Development of PBI based membranes for H2/CO2 separation
Tezin Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2013
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: MERVE BAŞDEMİR
Eş Danışman: LEVENT YILMAZ, HALİL KALIPÇILAR
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:En son gelişmeler kimyasal üretim, petrolün damıtılması ve yeni geliştirilen temiz enerji konseptlerinde artan ihtiyaçtan dolayı gelecekte sanayi uygulamalarında hidrojene olan talebin artacağını göstermektedir. Hidrojen başlıca buhar dönüşüm prosesi ve su gaz dönüşüm reaksiyonlarından üretilir. Bu proseslerin ana ürünleri hidrojen ve karbondioksittir. Karbondioksitin oldukça korozif oluşu ve reaktörde bulunan katalizörleri zehirlediği için seçici olarak uzaklaştırılması önemlidir. Hidrojen saflaşlaştırma işlemi için membranlar; adsorpsiyon, kriyojenik distilasyon gibi geleneksel metotlar yerine kullanılabilinir.Karışık matrisli membranlar, devamlı bir polimer matrisi içerisine çözünmeyen bir fazın homojen olarak dağıtılması ile oluşur. Bu membranlar her iki fazın avantajlı özelliklerini birleştirerek gaz ayırımında kullanılabilme potansiyeline sahiptirler. Bu çalışmanın amacı H2/CO2 ayırımı için polibenzimidazol (PBI) ve PBI bazlı karışık matrisli membranları üretmek ve aynı zamanda üretilen bu membranların gaz ayırım performanslarının 35oC ve 90oC aralığında test etmektir.Ticari olarak hem Celanese hem de FumaTech firmalarından temin edilen PBI, polimer matrisi olarak kullanılmıştır. PBI sahip olduğu termal, kimyasal stabilite ve mekanik özellikleri ve yakıt-pili membranı üretiminde kullanıldığında membran olarak gösterdiği performansı baz alınarak seçilmiştir.Sırasıyla 0.30 nm ve 0.38 nm gözenek çapına sahip mikro boyutlu Zeolit 3A ve nano boyutlu SAPO-34 önemli ölçüde dikkat çekmiştir ve bu çalışmada dolgu malzemesi olarak kullanılmıştır. Ticari Zeolite 3A ve grubumuz tarafından sentezlenmiş olan SAPO-34 çalışma boyunca kullanılmıştır. Hazırlanan membranlar taramalı elektron mikroskobu (SEM), farklı taramalı kalorimetre (DSC) ve termal gravimetrik analiz (TGA) ile karakterize edilmiştir. Hazırlanan PBI, PBI/Zeolit 3A ve PBI/SAPO-34 membranları ile gaz geçirgenlik testleri yapılarak tavlama prosedürünün ve çalışma sıcaklığının gaz geçirgenliğine etkisi araştırılmıştır. Hidrojen ve karbon dioksit tek gaz geçirgenlik ölçümleri için kullanılmıştır. Doğrudan tavlama ve fırında tavlama olarak tanımlanan iki farklı tavlama stratejisi uygulanmıştır. Fırında tavlama işlemi fırın içerisinde 120oC, 0,7 atmosferde, doğrudan tavlama işlemi ise gaz geçirgenliğinin test edildiği düzenek içerisinde 90oC ve 3 bar basınçta helyum gazının beslenmesi ile gerçekleştirilmiştir.PBI ve PBI/Zeolit 3A membranları fırında tavlanmıştır. Fırında tavlanan membranlar daha iyi seçicilik fakat daha düşük geçirgenlik göstermişlerdir. Diğer taraftan doğrudan tavlanan membranlar çok daha yüksek geçirgenlik ve düşük seçicilik ile birlikte stabil performans göstermişlerdir. Tavlama metodunun değiştirilmesi ile 35oC'de PBI membranlar için hidrojen geçrigenliği 5.16 Barrer'den 7.77 Barrer'e, PBI/Zeolit 3A membranlar için ise 5.55 Barrer'den 7.69 Barrer yükselmiştir. Seçicilikler ise PBI membranlar için 6.21'den 2.31'e, PBI/Zeolit 3A membranlar için ise 5.55'ten 2.63'e düşmüştür.İşletme sıcaklığının arttırılmasının etkisi doğrudan tavlanmış membranlar kullanılarak incelenmiştir. Sıcaklığın 35oC'den 90oC'ye arttırdığımızda her iki tip membranın da performansı iyileşmiştir. PBI ve PBI/Zeolit 3A membranları yanında PBI/SAPO-34 membranı sadece doğrudan tavlama yöntemi kullanılarak hazırlanmıştır. Nano boyutlu dolgu maddesinin eklenmesi PBI/SAPO-34 membranı için polimer matrisi içerisinde homojen dağılımın olmasını sağlamıştır. Bu membran tipi için hidrojen geçirgenliği artan sıcaklıkla birlikte 8.01 Barrer'den 26.73 Barrer'e çıkmıştır. H2/CO2 seçicilik değeri değişiklik göstermemiştir. Sonuç olarak, hidrojen ve karbondioksit ayrımında yüksek sıcaklıklarda çalışmak daha uygun olacaktır.Bütün membran tipleri için hidrojen en yüksek aktivasyon enerjisi göstermiştir. Tüm membranlar arasında da her iki gaz için en yüksek aktivasyon enerjileri PBI/SAPO-34 membranı için elde edilmiştir, bu da polimer-zeolit ara yüzeyinin iyi etkileşmiş olduğunun bir göstergesidir. Doğrudan tavlanan membranların sonuçların tekrar edilebilirliğini sağlayarak iyi gaz geçirgenlik sonuçlarını vermişlerdir. Çalışma boyunca kullanılan membranlar arasında en iyi gaz geçirgenlik sonuçlarını PBI/SAPO-34 membranları ile elde edilmiştir.