Nanotabaka bazlı Mfı membranların hazıranması ve karakterizasyonu
Preperation and characterization of nanosheet based Mfı membranes
Yazar: ALİ SEMİH YURTTAŞ
Danışman: DOÇ. DR. BERNA TOPUZ
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Yüksek sıcaklıkta ve su buharı ortamında kararlı, yüksek kararlılık, seçicilik ve akı özelliklerine sahip yeni membran malzemeleri tasarlamak ve enerji uygulamalarına yönelik, membran tasarım süreçlerinin verimini arttırmak uluslararası birçok çalışmada hedeflenen konulardan biridir. Bu özelliklerde membranların geliştirilmesi kimyasal süreçlerde ki yüksek enerji tüketimine neden olan ayırma ve saflaştırma işlemlerinde büyük oranda enerji tasarrufu sağlayacaktır. Bu tez çalışmasında kusursuz ve yönelimli çok ince Membran üretimi (50-100 nm kalınlığında zeolit ince membran üretimi) amaçlanmış olup, membran akısı arttırılırken kompleks olan zeolit membran üretimi basitleştirilmesi hedeflenmiştir. 50-150 nm kalınlığında MFI filmlerin gözenekli destekler üzerinde hazırlanabilmesi, 3 nm kalınlığında (b-yönünde 1,5 birim hücre kalınlıkta) ve yaklaşık 200 nm boy uzunluğuna sahip MFI nanotabakalarının ince zeolit membran üretimi için oldukça uygun malzemeler olduğunu göstermiştir. Esnek yapıları membrana dayanıklılık kazandırırken yüksek boy-kalınlık oranları gözenekli destekler üzerini yönelimli olarak etkin şekilde kaplamalarını sağlamıştır. Kaplanan nanotabaka kristaller arasındaki boşluklar iki farklı yöntem ile kapatılmıştır; ikincil büyüme (hidrotermal büyüme), organosilika sollar ile kaplama. Her iki yöntemle elde edilen membran yüzeyleri SEM ile incelenmiş ve membran yüzeyinin sürekliliğinin sağlandığı görülmüştür. Elde edilen membranların geçirgenlik değerleri gaz geçirgenlik sisteminde He, H2, N2, CO2, CH4, C3H6, C3H8 gazları ile incelenmiştir. Organosilika sollar ile hazırlanan karışık matris membranın H2/C3H8 ideal seçicilik değeri 150 °C'de 500 olarak bulunmuştur. Aynı membran %5 etanol-isopropanol/%95 su karışımı kullanılarak test edilmiş ve membranda alkol geçirgenliği elde edilmemiştir. %5 su-%95 etanol koşullarında test edildiğinde de süzüntü kısmında etanol geçişi olmamıştır.

Abstract:
Designing new membrane materials with  high permeability and selectivity values, stable in high temperature and water vapor environment and increasing the efficiency of membrane design processes for energy applications is one of the targets of energy related studies. The development of stable, selective and flux membranes will greatly reduce the energy consumption used in separation and purification processes in chemical processes. In this thesis, it is aimed to fabricate smooth and oriented very thin membrane (50-100 nm thick zeolite thin membrane production) and to simplify the production of complex zeolite membrane while increasing the membrane flux. The ability to prepare MFI films of 50-150 nm thickness on porous supports showed that 3 nm thick and about 250 nm MFI nanosheets are very suitable materials for the fabrication of thin zeolite membranes. While the flexible structures provide membrane durability, the high aspect-to-thickness ratios ensure the effective coverage of porous supports. The interparticle vaoids between the nanosheets were closed by two different methods; secondary growth (hydrothermal growth), and coating with organosilica sols. Membrane surfaces obtained by both methods were examined by SEM and it was observed that the continous üniforma membrane layer was formed. Single-gas (He, H2, N2, CO2, CH4, C3H6, C3H8) permeances were measured in order to determime the membrane performance. The highest ideal selectivity value of H2/C3H8 mixed matrix 2-structural membrane prepared with organosilica sols was found to be 500 at 150 °C.