Polycarbonate based zeolite 4A filled mixed matrix membranes: Preparation, characterization and gas separation performances
Polikarbonat-zeolit 4A karışık matrisli membranların hazırlanması, karakterizasyonu ve gaz ayırım performansı
- Tez No: 177438
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HALİL KALIPÇILAR, PROF. DR. LEVENT YILMAZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2008
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yüksek gaz ayırım performans özelliklerine sahip membranlara olan gereksinim, araştırmaları yeni membran morfolojilerinin ve membran malzemelerinin geliştirilmesi yönünde yoğunlaştırmıştır. Bu kapsamda, polimerik membranların seçici-geçirgen özelliklerini değiştirmek amacıyla, polimere zeolit dolgu maddesinin katılması, polimerin düşük molekül ağırlıklı katkı maddeleri (LMWA) ile karıştırılması yaygın uygulanan yöntemler olmuştur. Bu çalışmada, polimerik membranların gaz ayırım performansını arttırmak için bu iki yöntem birlikte uygulanmıştır. Polikarbonat (PC) polimer zincir yapısı bir tür LMWA olan p-nitroanilin (pNA) katılmasıyla, PC membran morfolojisi de dolgu maddesi olan zeolit 4A taneciklerinin katılmasıyla değiştirilmiştir. Bu amaçla, yoğun homojen yapılı saf PC ve PC/pNA membranları ile karışık matrisli PC/zeolit 4A ve PC/pNA/zeolit 4A membranları çözücü-buharlaştırma yöntemiyle, diklorometan çözücüsüyle hazırlanmıştır.Membran döküm çözeltilerinde pNA derişimi % (ağırlıkça) 1-5, zeolit 4A derişimi % (ağırlıkça) 5-30 arasında değiştirilmiştir. Membranlar tarama elektron mikroskobu (SEM), fark taramalı kalorimetre (DSC) ve H2, CO2, O2, N2 ve CH4 gazlarının tek gaz geçirgenlik ölçümleri ile karakterize edilmiştir. Ayrıca membranların CO2/CH4, CO2/N2 ve H2/CH4 gaz karışımlarını ayırma performansları farklı besleme gaz kompozisyonları için test edilmiştir.Membranların DSC analizleri PC/pNA membranların camsı geçiş sıcaklığının, Tg, zeolit 4A ilavesiyle arttığını, saf PC membrana zeolit 4A ilavesinin ise Tg' da bir değişime neden olmadığını göstermiştir. Bu gözlem, pNA ilavesiyle PC matrisi ve zeolit 4A kristalleri arasında bir etkileşimin varlığını göstermiştir.Membranların ideal seçicilikleri PC, PC/zeolit 4A, PC/pNA/zeolit 4A sırasıyla artarken, saf PC membrana kıyasla geçirgenlikleri azalmıştır. Ağırlıkça % 1-2 pNA ve % 20 zeolit 4A içeren karışık matrisli membranların ideal seçiciliklerinde önemli düzeyde artış gözlenmiştir. PC/pNA (1%)/zeolite 4A (20%) membranının H2/CH4 ve CO2/CH4 seçicilikleri sırasıyla 121.3 ve 51.8 olup, saf PC membranın seçicilik değerlerine kıyasla üç kat artış sağlanmıştır.Membranların ikili gaz ayırım performansları, yoğun homojen yapılı saf PC ve PC/pNA membranları için farklı besleme gaz kompozisyonlarının membranların ayırım performansını etkilemediğini ve ideal performans değerleriyle aynı düzeyde olduğunu göstermiştir. Buna karşılık, PC/zeolite 4A ve PC/pNA/zeolite 4A karışık matrisli gaz ayırım membranlarında performansın gaz kompozisyonuna bağlı olarak değiştiği ve ikili gaz ayırım performans değerlerinin ideal performans değerlerinden düşük olduğu gözlenmiştir. Karışık matrisli membranların performansının gaz kompozisyonuna bağlılığı, membran morfolojisinde gerçekleştirilen değişimin gaz-membran etkileşimini değiştirmesi şeklinde yorumlanmıştır. PC/zeolit 4A (20%) ve PC/pNA (2%)/zeolit 4A (20%) membranlarının CO2/CH4 ideal seçicilikleri sırasıyla 31.9 ve 48.5 iken, 50 % CO2 içeren CO2/CH4 besleme karışımını ayırma seçicilikleri 23.2 ve 22.2' ye düşmüştür.Sonuç olarak, PC membran morfolojisinin ve zincir yapısının zeolit 4A ve çok küçük derişimlerde pNA katılmasıyla değiştirilmesi PC membranın gaz ayırım performansını arttırmıştır. Ayrıca, geliştirilen membranların endüstriyel öneme sahip gazların ayrımında kullanımlarının, besleme gaz kompozisyonunun etkisi dikkate alındığında yararları olacağı anlaşılmıştır.
Özet (Çeviri)
Developing new membrane morphologies and modifying the existing membrane materials are required to obtain membranes with improved gas separation performances. The incorporation of zeolites and low molecular-weight additives (LMWA) into polymers are investigated as alternatives to modify the permselective properties of polymer membranes. In this study, these two alternatives were applied together to improve the separation performance of a polymeric membrane. The polycarbonate (PC) chain characteristics was altered by incorporating p-nitroaniline (pNA) as a LMWA and the PC membrane morphology was modified by introducing zeolite 4A particles as fillers. For this purpose, pure PC and PC/pNA dense homogenous membranes, and PC/zeolite 4A and PC/pNA/zeolite 4A mixed matrix membranes (MMM) were prepared by solvent-evaporation method using dichloromethane as the solvent. The pNA and zeolite 4A concentrations in the casting solutions were changed between 1-5% (w/w) and 5-30% (w/w), respectively. Membranes were characterized by SEM, DSC, and single gas permeability measurements of N2, H2, O2, CH4 and CO2. They were also tested for their binary gas separation performances with CO2/CH4, CO2/N2 and H2/CH4 mixtures at different feed gas compositions.DSC analysis of the membranes showed that, incorporation of zeolite 4A particles into PC/pNA increased the glass transition temperatures, Tg, but incorporation of them to pure PC had no effect on the Tg, suggesting that pNA was a necessary agent for interaction between zeolite 4A and PC matrix.The ideal selectivities increased in the order of pure PC, PC/zeolite 4A MMMs and PC/pNA/zeolite 4A MMMs despite a loss in the permeabilities with respect to pure PC. A significant improvement was achieved in selectivities when the PC/pNA/zeolite 4A MMMs were prepared with pNA concentrations of 1 % and 2 % (w/w) and with a zeolite loading of 20 % (w/w). The H2/CH4 and CO2/CH4 selectivities of PC/pNA (1%)/zeolite 4A (20%) membrane were 121.3 and 51.8, respectively, which were three times higher than those of pure PC membrane.Binary gas separation performance of the membranes showed that separation selectivities of pure PC and PC/pNA homogenous membranes were nearly the same as the ideal selectivities regardless of the feed gas composition. On the other hand, for PC/zeolite 4A and PC/pNA/zeolite 4A MMMs, the separation selectivities were always lower than the respective ideal selectivities for all binary gas mixtures, and demonstrated a strong feed composition dependency indicating the importance of gas-membrane matrix interactions in MMMs. For CO2/CH4 binary gas mixture, when the CO2 concentration in the feed increased to 50 %, the selectivities decreased from 31.9 to 23.2 and 48.5 to 22.2 for PC/zeolite 4A (20%) and PC/pNA (2%)/zeolite 4A (20%) MMMs, respectively.In conclusion, high performance PC based MMMs were prepared by blending PC with small amounts of pNA and introducing zeolite 4A particles. The prepared membranes showed promising results to separate industrially important gas mixtures depending on the feed gas compositions.
Benzer Tezler
- Effect of preparation parameters on performance of dense homogeneous polycarbonate and polypyrrole-polycarbonate mixed matrix membranes
Hazırlama parametrelerinin yoğun homojen polikarbonat ve polipirol-polikarbonat karışık yapılı membranlarının performansı üzerindeki etkisi
PELİN HACARLIOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2001
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT YILMAZ
PROF. DR. LEVENT KAMİL TOPPARE
- Yüksek doğrusallıkta rek tabakalı glukoz enzim elektrod hazırlanması ve gıda endüstrisinde uygulanması
Single layer glucose enzyme electrode with extended linearity in food industry
BURÇAK ALP
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Gıda MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET MUTLU
- Havayla ısıtılan güneşli evlerde analitik ve deneysel bir inceleme
Başlık çevirisi yok
DOĞAN DEMİRAL
Doktora
Türkçe
1996
Makine MühendisliğiErciyes ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. NECDET ALTUNTOP
- Effect of preparation parameters on performance of conductive composite gas separation membranes
Hazırlama parametrelerinin iletken kompozit gaz ayırım membranlarının performansı üzerindeki etkisi
DERYA GÜLŞEN
Yüksek Lisans
İngilizce
1999
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT YILMAZ
- Sıvı gıdalarda alkol tayini için yüksek hassasiyette amperometrik enzim elektrot gelişmesi
Improvement of high sensitive enzyme electrode for determination of alcohol level in beverages
DİLEK ÇÖKELİLER
Yüksek Lisans
Türkçe
2000
Gıda MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET MUTLU