Gaz ayırma işlemleri için silikon modifiye poliimid membranların sentezi ve karakterizasyonu
The synthesis and characterization of siloxane modified polyimid membranes for gas seperation processes
Yazar: HALİL PEKEDİŞ
Danışman: PROF. DR. MEHMET ALİ GÜRKAYNAK
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Kimya endüstrisinde; havadan oksijen ve azot gazı ayrılması, karbonmonoksitten, metandan ya da azottan hidrojen gazının ayrılması gibi gaz ayırım prosesleri, yüksek enerji kullanımı gerektiren işlemlerdir. Bu nedenle mevcut proseslere alternatif daha ekonomik ve işletme kolaylığı sağlayan alternatif sistem ve yöntemlerin geliştirilmesi sanayi de giderek önem kazanmaktadır. Gaz karışımlarının membran prosesi ile ayrılması geleneksel ayırma metotlarına (distilasyon, absorbsiyon, adsorbsiyon) alternatif olarak ortaya çıkmış ve son 25 yıl içinde büyük önem kazanmıştır. Gaz ayırma prosesleri için poliimid membranlar yüksek ısıl kararlılık, kimyasal direnç ve iyi mekanik özellikler göstermeleri nedeniyle büyük ilgi çekmektedir. Poliimidlerin bu üstün özelliklerinin yanı sıra geçirgenlik ve seçiciliğinin daha da iyileştirilmesi amacı ile modifiye poliimid membranların geliştirilmesi üzerine birçok çalışma yapılmaktadır.Bu tez çalışmasının ilk kısımda farklı dianhidritler (BTDA, PMDA ve 6FDA) ile diaminin (ODA) reaksiyonu sonucu poliamik asit çözeltileri hazırlanmış, hazırlanan poliamik asit çözeltileri bir aplikatör yardımıyla cam plaka üzerine 200 µm kalınlığında çekilmiş daha sonra da çekilen bu ince filmlerden ısıl imidleşme metodu kullanılarak ince poliimid membranlar elde edilmiştir. Aynı zamanda iki farklı dianhidrit BTDA ve PMDA kullanılarak kopoliimid yapılarıda elde edilmiştir. Farklı dianhidrit kullanımının membran karakterizasyonunu nasıl değiştirdiği incelenmiştir. İkinci kısımda poliimid ve kopoliimid yapılarına silaka gruplarının eklenmesinin etkisini incelemek amacıyla silika grupları içeren yeni komonomerler sentezlenmiş, daha sonra sentezlenen bu yeni komonomerler ile poliimid-amid yapısına sahip modifiye poliimidlerin sentezi gerçekleştirilmiştir.Hazırlanan ince poliimid membranların FTIR analizi ile yapısal karakterizasyonu, termogravimetrik (TGA) analiz ile ısı ve oksitlenme ile bozunma özellikleri, DMA analizi ile mekanik özellikleri, taramalı elektron mikroskopu (SEM) ile partiküllerin dağılımı, gaz geçirgenlik ölçümü ile N2, O2, ve CO2 gazları için geçirgenlik ve seçicilik değerleri belirlenmiştir.

Abstract:
In the industrial gas separation processes such as the separation of oxygen and nitrogen from the air or the hydrogen separation from carbonmonoxide, methane or nitrogen require relatively high energy consumption. Thus, developments of more economical system alternatives and methods that enable the ease of management have been attracted more importance in this area. Separation of gas mixtures by the membrane processes has emerged as an alternative route to the conventional separation techniques (such as distillation, absorption and adsorption) and gained considerable attention in the last 25 years. Polyimide membranes have drawn much attention for gas separation processes since they provide high performances such as high thermal stability and chemical resistance and superior mechanical properties. In addition to such superior characteristics of polyimides, many studies have been conducted on the development of modified polyimide membranes which exhibit improved permeability and permselectivity performance.In the first part of this study, polyamic acid solutions were prepared with the reaction between various dianhydrates (BTDA, PMDA, 6FDA) and a diamine (ODA) and the polyamic acid solutions were casted onto a glass plate with an applicator (200 µm). Then, the polyimide membranes were prepared by thermal imidization method. Copolyimide structures were also obtained by using of two different dianhydrates, BTDA and PMDA. Effects of different dianhydrates on the characteristic structure of membranes were investigated. In the second part of the study, new comonomers containing silica groups were synthesized for examining the effect of addition of silica groups into the polyimid and copolyimide structures. Afterwards, siloxane modified polyimide membranes were synthesized by using of these new comonomers.The structural properties of these polyimide membranes were characterized with FTIR analysis. Thermal properties, thermo-oxidative behaviors and mechanical properties of the polyimide membranes were analyzed by thermogravimetric (TGA) and dynamic mechanical analysis (DMA), respectively. Sample morphology and particle distribution within the polyimide structure were characterized by a scanning electron microscopy (SEM). Furthermore, permeability and ideal selectivity values of the membranes were determined with the gas permeability measurements, for the N2, O2 and CO2 gases.