Karışık matriksli membran kullanarak gaz karışımından hidrojen ayrımı
Separation of hydrogen from gas mixture using mixed matrix membrane
Yazar: HÜLYA AYKAÇ ÖZEN
Danışman: PROF. DR. BAHTİYAR ÖZTÜRK
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu çalışmada, poliimit membranlara dolgu maddesinin ilavesiyle oluşturulan karışık matriksli membranların, gaz geçirgenliğine ve seçiciliğine olan etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır. İlk aşamada, solvotermal yöntemiyle MOF-5 yapısı sentezlenmiş ve bu yapıya farklı metaller ilave edilerek NiMOF-5, CoMOF-5, CuMOF-5, NiCo-MOF-5, NiCuMOF-5 ve CoCuMOF-5 yapıları oluşturulmuştur. Poliimit membrana değişik oranlarda (0, %5, %10 ve %15) MOF-5 ve metal katkılı MOF-5 yapıları eklenerek MOF-5/PI, NiMOF-5/PI, CoMOF-5/PI, CuMOF-5/PI, NiCoMOF-5/PI, NiCuMOF-5/PI ve CoCuMOF-5/PI karışık matrisli membranlar üretilmiştir. Sentezlenen MOF-5 yapılarının ve oluşturulan karışık matrisli membranların termal kararlılıklarını, kristal yapılarını ve morfolojileri gibi özelliklerini belirlemek üzere Termik analiz (TGA/DTA/DTG), Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR), X-ışını kırınımı (XRD),  Taramalı elektron mikroskobu (SEM) gibi çeşitli karakterizasyon işlemleri uygulanmıştır. İkinci aşamada, karışık matrisli membranların H2, CO2 ve CH4 gazlarının geçirgenliğine ve seçiciliğine olan etkisi incelenmiştir. Poliimide MOF ilave edilmesi saf poliimide göre H2 CO2 ve CH4 gazlarının geçirgenliğini arttırmıştır. MOF'ların gaz geçirgenliğine etkisi karşılaştırıldığında en büyük etkiyi bakır ile hazırlanan MOF'ların yaptığı görülmüştür. Ayrıca, membran polimerik (gözeneksiz) durumdan gözenekli duruma geçtikçe gazların membrandan doğru geçişinde çözünme-difüzlenme işleminden ziyade yüzey difüzyonu daha fazla rol oynamaya başlamıştır. Karışık matriksli membranlarda artan MOF miktarı en fazla CH4'nın geçirgenliğini arttırdığı ve bu nedenle MOF ilavesinin en fazla H2/CH4 seçiciliğini azalttığı açıkça görülmüştür.

Abstract:
In this study, it is aimed to investigate the effect of mixed matrix membranes on permeability and selectivity of gas formed by the addition of filler to polyimide membranes. Firstly, MOF-5 strucutre was synthesized by solvothermal method and metals were added to these structure to obtain NiMOF-5, CoMOF-5, CuMOF-5, NiCoMOF-5, NiCuMOF-5 ve CoCuMOF-5 structures. MOF-5/PI, NiMOF-5/PI, CoMOF-5/PI, CuMOF-5/PI, NiCoMOF-5/PI, NiCuMOF-5/PI ve CoCuMOF-5/PI mixed matrix membranes were manufactured adding MOF crystals with different loadings (0, 5%, 10% and 15%)  to polyimide. To characterize thermal stability, crystal structure and morphology features of MOF-5 and mixed matrix membrane, Thermogravimetric analysis, Fourier Transform Infrared Spectroscopy, X-Ray Diffraction and Scannig Electron Microscopy were used. In second part,  the influence of permeability and selectivity of mixed matrix membrane in H2, CO2 and CH4 gases were investigated. The addition of MOF into polyimide increased the permeability of gases compared to pure polyimide. It can be said that Cu doped MOF-5 have the biggest effect on permeability of gases. Furthermore, surface diffusion plays a more significant role through membrane rather than solution diffusion mechanism. It is evident that, increased amount of MOFs in mixed matrix membrane increase CH4 permeability compared to H2 and CO2 and therefore adding MOF-5 and metal doped MOF-5 into polymer decreases H2/CH4 selectivity.