SAPO-34 katkılı 6FDA-DAM bazlı karışık matrisli membranlarla doğal gazın saflaştırılması
Natural gas purification with SAPO-34 filled 6FDA-DAM based mixed matrix membranes
Yazar: HAZAL İSHAKOĞLU
Danışman: PROF. DR. BİRGÜL TANTEKİN ERSOLMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği = Petroleum and Natural Gas Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Doğal gaz = Natural gas ; Membran süreci = Membrane process ; Membran teknolojileri = Membrane technologies ; Membranlar = Membranes

Özet:
Poliimidler, yüksek ısıl kararlılıkları, kimyasal dirençleri ve üstün mekanik özellikleriyle membranlarla gaz ayırma alanında son yıllarda oldukça dikkat çekici malzemeler haline gelmiştir. Yüksek seçici geçirgenliğe sahip poliimid membranların hazırlanabilmesi özellikle ticari öneme sahip O2/N2, CO2/CH4, olefin/parafin gibi gaz ayrıma uygulamaları açısından çok önemlidir. Bu nedenle inorganik malzeme katkılı poliimid membranların hazırlanması birçok çalışmanın konusu olmuştur.Bu çalışmada doğalgazın saflaştırılmasına yönelik SAPO-34 katkılı 6FDA-DAM bazlı karışık matrisli membranların hazırlanması hedeflenmiştir. Poliimid olarak seçilen 4,4 (Heksafloroizopropiliden) difitalik dianhidrid/2,4,6-Trimetil-m-fenilendiamin (6FDA-DAM) tek reaktör yöntemine göre sentezlenmiştir. 6FDA-DAM poliimidi ve SAPO?34 zeoliti kullanılarak zeolit katkılı poliimid membranlar hazırlanmıştır. Zeolit-polimer ara yüzünde bağlanmanın sağlanması amacıyla uyumlaştırıcı kullanılmıştır. Uyumlaştırıcı miktarı değiştirilerek membran performansına etkisi araştırılmıştır. Çözücü polimer zincirinde farklı yönelmelere ve membran oluşumu sırasında faz ayrılmasına yol açabilecek farklı fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip olduğundan membran hazırlama aşamasında iki farklı çözücü kullanılmıştır. Ayrıca hazırlanan membranlar farklı sürelerde ve sıcaklıklarda kurutulmuştur. Bu şekilde membran hazırlama aşamasında kullanılan ve kurutma sonrası membran içerisinde kalan çözücünün membran özelliklerine etkisinin açıklanması hedeflenmiştir. Hazırlanan membranların ısıl özellikleri Termogravimetrik Analiz (TGA) ve Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) ile yapı analizleri ise Taramalı elektron Mikroskopisi (SEM) ile karakterize edilmiştir. Hazırlanan membranların CO2/CH4 ayırma özellikleri saf gaz geçirgenlik ölçümleriyle belirlenmiştir. CO2 ve CH4 gaz geçirgenlik katsayıları 35oC'de sabit hacim-değişken basınç yöntemi ile ölçülmüştür.Uyumlaştırıcı ilavesi membranların seçici geçirgenliklerinin artmasını sağlamıştır. Hazırlanan tüm üç bileşenli (zeolit-uyumlaştırıcı-polimer) karışık matrisli membranlarda yüksek seçici geçirgenlikler elde edilmiştir. Bu sonuçlar, karışık matrisli membranlarda zeolit-polimer ara yüzeylerindeki boşluk sorunlarının çözülmesinde ve ayırma özelliklerinin iyileştirilmesinde uyumlaştırıcı kullanımının etkili bir yöntem olabileceğini göstermiştir. Membran içerisinde kalan çözücünün geçirgenlikleri arttırırken seçicilikleri düşürdüğü belirlenmiştir.

Abstract:
Polyimides have recently became remarkable materials in membrane gas separation area due to their high thermal stability, chemical resistance and excellent mechanical properties in last years. Preparation of polyimid membranes with high permselectivity is important for the separation of commercially important gas pairs such as O2/N2, CO2/CH4, and olefin/paraffin. Therefore preparation of polyimide membranes with organic materials filled polyimide membranes has became subject of many research.The aim of this study is development of explanation of SAPO?34 filled 6FDA-DAM based mixed matrix membranes for natural gas purification. 4,4 (Heksafloroizopropiliden) difitalik dianhidrid/2,4,6-Trimetil-m-fenilendiamin (6FDA-DAM) is synthesized by one-pot rule. Zeolite filled polyimide membranes are prepared with SAPO-34 zeolite and 6FDA-DAM. A compatibilizing additive is used in order to provide adhesion between zeolite and polymer. The effect 2,4,6 triamino primidine (TAP) used as compatibilizer on membrane performance is investigated by alteration of compatibilizer amount. Since solvents have various chemical and physical properties which not only induce different interactions with polymer chain, but also result in phase separation during membrane fabrication. Two different types of solvents are used in membrane preparation. Membranes are also evaporated for different periods and at different temperatures. Thus, effects of solvent type and residual solvent on membrane performance is analyzed. The thermal properties of membranes are characterized by Thermogravimetric Analysis (TGA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC). The morphology of membranes are characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM). CO2/CH4 separation properties of the membranes prepared are characterized by single gas permeation measurements. CO2 and CH4 gas permeability coefficients are measured at 35oC.Addition of compatibilizer resulted in increasing the permselectivities. High permselectivities are obtained with all three component (zeolite-compatibilizer-polymer) mixed matrix membranes. These results have shown that addition of compatibilizer is an effective method to provide good contact between the zeolite and polymer and to enhance separation properties of mixed matrix membrane. The residual solvent has increased permeabilities and decreased selectivities of the membranes.