Katkılı matris polimerik membran ve gaz transfer özelliklerinin incelenmesi
Preparation of mixed matrix polymeric membranes and investigation of their gas transport properties
Yazar: SEVİM OKŞAK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. SENNUR DENİZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Son yıllarda membran teknolojisinin gelişimi ve kullanım alanının artması ile birlikte, üstün özelliklere sahip membran malzemelerinin üretimine ilişkin çalışmalar önem kazanmıştır. Membran materyalinin uygulama alanları ters osmoz, filtrasyon, diyaliz, pervaporasyon ve gaz ayırmadır. Son on yılda, gaz ayırma işlemlerinde polimerik membranların ekonomik, rahat ve etkili şekilde kullanımı büyük ölçüde artmaktadır. Havadan azot ve oksijen zenginleştirme, azot, karbon monoksit ve metan karışımlarından hidrojenin alınması, doğal gazdan karbon dioksitin uzaklaştırılması ve havadan uçucu organik bileşenlerin uzaklaştırılması için polimer membranların ticari kullanımları yaygın şekilde rapor edilmektedir. Bu uygulamalarda polimerik membranlar, yüksek akılar ve çok iyi seçicilikleri ile güvenle kullanılmaktadır.
Membran yapımında kullanmak üzere materyaller seçilirken geçirgenlik ve seçicilik özelliklerinin yüksek, mekanik, ısıl ve kimyasal dayanımının istenen düzeyde olması ve seçilen materyalin işlenebilme özelliğine sahip olması gerekmektedir. Materyalin seçiciliği en önemli ölçüt olurken başarılı ve ticari olarak kullanılabilir olması da diğer bir önemli ölçüttür. Membran araştırmalarında seçilen materyaller için bu kriterlerin sağlanması amaçlanmaktadır. Bu nedenle, üstün özelliklere sahip polimerik malzemelerin üretimine ilişkin çalışmalar önem kazanmaktadır. Yüksek seçicilik ve geçirgenlik elde etmenin bir diğer yolu da polimer matrisine silika gibi nano boyutlu katkı maddeleri eklemek ya da polietilen glikol (PEG) gibi ikinci bir polimeri ana polimer matrisine ekleyerek karışım membran matrisi oluşturmaktır. Son yıllarda buna benzer çalışmalar yapılarak membran malzemelerinin ayırma özelliklerinin geliştirilmesi üzerinde durulmaktadır.
Bu tez çalışmasında, yüksek seçicilik ve geçirgenliğe sahip gaz ayırma membranları hazırlanmış ve gaz ayırma performansları incelenmiştir. İlk olarak farklı kalınlıklardaki ticari olarak temin edilen Poli(etereter keton) (PEEK) Aptiv® filmlerinin H2, CH4, N2, O2 ve CO2 gazları için seçicilikleri ve geçirgenlikleri incelenmiştir. PEEK polimerinin sülfonasyonu yapılarak sülfolanmış PEEK (S-PEEK) membranları hazırlanmıştır. S-PEEK polimerine poli(fenilsülfon) (PPSf) eklenerek S-PEEK/PPSf, poli(eterimid) (PEI) eklenerek S-PEEK/PEI ve PPSf/PEI membranları hazırlanmıştır. PPSf/PEI membranların H2, CH4 ve CO2 gaz geçirgenlikleri ölçülmüştür ve H2/CH4, CO2/CH4 seçicilikleri belirlenmiştir. Bunun yanında, PPSf/PEI membranlarının gaz ayırma özelliklerini geliştirmek amacıyla hidrofobik yüzey fonksiyonalitesi bulunan silika nanopartikülleri eklenerek PPSf/PEI/silika nanokompozit membranları hazırlanmıştır. PPSf/PEI/silika nanokompozit membranların gaz ayırma özellikleri ve morfolojik yapısı saf PPSf, PEI ve PPSf/PEI membranları ile karşılaştırılmıştır. Silika katkısının membranların gaz ayırma özelliklerine etkisi incelenmiştir. 
PPSf/PEI membranların ve silika nanopartikülleri katılarak hazırlanan nanokompozit PPSf/PEI/Silika membranların morfolojileri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenmiştir.
Anahtar Kelimeler: Poli(eter eter ketone) (PEEK), Poli(fenil sülfon) (PPSf), Poli(eter imid) (PEI), gaz ayırma membranları, katkılı matris polimerik membranlar

Abstract:
In recent years, with developing of membrane technology and increasing of usage area, researches about producing materials that have excellent properties gain important. The usage area of membrane material is filtration, reverse osmosis, dialyze, pervaporation and gas separation. Recent ten years, effective, economic and comfortable application of polymeric membranes is increased widely. Enrichment nitrogen and oxygen from air, separation of hydrogen from nitrogen, carbon monoxide and methane mixer, removing carbon dioxide from natural gas and removing volatile compounds from air are wide applications for commercial applications of polymer membranes. In these applications, polymer membranes are used with high fluxes and excellent selectvities confidently.

Permeability and selectivitiy properties of materials must be high, their mechanical, thermal and chemical resistance must be at desired level and chosen material must be processable when selecting materials for membrane making. Although, selectivity of material is the most important criteria, commercially availability is another important criteria. In membrane researches, providing these criterias is aimed for chosen materials. For this reason, studies about production of polimeric materials that have superior properties have been gaining importance. Another way to obtain high selectivity and permeability properties is adding nano dimensional additives like silica or forming mixed membrane matrix by adding second polimer to main polimer matrix like Polyethyleneglycol (PEG). In the recent years, similar studies have focused on developing separation properties of membrane materials.
In this study, gas separation membranes that have high selectivity and permeability were prepared and their gas separation performances were investigated. Initially, selectivity and permeability properties of poly ether ether ketone (PEEK) Aptiv films were investigated for H2, CH4, N2, O2 ve CO2 pure gases. Sulfonated PEEK membranes (S-PEEK) were prepared by sulfonating PEEK polymer. S-PEEK/PPSf, S-PEEK/PEI and PPSf/PEI membranes were prepared. Gas transport and morphology properties of PPSf/PEI membranes were investigated. Besides, silica nanoparticles were added to poly(etherimide) (PEI) and poly(phenylsulfone) (PPSf) polymer matrix for developing gas separation properties. Gas separation and morphology properties of prepared PEI/PPSf/Silica composite membranes were compared with pure PEI, pure PPSf and PPSf/PEI membranes. Effects of silica on membrane gas separation properties were investigated.
Morphologies of PPSf/PEI membranes and PPSf/PEI/Silica nanocomposite membranes that were prepared by adding silica nanoparticles were investigated by Scanning Electron Microscope (SEM).
Keywords: Poly (ether ether ketone) (PEEK), Poly (phenyl sulfone) (PPSf), Poly (ether imide) (PEI), gas separation membranes, mixed-matrix polimeric membranes