H2 ayrımı için ZIF tabanlı MOF membranların hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of ZIF based MOF membranes for H2 separation
Yazar: EMİNE ŞİMAL MİRZA
Danışman: DOÇ. DR. BERNA TOPUZ
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada gaz ayırımı uygulamalarında kullanılacak yüksek akı ve seçicilik değerlerine sahip, ince, metal organik iskelet (MOF) yapılarının alt sınıfı olan zeolitik imidazolat iskelet membranların (ZIF-8) makro-mezo gözenekli destekler üzerinde tekrarlanabilir, kolay ölçeklendirilebilen ve çevreye duyarlı yöntem ile üretimi amaçlanmıştır. MOF yapıları kolay kontrol edilebilen gözenek boyutu/oranı/özellikleri, yüksek yüzey alanı ve esnek iskelet yapıları nedeniyle moleküler elek özelliği gösteren kararlı membranların hazırlanmasını olanaklı kılmaktadır. Ancak hatasız MOF membran üretim koşullarının (çözücü temelli) zorluğu nedeniyle sentezlenen on binlerce MOF yapısı içerisinden çok az sayıda MOF yapısı membran olarak hazırlanabilmektedir. Tez kapsamında ZIF-8 membranların hazırlanmasında atomik katman kaplama (ALD) temelli buhar-faz yöntemi kullanılmış ve yüksek C3H6/C3H8 ve H2/C3H8 seçiciliğine sahip hatasız ZIF-8 membran hazırlama koşulları araştırılmıştır. ALD yöntemi ile γ-Al2O3 katman üzerinde ve mezo-gözenekler içerisinde oluşturulan yoğun çinko oksit (ZnO) kaplamanın seçici geçirgen ZIF-8 membrana dönüşümü belirli süre ve sıcaklıkta organik bağlayıcı (2-metil imidazol) molekülü buhar işlemi ile sağlanmıştır. γ-Al2O3 katman gözenek yapı özelliklerinin hatasız ZIF-8 membran üretimine olan etkisi incelenmiştir. Membran yüzey ve kesit özellikleri SEM, faz ve kristalinite özellikleri XRD analizleri ile karakterize edilmiştir. Hazırlanan γ-Al2O3 membranların, ALD-ZnO kaplama ve ZIF-8 membranların tek gaz (H2, N2, CO2, CH4, C3H6, C3H8) geçirgenlik özellikleri ve ideal seçicilik değerleri, oda sıcaklığında belirlenmiştir. ALD ile 60 çevrim ZnO kaplanarak hazırlanan ZIF-8 membranının H2 ve C3H6 geçirgenlik değerleri sırası ile 3.2x10-7 ve 1.9x10-8 molm-2s-1Pa-1 olup H2/C3H8 ve C3H6/C3H8 ideal seçicilik değerleri sırası ile 1940 ve 111 olarak bulunmuştur.

Abstract:
In this thesis, it is aimed to fabricate thin intergrown zeolitic imidazolate framework membranes (ZIF-8) by using a novel, scalable and environmentally friendly processing of atomic layer deposition (ALD) based metal-oxide coating. MOF structures make it possible to prepare stable membranes with molecular sieve properties due to their easily controlled pore size/ratio/properties, high surface area and flexible structures. However, due to the difficulty of high performance MOF membrane fabrication conditions (solvent-based), very few MOF structures can be prepared succesfully as membranes among the thousands of MOF structures synthesized. Within the scope of the thesis, in the preparation of ZIF-8 membranes, atomic layer deposition (ALD) based vapor-phase method was used and the conditions for the preparation of intergrown ZIF-8 membrane with high C3H6/C3H8 and H2/C3H8 selectivities were investigated. The transformation of the dense zinc oxide (ZnO) coating formed on the γ-alumina layer and in the mesopores to the selective permeable ZIF-8 membrane was achieved by vapor treatment of the organic ligand (2-methyl imidazole) molecule at a certain time and temperature. The effect of γ-alumina layer pore structure properties on ZIF-8 membrane fabrication was investigated. Membrane surface and cross-section properties were characterized by SEM, phase and crystallinity properties by XRD analysis. Single gas (H2, N2, CO2, CH4, C3H6, C3H8) permeances and ideal selectivity values of γ-Al2O3 membranes, ALD-ZnO coating and ZIF-8 membranes were determined at room temperature. ZIF-8 membrane prepared by coating 60 cycles of ZnO coating yielded H2 and C3H6 permeances of 3.2x10-7 and 1.9x10-8 mol.m-2.s-1.Pa-1 respectively and corresponding H2/C3H8 and C3H6/C3H8 ideal selectivities of 1940 and 111, respectively.