Metal organik kafes yapılar ve grafen oksit ile karışık matris membranların hazırlanması ve gaz ayırma özellikleri
Preparation and gas separation properties of mixed matrix membranes with metal organic frameworks and graphen oxide
Yazar: SEVGİ ÇANÇA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SENNUR DENİZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Küresel iklim değişikliğinin giderek daha fazla hissedilmesi ve uluslararası gündemin ön sıralarına yerleşmesi, yeni enerji kaynakları ve teknolojileri arayışlarına yol açmıştır. Hidrojen (H2) birçok avantajı ile geleceğin enerji taşıyıcısı olarak görülürken membran gaz ayırma teknolojileri, düşük enerji tüketimi, yüksek enerji verimliliği, düşük sermaye maliyeti ve ölçeklenebilirliği nedeniyle dikkatleri üzerine çekmiştir. Ancak mevcut çalışmalar, membran gaz ayırma proseslerinin diğer ayırma teknolojileriyle rekabet edebilmesi için yeni membranların geliştirilmesi ve ayırma performanslarının iyileştirilmesi gerektiğini göstermiştir. Alternatif bir yaklaşım olan karışık matris membranlar (KMM'ler), hem inorganik hem de polimer membranların avantajlarını birleştirmektedir. Farklı organik bağlayıcılar ve metal iyonlarının kombinasyonları ile sentezlenen çeşitli metal organik kafes yapıların (MOF) seçilen bir polimer matrise dağıtılmasıyla hazırlanabilen KMM'ler, gaz ayırma için umut verici uygulamaları olarak görülmektedir.Bu tez çalışmasında, H2 ayırma işlemleri için uygun KMM'ler hazırlamak amacıyla poli(eter-b-amid) (PEBA) ve poliimid (PI, Matrimid® 5218) polimerleri ile çalışılmıştır. Çözelti-döküm yöntemiyle hazırlanan membranlara nano dolgu malzemeleri olarak grafen oksit (GO) ile termal olarak indirgenmiş grafen oksit (rGO) ağırlıkça %0-0,3 ve sentezi gerçekleştirilen bakır esaslı (CuMOF) nano kristalleri, CuMOF@GO ve CuMOF@rGO hibrit nano kristalleri ağırlıkça %0-15 olarak saf polimer matrislerine ilave edilmiştir. Membranların gaz geçirgenlikleri; hidrojen (H2), azot (N2), karbondioksit (CO2) ve metan (CH4) saf gazları için 35 °C'de ve 3 bar besleme basıncında ölçülmüştür ve seçicilikleri hesaplanmıştır. Nano dolguların, karışık matrisli membranların gaz geçirgenlikleri ve morfolojilerine etkileri araştırılmıştır. Karakterizasyonu için SEM, FTIR, XRD ve BET analizleri ile yapılmıştır. Hazırlanan KMM'ler saf polimer matrisleri ile kıyaslandığında; PEBA/GO-0.3, H2/N2 ve CO2/N2seçiciliklerini %63 ve H2/CH4 ve CO2/CH4 seçiciliklerini %43 arttırken PI/rGO-0.3 CO2/CH4 gaz seçiciliğini %84 arttırmıştır. PI/CuMOF-10 H2/CH4 ideal seçiciliği %72 ve CO2/CH4 ideal seçiciliği %83 artmıştıri PEBA/CuMOF@rGO-15 ise H2 geçirgenliğini %19 arttırırken, H2/CH4 gaz seçiciliği %60 artmıştır. GO esaslı nano dolgu maddeleri H2 gaz ayrımı için umut verici bir potansiyel göstermiştir. 

Anahtar kelimeler: Karışık matris membran, PEBA, PI, Grafen oksit, CuMOF

Abstract:
The fact that global climate change is increasingly being felt and is at the forefront of the international agenda has led to the search for new energy sources and technologies. While hydrogen (H2) is seen as the energy carrier of the future with its many advantages, membrane gas separation technologies have attracted attention due to their low energy consumption, high energy efficiency, low capital cost and scalability. However, existing studies have shown that in order for membrane gas separation processes to compete with other separation technologies, new membranes must be developed and their separation performances must be improved. Mixed matrix membranes (MMMs), an alternative approach, combine the advantages of both inorganic and polymer membranes. KMMs, which can be prepared by dispersing various metal organic lattice structures (MOFs) synthesised with different combinations of organic binders and metal ions into a selected polymer matrix, are seen as promising applications for gas separation.
In this thesis, poly(ether-b-amide) (PEBA) and polyimide (PI, Matrimid® 5218) polymers were studied to prepare suitable MMMs for H2 separation processes. Graphene oxide (GO) and thermally reduced graphene oxide (rGO) were added to the pure polymer matrices as 0-0.3 wt% and synthesised copper-based (CuMOF) nanocrystals, CuMOF@GO and CuMOF@rGO hybrid nanocrystals were added to the membranes prepared by solution-casting method as 0-15 wt%. The gas permeabilities of the membranes were measured for hydrogen (H2), nitrogen (N2), carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) pure gases at 35 °C and 3 bar feed pressure and their selectivities were calculated. The effects of nanofillers on gas permeability and morphology of mixed matrix membranes were investigated. SEM, FTIR, XRD and BET analyses were performed for characterisation. Compared to pure polymer matrices, PEBA/GO-0.3 increased H2/N2 and CO2/N2 selectivities by 63% and H2/CH4 and CO2/CH4 selectivities by 43%, while PI/rGO-0.3 increased CO2/CH4 gas selectivity by 84%. PI/CuMOF-10% increased H2/CH4 ideal selectivity by 72% and CO2/CH4 ideal selectivity by 83%, while PEBA/CuMOF@rGO-15 increased H2 permeability by 19% and H2/CH4 gas selectivity by 60%. GO-based nanofillers showed a promising potential for H2 gas separation.

Keywords: Mixed matrix membrane, PEBA, PI, Graphene oxide, CuMOF