Polimer/zeolit Kompozit Membranlarla Gaz Ayırma

Abstract

Bu çalışmada, Ultem®1000 polimer matrisi içine, sanayi açısından önemli olan O2/N2 ve CO2/CH4 gaz çiftleri için seçiciliğini arttırmak amacıyla zeolit 4A ve SAPO-34 katılarak karışık matrisli membranlar (MMM) hazırlanmıştır. Zeolit ve polimerin yapışmasını sağlamak ve seçiciliği olmayan boşlukların oluşumunu engellemek için, “ilkleme” adı verilen bir işlem uygulanmıştır. “İlkleme” işlemi, zeolit parçacıklarının membranı oluşturacak polimere eklenmesinden önce, yüzeyine ince bir polimer tabakası adsorbe edilmesini öngörmektedir. Zeolit parçacık boyutunun MMM başarımı üzerindeki etkisini incelemek için, mikron ve nano-boyutlu zeolitler kullanılmıştır. Membran tavlama sıcaklığının ve membranda kalan çözücünün membran özelliklerine etkisini gözlemek amacıyla SAPO-34/Ultem MMMlar farklı sıcaklıklarda tavlanmıştır. Aynı sıcaklıkta tavlanmış 4A/Ultem membranlara göre, SAPO-34/Ultem membranlar iki gaz çifti için de daha düşük geçirgenlik ve daha yüksek seçicilik göstermişlerdir. Çözücünün kaynama noktasında tavlanan SAPO-34/Ultem membranlarda geçirgenlik düşüşü ve seçicilik artışı gözlenmiştir. Tg üstünde tavlanmış membranlarda ise CH4 dışındaki gazların geçirgenliklerinde bir miktar artış ile beraber seçiciliklerde büyük artış gözlenmiştir. Bu sonuç, polimer matrisi plastize eden çözücünün miktarının kritik bir değerin altına inmesi ile polimeri anti-plastize etmeye başlamasına bağlanmıştır.

In this study, mixed matrix membranes (MMM) were prepared by incorporating zeolite 4A and SAPO-34 into Ultem®1000 matrix, in order to obtain gas separation membranes with increased selectivities for two pairs important for the industry: O2/N2 and CO2/CH4. In order to promote adhesion and prevent formation of non-selective voids between the zeolites and the polymer, a “priming” protocol was employed, which involves adsorbing a thin layer of polymer on zeolite surface, and incorporating “primed” zeolites into the bulk polymer afterwards. Micron and nano-sized zeolites were used to verify the effect of zeolite particle size on the performance of MMMs. SAPO-34/Ultem MMMs were anneaed at different temperatures to assess the effect of annealing temperature and presence of residual solvent on the properties of MMMs. Compared to 4A/Ultem MMMs annealed at the same temperature, SAPO-34/Ultem MMMs showed lower permeabilities and higher selectivities for both gas pairs. Annealing SAPO-34/Ultem MMMs at the boiling point of solvent yielded lower permeabilities and higher selectivities, whereas above-Tg annealing showed slightly increased permeabilities except for CH4 and very significantly increased selectivities, which was attributed to the plasticisation effect of solvent on the membrane being reversed below a critical residual solvent amount.