LEE- Kimya Mühendisliği Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/19354

Gözat

Yazar "Ahunbay, Mehmet Göktuğ" ile LEE- Kimya Mühendisliği Lisansüstü Programı'a göz atma
  • Öge
    Investigation of plasticization behavior of membrane polymers by a fully atomistic approach
    (Graduate School, 2021-02-01) Balçık, Marcel ; Ahunbay, Mehmet Göktuğ ; 506152004 ; Chemical Engineering ; Kimya Mühendisliği
    The increasing influence of polymeric gas separation membranes in the gas separation industry expedites the pursuit of the polymeric materials to be employed as the membranes. While high permeability and selectivity are anticipated from a commercial membrane material candidate, the plasticization phenomenon should not be disregarded. Several gases, such as CO2, H2S, and condensable hydrocarbons, are known to stimulate increased mobility of polymer segments, subsequently to the gas-induced swelling of the membrane, eventually leading to plasticization. Since the plasticization phenomenon is highly related to the increased free volume of the membrane, sieving capabilities of the membrane are lost with the plasticization, leading to a loss in selectivities. The plasticization phenomenon is dependent on the concentration of the swelling gases and is usually identified with the corresponding pressure of the gas. The plasticization pressures of the membranes are the determining factor in the operating ranges of the membranes. Polyimides (PIs) and Polymers with Intrinsic Microporisities(PIMS) are the polymer classes with the highest potentials to be used as gas separation membrane materials. Polymers belonging to both of the classes have already proven to have excelling gas separation performances. However, their gas separation performances and the effect of gas-induced plasticization remain vastly unstudied. Fundamental understanding of the gas separation performance, plasticization and methods of suppressing plasticization in PIs and PIMs is expected to accelerate the efforts in search of high-performance gas separation materials. In this thesis, molecular simulation tools were employed to understand underlying causes leading to macroscopic behaviors, such as gas permeabilities, swelling, and plasticization, in polymeric membranes. Copolyimides (co-PIs) were studied for their plasticization resistance and method development was performed for modeling gas separation performance and plasticization resistance accurately. Later on, the effect of crosslinking on co-PIs in terms of gas permeabilities and plasticization resistance was investigated in detail, particularly with the help of PAFVCO2+ property, a free volume analysis based on CO2 accessibility, which will be explained in detail in relevant chapters. Mixed Matrix Membranes(MMMs) were studied for their plasticization resistance and segmental dynamics of the polymer phase at the interface. The information obtained from the plasticization studies on PIs were then transferred to PIMs, where PIM-1 was studied for pure and mixed gas separation performance and plasticization resistance. The approach was further extended to triptycene-based PIMs, among which three were novel. One of the most important outcomes of this thesis is the development of atomistic simulation protocols for the accurate estimations of plasticization pressures of PIs and PIMs. While permeabilities could be monitored for plasticization, as in experimental studies, molecular modeling also allows monitoring of free volume elements and correlate to the plasticization pressure. The latter was further extended to analyze the rigidification phenomenon in MMMs and the rigidification effect induced by CO2 was identifed for the first time. Plasticization and mixed gas studies on PIMs have proven that conventional approaches to analyze plasticization in polymers are not adequate, as loss of selectivities in mixed gas conditions were shown to be not only associated with the traditional definition of plasticization. In mixed gas conditions, before upturn of CO2 permeabilities, increased CH4 permeabilities compared to pure gas conditions were observed. Additional effects on the gas permeabilities, such as competitive sorption and increased CH4 diffusivities by CO2-induced swelling, are existent in mixed gas conditions, leading to a more complex concept of plasticization.
  • Öge
    Olefin/paraffin separation in polymer/mof mixed-matrix membranes
    (Graduate School, 2023-12-22) Doğan, Elif Begüm ; Ahunbay, Mehmet Göktuğ ; Maurin, Guillaume ; 506172006 ; Chemical Engineering
    Membranes, due to their low cost, high energy efficiency and ease of processing, have aroused great interest in the field of gas separation. Polymer membranes currently occupy a dominant position in the commercial market, despite the existing tradeoff between permeability and selectivity associated with their use. Over the past decade a novel class of inorganic-organic porous materials, Metal-Organic Frameworks (MOFs), has emerged as a new research domain in solid state materials. These hybrid nanoporous materials formed by the self-assembly of metal ions or clusters, linked together via a variety of bridging ligands, creating stable open structures with sufficiently large pores for industrially-important applications, such as in gas adsorption, storage and separation. Indeed, a number of recent studies have demonstrated that MOFs could be optimal candidates for membrane-based gas separation processes. In addition, owing to the remarkable properties of MOFs, an alternative strategy to overcome the selectivity/permeability trade-off limits of polymer membranes is to make mixed-matrix membranes (MMMs), in which MOF particles are incorporated into polymer matrices. Typically, the alkane/alkene separation is highly topical since it was identified recently as one of the "7 chemical separation to change the world". Propylene (C3H6) is with ethylene (C2H4), the largest feedstock in petrochemical industries with a global production that exceeds 200 million tons per year, with these chemicals mostly used to produce polymer-grade and plastic products, particularly the widely utilized polypropylene. The objective of the PhD will be to predict the separation performances of a series of MMMs for diverse olefin/paraffin separation based on atomistic models constructed for the corresponding MMMs using a combination of force field and quantum calculations. More specifically, we implement an MC/MD simulation scheme to perform simulations of membrane permeation processes. This prediction will pave the way towards the development of the corresponding MMM and their separation testing by collaborators.
  • Öge
    Yüksek CO2 ayırma performansına sahip metal organik kafes katkılı polimerik membranların geliştirilmesi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-05-10) Aktoprak Kılıç, Ayşe ; Ahunbay, Mehmet Göktuğ ; 506122005 ; Kimya Mühendisliği
    Doğalgaz, sentez gazı ve baca gazı gibi endüstriyel önemi olan gaz karışımlarından karbondioksit (CO2) ayrılması kimya endüstrisinin en önemli konularından biridir. Düşük alan gereksinimi, düşük enerji tüketimi, kurulum ve işletme kolaylığı, yüksek proses esnekliği ve çevre dostu prosesler olmaları gibi avantajları nedeniyle membran prosesleri geleneksel gaz ayırma yöntemlerine en iyi alternatif olarak görülmektedir. Karışık matrisli membranlar (MMM), polimerik membranların işlenebilirliği ile inorganik membranların üstün geçirgenlik ve seçicilik özelliklerini birleştirdikleri için gaz ayırma uygulamalarında büyük ilgi çekmektedirler. Bu hibrit membranlar polimer matrisi içerisinde zeolit, karbon moleküler elek (CMS), metal organik kafes (MOF) gibi yapıların dağıtılması ile elde edilmektedir. Son yıllarda, metal organik kafesler (MOF) hem sentezlenmelerindeki kolaylık hem de yapısal çeşitlendirilebilirlikleri nedeniyle karışık matrisli membran yapımında daha yaygın kullanılmaktadır. Ayrıca MOFlar polimer zincirleriyle birleşme eğilimi gösteren organik bağlayıcılara sahip olduklarından, herhangi bir yüzey işlemine veya uyumlaştırıcı ajana ihtiyaç duymadan polimerle tutunabilmektedir. Literatürde birçok MOF çeşidi ile hazırlanan karışık matrisli membranlara ait çalışmalarda MOFların kısmi organik yapısı sayesinde polimerle çok iyi birleşebildiği ve çeşitli gaz çiftlerinin ayırma performansını artırdığı rapor edilmiştir. Bu çalışmada öncelikle baca gazından ve doğalgazdan CO2 ayırmaya yönelik iyi performans sergileyebilecek MOF ve polimerler belirlenmiştir. Bu amaçla literatürdeki teorik ve deneysel çalışmalar incelenmiş, çeşitli avantajları ve potansiyel ayırma performanslarından dolayı üç polimer seçilmiştir (Matrimid®, 6FDA-DAM ve 6FDA/BTDA-pBAPS). Yine daha önce raporlanan çalışma çıktıları incelenerek CO2/CH4 ve CO2/N2 ayırma performansını artırma potansiyeli görülen ZIF-8, sod-ZMOF ve K+ ile iyon değiştirilmiş sod-ZMOF'un (K+sod-ZMOF) seçilen polimerlerde katkı maddesi olarak kullanılması uygun bulunmuştur. Malzemeler belirlendikten sonra sentezleri/tedarikleri sağlanmış ve karakterize edilmişlerdir. Daha sonra belirlenen polimer-MOF çiftleri biraraya getirilerek döküm-evaporasyon yöntemi ile karışık matrisli membranlar hazırlanmıştır. Hazırlanan membranların yapısal ve ısıl karakteristikleri analiz edildikten sonra yatışkın koşullarda sabit hacim-değişken basınç metodu ile tekli ve karışım gaz geçirgenlikleri ölçülmüş ve ayırma performansları değerlendirilmiştir. Ayrıca 6FDA-DAM bazlı membranların farklı sıcaklıklarda inert (azot) ya da oksidatif (hava) ortamında ısıl işlem görmelerinin CO2 ayırma performanslarına etkisi incelenmiştir. Uygulanan ısıl işlem sıcaklıkları membran hazırlamada kullanılan çözücünün kaynama noktası ve polimerin camsı geçiş sıcaklığı (Tg) temel alınarak belirlenmiştir. Matrimid® bazlı sod-ZMOF içeren membranda karışım gaz ile ölçülen gerçek CO2/CH4 seçicilikleri tekli gazlar ile ölçülüp hesaplanan ideal seçiciliğinden yüksek çıkmış, buradan hareketle ayırma performansında MOFların adsorpsiyon seçiciliklerinin rol oynadığı düşünülmüştür. Saf 6FDA-DAM membranlarda Tg'nin üstünde sıcaklıkta azot ortamında yapılan ısıl işlem ağırlıklı olarak polimerin serbest hacminde fiziksel değişime yol açmış, geçirgenlik artışı ile CO2/CH4 ayırma performansını Robeson 2008 üst sınırına yakın bir noktaya taşımıştır. Diğer taraftan hava ortamında yapılan ısıl muamelenin membranlarda oksidasyona neden olduğu, meydana geldiği düşünülen termal çapraz bağlanmanın (crosslinking) da etkisiyle geçirgenlik değerleri önemli ölçüde düşerken seçiciliklerde kuvvetli bir artış elde edildiği görülmüştür. Isıl işlem uygulanan karışık matrisli membranların ayırma performansları ise genel olarak saf polimerik membranların gerisinde kalmıştır. Sadece hava ortamında 315 ºC'de ısıl işlem gören MMMer için aynı koşullarda işlem gören saf polimerik membrana göre daha iyi ayırma performansı rapor edilmiştir. Bu gelişme MOFların polimer yapısı içindeki muhtemel amorflaşmasına ya da oksidasyonu ve ısıl işlemin MOF tanecikleri ile polimer arayüzündeki etkileşimi artırması ile ilişkilendirilmiştir. Sonuçlar, iyi kurgulanan ısıl muamele stratejileri ile membranların gaz ayırma performansının önemli ölçüde geliştirilebileceğini göstermiştir.