İç içe geçmiş ağ yapılı polimer membranların hazırlanması ve                        gaz ayırma özelliklerinin incelenmesi
Preparation of interpenetrating polymer network membranes and investigation of gas separation properties
Yazar: VOLKAN ORHAN TEKİN
Danışman: PROF. DR. AHMET KAŞGÖZ ; DOÇ. DR. NEVRA ERCAN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
İklim değişikliği 21. yüzyılın başlıca küresel sorunlarından biridir. Dünya'nın ortak sorunu olan iklim değişikliğinin insan faaliyetleri sonucu açığa çıkan sera gazlarından kaynaklandığı           bilinmektedir. Dünya sera gazı emisyonlarının yaklaşık %70'i enerji sektöründen kaynaklanmaktadır. Bu nedenle ilgili taraflar temiz olan gaz yakıtlara veya daha düşük karbonlu yakıtla-ra yönelmektedirler. Ayrıca karbon dioksitin yakalanması, depolanması ve tekrar kullanılması da hem enerji sektöründe hem de akademik araştırmalarda öne çıkan çalışma konusudur.
Bu tez çalışmasında, daha temiz fosil yakıt olarak kabul edilen doğal gazda inert halde bulunan N2'nin ve yakıtların yanması kaynaklı açığa çıkan CO2'nin gaz karışımlarından ayrılması için iç içe geçmiş ağ yapılı (IPN) membranların hazırlanması ve gaz ayırma özelliklerinin incelenmesi amaçlanmıştır.                                              
Bu nedenle birçok gaz için düşük gaz geçirgenlik ve yüksek seçimlilik özelliğine sahip                 termoplastik poliimid  (PI) ve polieterimid (PEI) esaslı yarı-IPN membranlar çözeltiden döküm yöntemi ile hazırlanmış, tüm IPN yapılarda dimetil amino etil metakrilat polimeri              (PDMAEMA) yapıdaki ikinci polimer olarak kullanılmıştır. Tez çalışmasında çapraz bağlayıcı oranı (%1-5) ve IPN yapı içerisindeki ağırlıkça PDMAEMA oranı (%5-50) değişkenlik gösterecek şekilde IPN örnekler hazırlanarak tekli gaz (N2, CO2, CH4) geçirgenlik, seçimlilik, morfolojik (SEM), jel fraksiyon, termal (DMA) ve temas açısı özellikleri incelenmiştir. 
Hazırlanan yarı IPN membranların ölçülen tekli gaz geçirgenlik değerlerine bakıldığında, PI'in PEI'e göre daha yüksek gaz geçirgenlik değerlerine sahip olduğu, hem PI hem de PEI esaslı çapraz bağlayıcı oranı farklı (%1-%5) IPN membranlarda yapıya ağırlıkça sabit elastomerik yapılı PDMAEMA (%10) ilavesi ile geçirgenliklerin arttığı belirlenmiştir. Membranların gaz geçirgenliklerindeki en büyük artış yapıya amin gruplu PDMAEMA'nın ilavesi ile CO2 gazının çözünürlüğünün artışına bağlı olarak CO2 geçirgenliklerinde olduğu tespit edilmiştir. Ölçülen tekli gaz geçirgenlik sonuçlarına göre filmlerin hesaplanan ideal seçimlilik değerlerindeki artı-şın αCO2/CH4 ve α N2/CH4 için PDMAEMA'nın ağırlıkça %5 ve %10 kullanıldığı örneklerde en yüksek değerine ulaştığı belirlenmiştir. 
Hesaplanan gaz geçirgenlik sonuçlarından elde edilen seçimlilik değerlerine göre, en iyi seçim-lilik değerleri N2/CH4 gaz çifti için elde edilmiştir. Ağırlıkça sabit PDMAEMA içeren PI esaslı IPN seride N2/CH4 gaz çifti için en iyi seçimlilik değeri saf poliimide göre  ~%95.9 artış (3,54 barrer) ile PIPDMAEMA10-4 IPN,  sabit çapraz bağlı değişken PDMAEMA içeriğine sahip PI esaslı IPN serisinde ise ~% 92.6 artış ile PIPDMAEMA5-5 IPN membranda tespit edilmiştir. Değişken çapraz bağlı ve değişken PDMAEMA içeriğine sahip PEI esaslı IPN membran serilerinde PEIPDMAEMA10-5 IPN örneğinde CO2/CH4 gaz çifti için seçimlilik değerinin % 46.7 artış, N2/CH4 gaz çifti için ise % 52 artış gösterdiği tespit edilmiştir.
Sonuç olarak, IPN filmler ile elde edilen geçirgenlik ve seçimlilik iyileşmeleri, IPN membranların farklı sektörlerde N2/CH4 ayırımında ve yüksek CO2 geçirgenlik gereken yerlerde kullanılabileceği, böylelikle iklim değişikliği ile mücadelede değerlendirilebileceği düşünülmektedir.

Abstract:
Climate change is one of the main challenge of the 21st century. It is common challenge of the world and mainly resulting from greenhouse gases (GHG) by human activities. Energy sector constitutes nearly % 70 of the global GHG emissions. Therefore, related parties canalize clean gas fuels and low carbon fuels. In addition to that carbon capture, storage and utilization is a remarkable technology among energy sector and academic area.
The main goal of this thesis, investigation of gas separation properties of IPN membranes to separate CO2 from gas mixtures resulting from combustion and also N2 that is inert gas present in the natural gas composition. For that reason in the studies, semi IPN membranes were prepared by solution-casting method with the use of thermoplastic polyimide and polyetherimide polymers that have low permeability and high selectivity for various gases, by incorporating polydimethyl amino ethyl methacrylate (PDMAEMA) as crosslinked polymer. In studies, with the change of crosslinker ratio (%1-5) and PDMAEMA ratio (%5-50) in the network, IPN membranes were prepared and single gas permeations (N2, CO2, CH4), selectivity, morpholog-ical (SEM), gel fraction, thermal (DMA) and contact angle properties were investigated.
Single gas permeation measurement results showed that PI has higher permeability than PEI and for all prepared PI and PEI based IPN membranes permeabilities increased with the addi-tion of elastomeric PDMAEMA into the network. It was determined that the highest permea-bility value increase of IPN membranes was obtained for CO2 gas as a consequence of  high solubility because of amine-group containing PDMAEMA polymer incorporation into the network. 
Ideal selectivity values of IPN membranes were figured out by the measured single gas permeation results. αCO2/CH4 and α N2/CH4 reached highest value at 5% and  10 % wt. PDMAEMA was used in the network. The highest selectivity values were obtained for the N2/CH4 gases. Among PI based IPN membranes with the constant PDMAEMA composition, PIPDMAEMA10-4 membrane showed ~%95.9 increment (3,54 barrer), among PI based IPN membranes with the constant crosslinker ratio and variable PDMAEMA composition, PIPDMAEMA5-5 IPN membrane showed ~%92.9 increment for α N2/CH4 by comparison to polyimide. Among PEI based IPN membranes with variable PDMAEMA composition and crosslinker ratio, PEIPDMAEMA10-5 IPN membranes showed %46.7 increment in selectivity for CO2/CH4 gases and %52 increment for N2/CH4 gases.
As a result, it is considered that by the improvement in permeability and selectivity in IPN membranes, they may be used for N2/CH4 in several industrial separation applications and higher CO2 gas permeation required areas and also help minimize fossil fuels' contribution to climate change.