Katkılı matris polimerik membran ve gaz transfer özelliklerinin incelenmesi

Abstract

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.