Zeolit Katkılı Polimerik Gaz Ayırma Membranlarında Taşınım Mekanizmalarının İncelenmesi

Abstract

Ticari önemi olan bir çok uygulama için mevcut polimerik gaz ayırma membranların yetersiz kalması nedeniyle, çözünme-difüzyon tipi polimerik membranlara şekil ve boyut seçici zeolitlerinin katılması ile hazırlanan zeolit katkılı membranlar son yıllarda büyük ilgi çekmektedirler. Bu tezin amacı özellikleri belirli zeolitlerin polimer matrisine katılmasının çözünme-difüzyon tipi polimerik membranlarda seçici adsorpsiyon ve difüzyon hızına etkilerini araştırmak, zeolit katkılı polimerik membranlarda gazların taşınım mekanizmaları hakkında bilgi edinmek ve bu bilgiler doğrultusunda yüksek ayırma performansına sahip membran malzemesi hazırlayabilmektir. Bu amaçla deneylerde katkı malzemesi olarak gözenek boyutları, gözenek geometrileri, Si/Al oranları ve hidrofilik özellikleri farklı zeolitler, polimer faz olarak polidimetilsiloksan kauçuksu polimeri ile polivinilasetat camsı polimeri kullanılmıştır. Hazırlanan membranların taşınım özellikleri yatışkın hal saf gaz geçirgenlik ölçümleri ile gerçekleştirilmiştir. Zeolit katkılı PDMS membranların geçirgenlik karakterizasyonları yanısıra zeolit taneciklerinin polimer matrisi içindeki dağılımı ve polimer/zeolit arayüzeyinin durumunun incelenmesi için Taramalı Elektron Mikroskop (SEM) ve Atomik Güç Mikroskop (AFM), termal özelliklerinin belirlenmesi için Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC), gözenek dağılımı belirlenmesi için azot adsorpsiyonu (BET) analizleri ile karakterize edilmiştir. Uygun polimer/zeolit çiftinin seçimi, zeolit tanecik büyüklüğünün etkisi, zeolitlerin moleküler elek özelliklerine karşın kinetik ve adsorpsiyon seçiciliklerinin önemi, ve zeolit/polimer arayüzeyinin taşınım özelliklerinin ve morfolojisinin önemi incelenmiştir. Sonuçlar hedeflenen bir uygulama için başarılı bir zeolit katkılı membran tasarımında en önemli unsurun zeolit ve polimer arasında yeralan arayüzeyin tasarımı olduğunu ortaya koymuştur.

Due to the limitations on current polymeric gas separation membranes for many commercially attractive applications, mixed-matrix composite (MMC) membranes, prepared by incorporating size and shape selective zeolites into solution-diffusion type polymeric membranes, has been a focus of attention in recent years. The goal of this work is to investigate the effect of specific zeolite fillings on the selective adsorption and diffusion rates of the polymeric solution-diffusion type gas separation membranes, to get an understanding of the transport mechanism and to develop membrane materials with high separation performance for a desired application through this knowledge. For this purpose, synthetic zeolites with different pore openings and geometries, Si/Al ratio and hence surface polarity and hydrophilicity were chosen as fillers and polydimethylsiloxane, a rubbery polymer, and poly(vinyl acetate), a glassy polymer were chosen as polymeric phases. The separation properties of MMC membranes prepared were characterized by steady-state gas permeability measurements. MMC membranes were also morphologically characterized using scanning electron microscopy (SEM) and phase imaging by Tapping ModeTM Atomic Force Microscopy analyses, pore size distrubution (BET) analyses by N2 adsorption and thermal analyses by Differantial Scanning Calorimetry (DSC). Proper selection of the polymer/zeolite pair, the effect of zeolite particle size, the importance of molecular sieving versus kinetic and sorption selectivities of the zeolite filler, and the transport properties and the morphology of the zeolite/polymer interphase are addressed. The results indicate that the key issue in the design of succesful MMC gas separation membranes for target applications is the design of the interfacial region between the zeolite and the polymer.