Zeolit RHO katkılı matrimid® 5218 membranlarla gaz ayırımı

Abstract

Doğalgaz, diğer fosil yakıtlar ile karşılaştırıldığında yüksek yanma verimine sahip olmasından dolayı temiz enerji kaynaklarından biri olarak kabul edilmektedir. Ancak doğalgaz, ham olarak elde edilirken içerisinde bulunan karbondioksit, azot, hidrojen sülfür gibi safsızlıklar yanma verimini düşürmektedir. Özellikle karbondioksit gazı, boru hattlarında korozyona sebep olmaktadır. Bu safsızlıkların giderilmesi için kullanılan konvansiyonel sistemler yüksek enerjiye ihtiyaç duyar ve doğaya zarar verebilecek solventler ile yürütülürler. Sıkça kullanılan ticari metotların aksine membran teknolojisi az enerji gerektirmesi, esnek olması ve kolay ölçeklendirilebilmesi sebebiyle son yıllarda araştırmacıların ilgisini çekmektedir. Literatüre bakıldığında çok çeşitli inorganik membran-polimer kombinasyonun, pek çok araştırmanın konusu olduğu görülmektedir. Özellikle karışık matrisli membranlar aracılığıyla, zeolit gibi yüksek seçiciliğe ve ısısal dayanıklılığa sahip inorganik maddeler, bir polimer fazına katılarak istenilen modüllerde membran üretilebilmekte ve yüksek seçici geçirgenliğine sahip olabilmektedirler. Bu çalışmada içerdiği Si/Al oranından dolayı nispeten hidrofobik özellik gösteren RHO zeolit kristalleri, literatürde belirtilen organik yapı yönlendiricisi kullanılmadan, 8 günlük sentez süresinin aksine 2 günlük sentez süresi içinde, zeolit/polimer kompozit membran üretmek amacıyla, membranhazırlama yöntemini iyi yönde etkileyebilmesi için mümkün olan en küçük partikül boyutunda sentezlenmiştir. Polimerik fazolarak, yüksek camsı geçiş sıcaklığına sahip ve CO2/CH4 gaz çifti için ayırma performansı yüksek olanMatrimid® 5218 polimeri seçilmiştir. Ara yüzey faz uyuşmazlığının ve yapışma sorununun azaltılması amacıyla, membran sentezi sırasında yüzey modifikasyon tekniklerinden biri olan iyonik sıvı kullanılmıştır Çözücü olarak ise, çözücünün özellikle katkılı membranlar içerisinde hızlı difüzyonu sonucu ortaya çıkacak stresi engelleyebilmek amacıyla kaynama noktası diğer çözücülerden nispeten yüksek (153°C) olan dimetilformamid'in kullanılması tercih edilmiştir. Deneylerde üretilen membranların ayırma performansı performansı incelenmiştir. Elde edilen RHO zeolit yapısının belirlenmesi ve fazlarının tespitinin doğruluğu için XRD, lazer ışık saçınımı ölçüm yöntemi ile partikül boyutu analizi için Malvern Mastersizer, içerdiği fonksiyonel grupların ve molekül bağlarının analizi için FTIR-ATR analizi, ısıl kararlılığının ve içerdiği safsızlıkların tespiti için TGA analizi, zeolit partiküllerinin morfolojik yapıları ise FEGSEM ile karakterize edilmiştir ve sonuçlar literatürdeki değerler ile karşılaştırılmıştır. Zeolitlerin iyon değiştirme kapasitesine sahip olduğu ve Si/Al oranına bağlı olarak adsorpsiyon özelliklerinin geliştirilebilir olduğu bilinmektedir. Zeolit RHO'nun katyon değişiminin adsorpsiyon kapasitesine etkisini de görebilmek amacıyla, Li+, Na+, K+ ve Sr+2 katyonlarınca zengin iyon değişmiş formları çözelti içinde karıştırma yöntemiyle elde edilmiştir. Katyon değişimi yapılan RHO formlarındaki iyon değişiminin gerçekleştiğini görebilmek amacıyla SEM-EDX analizi yapılmıştır. Ayrıca RHO ve katyon değişimli RHO kristal yapılı parçacıkların izoterm ve BET yüzey alanları adsorpsiyon ve desorpsiyon verilerinden elde edilmiş, RHO'ya ait BET yüzey alanı ve gözenek hacminin literatür ile uyumlu olduğu görülmüştür. Daha sonra elde edilen RHO zeolit, Matrimid® 5218 poliimid matrisine ağırlıkça %0, 10, 15 ve 20 oranlarında yükleme yapılarak karışık matrisli membranlar elde edilmiştir. Elde edilen membranlar karakteristik piklerindeki değişimlerin tespiti amacıyla FTIR-ATR analizi yapılmıştır. Matrimid® 5218/RHO karışık matrisli membranlarda hem Matrimid poliimidine hem de RHO zeolite ait karakteristik piklerin varlığı gözlemlenmiş ve ağırlıkça RHO dolgusunun artmasıyla doğru orantılı olarak, ona ait karakteristik pikin şiddetinde artış gözlemlenmiştir. Matrimid® 5218/RHO karışık matrisli membranların ve saf matrimid membranın yüzey ve kesit morfolojileri SEM analizi ile incelenmiştir. SEM görüntülerinde zeolit/polimer arayüzey uyuşmazlığını engelleyebilmek amacıyla ilave edilen iyonik sıvı varlığının plastikleşme etkisi görülmekte olup, ağırlıkça %10 ve %20'lik Matrimid® 5218/RHO karışık matrisli membranlarda iyonik sıvı ile polimer/zeolit yapışmasının başarıyla sağlandığı görülmüştür. Elde edilen membranların ısıl kararlılığı ve gözenekleri arasında kalan çözücü miktarının tespiti için TGA analizi gerçekleştirilmiştir. Matrimid® 5218/RHO karışık matrisli membranlarda yaklaşık 400℃'ye kadar ciddi bir kütle kaybının görülmemesi, elde edilen membranların iyi bir ısıl kararlılığa sahip olduğunu göstermektedir. Membranların viskoelastik özelliklerinin ve camsı geçiş sıcaklığının tespiti için DMA analizi gerçekleştirilmiş olup, ağırlıkça RHO zeolit yüzdesinin artışı ile camsı geçiş sıcaklığının düştüğü gözlenmiştir. RHO/Matrimid® 5218 membranlar CO2/CH4 gazlarının ayrımı için test edilmiş ve sonuçlar listelenmiştir.