, can improve the separation performance of the polymer membrane when incorporated into the polymer matrix. In this study, polydimethylsiloxane was used as the membrane material, and ZSM-5 was incorporated into the polymer matrix to improve its structural properties. PDMS and PDMS/ZSM-5 membranes containing 5, 10 and 15 wt.% ZSM-5 were prepared by solution casting technique. Since the transport mechanism across the membrane in the pervaporation process is based on the dissolution-diffusion model consisting of sorption, diffusion and desorption steps, the determination of the sorption behavior of the prepared membranes is important to explain the separation performance of the membrane. Therefore, the sorption behaviour of the prepared membranes in pure ethanol, butanol, isopropyl alcohol, water, and aqueous mixture of isopropyl alcohol-ethanol-butanol was investigated at 30°C and 40°C temperatures. As a result, the PDMS-based membranes sorbed the organics, water, and the mixture in the following descending order: organics>aqueous mixture>water. The membranes prepared were characterised by FTIR, TGA, contact angle, and FESEM.