Zeolit imidazolat yapılar (ZIF) içeren karışık matris membranların gaz ayırma işlemleri için geliştirilmesi
Development of mixed matrix membranes containing zeolitic imidazolate frameworks (ZIF) for gas separation
Yazar: MEHTAP UĞUR
Danışman: PROF. DR. İSMAİL BOZ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Karışık matrisli membranlar, organik/inorganik dolgu maddeleri ve polimerlerin istenen avantajlarını birleştirdiği için popülerlik kazanmıştır. Karışık matrisli membranlar endüstriyel gaz ayırma uygulamalarında önemli potansiyele sahiptir. Bu çalışmada, karışık matrisli membran hazırlanmasında Matrimid 5218 ve Ultem 1000 polimerleri kullanılmıştır. Zeolitik imidazolat yapı-12, ZIF-12, gözenekli dolgu malzemesi olarak sentezlenmiştir. ZIF-12 kristalleri benzimidazol ve toluenin yapı yönelimde görev aldığı alkol esaslı çözelti metoduyla çeşitli partikül boyutlarında sentezlenmiştir. Sentezlenen ZIF-12 kristalleri, X-ray ışını kırınımı (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM), çok noktalı BET yüzey analizi, fourier transform infrared spektrometresi (FTIR), dinamik ışık saçılımı (DLS) ve termogravimetrik analiz (TGA) ile karakterize edilmiştir. Membran performansı üzerine ZIF-12 dolgu yüklemenin etkisini araştırmak için ağırlıkça çeşitli ZIF-12 içeriğine (%10-15-20-30-40) sahip membranlar hazırlanmıştır. Membranların gaz taşınım özellikleri 35 C ve 4 bar besleme basıncında H2, CO2 ve CH4 tekli gaz geçirim deneyleriyle incelenmiştir. Bunun yanısıra, her iki membran tipinde CO2/CH4 gaz çifti için ikili gaz geçirim deneyleri yürütülmüştür. Gaz geçirgenlik deneylerine ek olarak, karışık matrisli membranların yapı ve ısıl karakterizasyonları SEM, TGA, diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ve FTIR analizleri ile yapılmıştır. Sürekli Matrimid fazı içine ZIF-12 kristallerinin eklenmesiyle yüksek performanslı gaz ayrım membranları elde edilmiştir. Ağırlıkça %20 ZIF-12 içerikli Matrimid membran katkısız Matrimide kıyasla H2/CH4 seçiciliğinde %48, CO2/CH4 seçiciliğinde %62 artış göstermiştir. Sürekli Ultem fazı içine ZIF-12 kristallerinin eklenmesiyle son derece yüksek performanslı gaz ayrım membranları elde edilmiştir. Ağırlıkça %30 ZIF-12 içerikli PEI membran katkısız Ultem'e kıyasla H2 geçirgenliğinde %280, CO2 geçirgenliğinde %120 artış gösterirken, aynı zamanda ideal seçicilikler saf Ultem'e göre oldukça yüksek seçicilik göstermiştir.
Sonuç olarak, Matrimid ve Ultem karışık matrisli membranlar saf hallerine göre seçicilikte ve geçirgenlikte önemli iyileşmeler göstermiştir.

Abstract:
Mixed matrix membranes (MMMs) have gained great popularity hence they combine the desirable properties of the polymers and the organic/inorganic filler materials. Mixed matrix membranes (MMMs) have a big potential in industrial gas separation processes. In this study, two polimers, namely, Matrimid 5218 and Ultem 1000, have been used in the prepration of mixed matrix membranes. A zeolitic-imidazolate framework-12, ZIF-12, was synthesized as porous filler material. ZIF-12 crystals were synthesized with varying particle sizes with alcohol-based solution method where benzimidazole–toluene interactions play a decisive structure-directing role. As-synthesized ZIF-12 was characterized by X-ray diffractometer (XRD), scanning electron microscopy (SEM), multipoint BET surface analysis, fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), dynamic light scattering (DLS) and thermal gravimetric analysis (TGA). In order to investigate the effect of ZIF-12 loading on the membrane performance, different types of membranes were prepared with varying amounts of ZIF-12 between 10-40% (w/w). Gas transport properties of the membranes were investigated by single gas permeation experiments of H2, CO2 and CH4 at 4 bar feed pressure and 35C. Moreover, binary gas permeation experiments of CO2/CH4 gas pair were also carried out at both mixed matrix membranes (MMMs). In addition to gas permeation experiments, the morphology and thermal characteristics of both mixed matrix membranes (MMMs) were characterized by SEM, TGA, differential scanning calorimetry (DSC) and FTIR analysis. The incorporation of ZIF-12 crystals into continuous Matrimid matrix resulted in high performance gas separation membranes for H2/CH4 and CO2/CH4 gas pairs. At 20 wt% ZIF-12 loading showed 48% increase in H2/CH4 selectivity and 62% increase in CO2/CH4 selectivity compared to pure Matrimid. The incorporation of ZIF-12 crystals into continuous Ultem matrix resulted in extremely high performance gas separation membranes for H2/CH4 and CO2/CH4 gas pairs. At 30 wt% ZIF-12 loading showed 280% increase in H2 permeability and 120% increase in CH4 permeability while the ideal selectivities showed extremely increase compared to the pure Ultem.
Final word, both Matrimid and Ultem mixed matrix membranes had important growth in permeability and selectivity over pure Matrimid and Ultem.