Metal organik yapılar ile kompozit membranlarının hazırlanması ve gaz ayırma performansının incelenmesi
Production and investigation of gas separation performance of composites membranes with metal organic framework
Yazar: ÇİLER KOÇYİĞİT
Danışman: PROF. DR. AHMET KAŞGÖZ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Polimerik ve inorganik malzemelerin avantajlarını birleştiren karışık matrisli membranlar önemli araştırma alanlarından biridir ve son yıllarda bu tür malzemelerin üretimi ve uygulamaları büyük önem kazanmıştır. Bu tez çalışmasında, polimer matris olarak siklo-olefin kopolimer (COC), gözenekli dolgu olarak farklı yapılarda metal organik kafesler (Metal Organic Framework; MOF) (ZIF-8 ve HKUST-1) kullanılmıştır. Farklı dolgu oranında COC/MOF kompozit membranlar çözeltiden döküm ve eriyik harmanlama yöntemleri ile hazırlanmıştır. Bu çalışmada hazırlanan membranların mikroyapı özellikleri ve bazı ısıl ve fiziksel özellikleri taramalı elektron mikroskobu (SEM), termogravimetrik analiz (TGA) ve dinamik mekanik analiz (DMA) metotları ile karakterize edilmiştir. Membraların N2, CO2, O2, H2 ve CH4 gazlarının tekli gaz geçirgenlik değerleri oda sıcaklığında (25±2 ˚C,%50 RH) ölçülmüştür.
Dolgu miktarının seçimli geçirgenliğe olan etkisi incelendiğinde, bileşimdeki dolgu miktarının artmasıyla örneklerin gaz geçirgenlik değerlerinin arttığı, O2/N2, CO2/CH4, H2/CH4, H2/N2 ve H2/CO2 gaz çiftleri için ise ideal seçicilik değerlerinin düştüğü görülmüştür. Ayrıca çözeltiden döküm yöntemi ile hazırlanan COC/ZIF-8 kompozit membranlarda gaz geçirgenlik değerlerinin eriyik hazırlama yöntemi ile hazırlanan membranlardan daha yüksek olduğu, ancak seçiciliklerinin genel olarak daha düşük olduğu tespit edilmiştir. HKUST-1, ZIF-8'den daha büyük gözenek çapına sahip olmasına rağmen COC/HKUST-1 kompozit membranların gaz geçirgenlik değerlerinin aynı miktarda dolgu içeren ZIF-8 membranlardan daha düşük olduğu belirlenmiştir. Farklı yöntemler ile hazırlanan COC/HKUST-1 membranların gaz ayrım performanslarında belirgin bir fark olmadığı gözlenmiştir. Diğer yandan genel olarak eriyik harmanlama ile hazırlanan membranların gaz geçirgenlik değerlerinin çözeltiden döküm yöntemi ile hazırlanan membranlardan daha yüksek, seçicililiklerinin ise daha düşük olduğu söylenebilir.
Ayrıca, COC ve MOF fazları arasındaki arayüzey etkileşiminin arttırılması amacıyla uyumlaştırıcı olarak poli(isobütilen-alt-maleik anhidrit) (PIBMA)'nın kullanılmasının, hem gaz geçirgenlik hem de seçicilik değerlerini düşürdüğü belirlenmiştir.

Abstract:
Mixed matrix membranes which combine the advantages of polymeric and inorganic materials are one of the important research areas and have attracted great attention for the production and applications of such materials in recent years. In this thesis study cyclo olefin copolymer (COC) was used as a polymer matrix, different types metal organic frameworks (MOF) (ZIF-8 and HKUST-1) were used as a porous fillers. At varied filler ratio COC/MOF composite membranes were prepared by solution casting and melt processing methods. The microstructural features and same thermal and physical properties of membranes prepared in this work were characterized by scanning electron microscope (SEM), thermogravimetric analyzer (TGA) and dynamic mechanical analyzer (DMA) methods. Single gas permeability values of the membranes were measured at room temperature (25±2 ˚C, %50 RH) by using the pure N2, CO2, O2, H2 and CH4 gases.
It was found that the gas permeability values of samples increased with the increasing amount of filler into the composition whereas the ideal selectivity values for the O2/N2, CO2/CH4, H2/CH4, H2/N2 and H2/CO2 gas pairs were reduced by investigating the effect of filler amount on the permselectivity. It was also found that the gas permeability values of COC/ZIF-8 composite membranes prepared by solution casting method were higher than those of the membrane prepared by melt processing method, although the selectivity values were generally lower. Although the HKUST-1 possesses larger pore diameter than the ZIF-8, gas permeation values of COC/HKUST-1 composite membranes were lower than the ZIF-8 membranes containing the same amount of filler. It was observed that there was no significant differences between the gas separation performances of COC/HKUST-1 membranes prepared by different methods. But, in general, it can be concluded that the gas permeability values of the membranes prepared with the melt processing method were higher than those of the membranes prepared with the solution casting method but their selectivity values were lower than the solution casted counter parts.
It was also obtained that the using poly(isobutylene-alt-maleic anhydride) as a compatibilizing to enhance interfacial interactions between COC and MOF phases reduced the both permeability and selectivity values of membrane.