Üç bileşenli karışık matrisli membranlarla CO2 ayırma
Ternary mixed matrix membranes for CO2 separation
Yazar: AHMET HALİL AVCI
Danışman: PROF. DR. ŞERİFE BİRGÜL ERSOLMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Membranlar, doğal gazın saflaştırılmasında geleneksel amin absorpsiyonu teknolojisine rakip, gelişmekte olan, çevreye dost, bakım ve kurulum maliyetleri düşük, denizaşırı platformlarda kullanılabilecek kadar az alan kaplayan önemli bir alternatiftir.
Geliştirilen herhangi bir membran malzemesinin ticari olarak kullanılabilmesi için öncelikle yüksek seçicilik ve yüksek akı göstermesi beklenir. Polimer membranlar kolay işlenebilir olmalarına rağmen seçicilik ve akıları arasındaki alış verişten dolayı yüksek ayırma performanslarına ulaşamazlar. Zeolitler ise ticari olarak kullanılmasına uygun ayırma performansına sahip olmalarına rağmen geniş yüzey alanlarında kusurlar içermeden üretilebilmelerinde zorluklar bulunmaktadır. Bu yüzden bu iki malzemenin iyi özelliklerini bir araya getirebilecek kompozit membranlar üretmek önem kazanmıştır.
Bu çalışmada bir poliimid türü olan 6FDA-DAM yüksek akı özelliği de göz önüne alınarak seçilmiştir. Zeolit olarak ise CO2/CH4 gaz çifti için moleküler elek olabilecek, aynı zamanda CO2 adsorbsiyon özellikleri ile polimerin ayırma performansını arttırabilecek SAPO-34 seçilmiştir. Ancak pek çok kompozit malzemede olduğu gibi bu iki malzeme arasında da ara yüzey problemleri olması beklenmektedir. Bu problemi gidermek için, sahip olduğu fonksiyonel gruplar sayesinde 6FDA-DAM ve SAPO-34 ile hidrojen bağları kurabilecek yapıda olduğundan bu çalışmada düşük molekül ağırlıklı katkı olarak 2,4,6-triaminopirimidin kullanılmıştır. Çalışmalar esnasında iki farklı çözücü (NMP ve DMF) denenmiştir. Ayrıca membranlar yaklaşık 90,000 g/mol molekül ağırlığındaki poliimidlerle hazırlanmıştır.
Polimer/uyumlaştırıcı ve zeolit/uyumlaştırıcı arasında kurulan hidrojen bağları FTIR ve DSC yardımıyla kanıtlanmıştır. Membranların tek gaz ve karışım gaz ölçümleri bir sabit hacim-değişken basınç gaz geçirgenlik cihazında 35oC?de ve 4 bar basınçta ölçülmüştür. Polimer/uyumlaştırıcı membranlarda uyumlaştırıcı miktarı arttıkça seçiciliklerin arttığı geçirgenliklerin azaldığı gözlenmiştir. Bunun yanında molekül ağırlığının uyumlaştırıcının antiplastizasyon özelliğini etkilediği gözlenmiştir.

Abstract:
Membranes which are attractive to take place of conventional amine adsorption methods for natural gas purification, offer ease of operation, low energy consumption, low capital cost, cost effectiveness are attractive to take place of conventional methods. 
A membrane must have high selectivity and flux to become a commercially attractive. Because of ease of operation, polymers are preferred as membrane materials. But there is a trade-off relationship between selectivity and flux for polymers. On the other hand zeolites have decent separation properties but it is hard to produce large zeolitic membrane without any defects. To overcome these disadvantages, the idea of making composite materials comes up. However these composite membranes have some interfacial defects. In this study to remove this defects low molecular (LMWA) weight additives mixed into composite.
In this study 6FDA-DAM was chosen due to high flux and SAPO-34 was chosen due to molecular sieve properties for CH4/CO2 separation. Also 2,4,6-triamino pyrimidine was chosen as LMWA due to capacity of making hydrogen bond with other components functional groups. As solvent, DMF and NMP were used to prepare membranes. In addition that polyimide?s molecular weight was 90000 g/mol.
To indicate that hydrogen bonds between LMWA-polymer and LMWA-zeolite, FTIR and DSC were used. In this study all membranes? permeability measurements were performed with a constant volume-variable pressure permeation device which is conditioned at 35 o C and 4 bars. With increasing LMWA polymer samples resulted with decreasing in single gas permeability and increasing in ideal selectivity for CO2/CH4 gas pair. It is also concluded that antiplasticizing gets harder with increasing polymer molecular weight.