Metal Organik Kafes Yapılar (MOF) ile Polimer Nanokompozit Membranların Hazırlanması ve Gaz Ayırma Performansının Değerlendirilmesi
Tezin Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, KİMYA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2016
Tezin Dili: Türkçe
Öğrenci: Gökçe Pınar Hekimoğlu
Danışman: Sennur Deniz
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Karışımlardan CO2'in titizlikle ayrılmasında membranların kullanımı; doğalgazın kalitesinin artırılması, çöp gazının geri kazanımı, geliştirilmiş petrol üretimi ve küresel ısınmanın önlenmesi gibi çok çeşitli uygulamalar için ilgi çekicidir. Ancak membran esaslı CO2 ayırma teknolojilerinin kullanımında karşılaşılan en önemli sorunlardan biri, hem yüksek geçirgenliğe hem de yüksek seçiciliğe sahip membran eksikliğidir. Günümüzde araştırmaların çoğu, bazı gazlara hem yüksek seçicilik hem de geçirgenlik gösteren yeni materyallerin araştırılmasına ve yeni membran yapılarının geliştirilmesine yöneliktir. Son zamanlarda, metal organik kafes yapılar (MOF), karışık matriks membranlar (MMM) için dolgu malzemesi olarak kullanılmaktadır ve yapılan çalışmalar pozitif sonuçlar elde edildiğini göstermiştir. Polimer ve MOF yapıları arasındaki iyi etkileşim özellikleri, MOF'ların organik kısmı sayesinde beklenebilmektedir. Ayrıca sadece birkaç zeolit türü, MMM'lerde başarılı bir şekilde uygulanırken, MOF'lar neredeyse sınırsız gözenekli yapılar ve bileşikler sağlayabilmektedir. MOF türlerinin çoğu üstün kimyasal ve ısıl kararlılıklarından dolayı oldukça dikkat çekmektedir. Gaz depolama, kimyasal sensör ve ayırma prosesi gibi çeşitli önemli uygulamalar için umut verici materyallerdir. Şimdiye kadar farklı yapısal ve fonksiyonel özellikli birçok MOF tipi sentezlenmiştir. Zeolitik imidazolat yapıları (ZIF), ayarlanabilir gözenek boyutu ve kimyasal işlevselliği, olağanüstü kimyasal kararlılığı ile birleştiğinde ve inorganik zeolitlere benzer yönde özellik göstermeleri açısından MOF'ların önemli bir alt ailesini oluşturmaktadır. Özellikle birçok ZIF türü ile başarılı bir şekilde membran hazırlanmıştır ve gaz ayırma için gerekli olan moleküler elek etkisini gösterdiği ispatlanmıştır. Bu tez çalışmasında, öncelikle üstün basınç dayanımı ve çok yüksek sıcaklıklarda (500oC ve üzeri) dikkat çekici bir direnç göstermesi nedeniyle polimer matriks olarak polibenzimidazol (PBI) seçilmiştir. PBI polimer matriksine, bu tez çalışmasında sentezlenen ZIF-8 ve hibrit ZIF-8 (HZIF-8) nanokristalleri ağırlıkça % 10-30 aralığında eklenerek PBI/ZIF-8 ve PBI/HZIF-8 nanokompozit membranları elde edilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde ticari olarak temin edilen ve gaz ayırma membranlarında yaygın olarak kullanılan kimyasal ve mekanik özellikleri oldukça iyi olan poliimid (PI, Matrimid® 5218) polimeri kullanılmıştır. Farklı yapılarda sentezlenen MOF-5, NiMOF-5, MOF-199, NiMOF-199, ZIF-8 ve HZIF-8 nanokristalleri poliimid matriksine eklenerek nanokompozit membranlar hazırlanmıştır. PBI ve PI polimerleri ve farklı yapılarda sentezlenen MOF/ZIF türleri ile hazırlanan tüm nanokompozit membranların H2, CH4 ve CO2 gazları için geçirgenlikleri ölçülmüştür ve ideal seçicilikleri (α H2/CH4, α H2/CO2 ve α CO2/CH4) hesaplanmıştır. Membran morfolojileri, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile gözlemlenmiştir. Membranların ısıl özellikleri, termogravimetrik analizler (TGA) ile belirlenmiştir. Sentezlenen MOF ve ZIF nanokristallerinin yüzey alanı, gözenek çapı ve hacmi, N2 sorpsiyon izotermleri ve moleküler yapıları BET analizleri ve FTIR analizleri ile belirlenmiştir. Bu çalışma kapsamında, farklı kristal yapılarında sentezlenen nanokristallerin türünün ve miktarının hazırlanan membranların morfolojileri ve gaz geçirgenlik/seçicilik özelliklerine etkileri araştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Poliimid, Polibenzimidazol, ZIF, MOF, gaz ayırma membranları, karışık matriksli membranlar