Co2 Ayırma Amaçlı Sod-zmof/matrimid Karışık Matrisli Membranlar

Abstract

Bu çalışmada, sodalit topolojisine sahip zeolit benzeri metal-organik kafes (sod-ZMOF) sentezlenerek, CO2/CH4 ayırmaya yönelik olarak karışık matrisli membran (KMM) yapımında kullanılmıştır. Ayrıca sentezlenen sod-ZMOF’a Na+ katyonları ile iyon değişimi yapılarak, iyon değişiminin malzemeye ve membrandaki gaz ayırma performansına etkisi incelenmiştir. Polimer matrisi olarak ticari Matrimid® 5218 kullanılmıştır. Sentezlenen sod-ZMOF’un yapısal ve ısıl karakterizasyonu tamamlandıktan sonra polimer içerisine dağınık faz olarak katılarak KMM hazırlanmıştır. Hazırlanan membranlar taramalı elektron mikroskobu (SEM), X-ışını toz difraktometre (XRD), termogravimetrik analiz (TGA) ve diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ile karakterize edildikten sonra; CO2/CH4 ayırma performansları sabit hacim-değişken basınç yöntemi ile saf gaz geçirgenlikleri ölçülerek incelenmiştir. Karışık matrisli membranlara ait SEM görüntüleri sod-ZMOF taneciklerinin Matrimid matrisi içerisinde homojen bir şekilde dağıldığını ve MOF/polimer arayüzey morfolojisinde kusurların olmadığını göstermiştir. Saf gaz geçirgenlik ölçümleri sonucunda da, polimer matrisi içerisine katılan MOF miktarı arttıkça CH4 ve CO2 geçirgenlikleri artarken seçicilikte önemli bir azalma olmadığı görülmüştür. Böylece, geçirgenlik sonuçları da sod-ZMOF taneciklerinin Matrimid matrisi içinde seçici olmayan boşluklar oluşmadan iyi bir şekilde dağılabildiğini kanıtlamış ve sod-ZMOFun polimer membranların CO2/CH4 ayırma performansını artırabileceğini göstermiştir.

In the present study, sod-ZMOF crystals (zeolite-like metal organic framework having a sodalite topology) were synthesized with the aim of polymer/MOF mixed matrix membrane (MMM) development for CO2/CH4 separation. As-synthesized sod-ZMOF samples were also ion-exchanged with Na+ cations to examine the effect of ion-exchange on the material characteristics and gas separation properties of the MMMs. Following characterization of the crystals, they were incorporated into Matrimid® polyimide matrix to form dense MMMs by solvent-casting method. After the prepared membranes were characterized by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffractometer (XRD), thermogravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimeter (DSC), their CO2/CH4 separation performances were determined by measuring pure gas permeabilities with constant volume-variable pressure method. SEM images of the MMMs showed that ZMOF particles were dispersed homogenously in the polymer matrix and there were no apparent voids or defects at the filler/polymer interface. According to the pure gas permeability measurements of the membranes, CH4 and CO2 permeabilities increased as the amount of incorporated MOF increased, while there was no significant change in the ideal selectivities. Thus, the permeability results also proved that the sod-ZMOF particles could disperse well in the Matrimid matrix without forming nonselective voids and they could increase the CO2/CH4 separation performance of the polymer membranes.