10158953 incorporation into ZIF-8: Gas storage and separation performance

Abstract

Gaz depolama ve gaz ayrımı, enerji probleminin üstesinden gelebilme konusunda önemli bir rol oynamaktadır. CH4 ve CO2 doğalgazda bulunmakta ve CH4 diğer fosil yakıtlara oranla daha temiz bir enerji kaynağı olarak kabul edilirken, CO2 ise boru hatlarına zarar veren ve doğalgazın enerji içeriğini azaltan bir gaz olarak bilinmektedir. Metal organik yapılar (MOF), bu gazların depolanmasında ve birbirinden ve diğer gaz karışımlarından ayrımında kullanılan önemli malzemelerdir. MOF'lar bu konuda gelecek vadeden malzemeler olduğundan, daha iyi depolama kapasitesine ve daha iyi ayırma performansına ulaşmak için MOF'ların yapıları ve modifikasyonu ile ilgili çalışmalar sürmektedir.Bu tez çalışmasının ilk bölümünde, iyonik sıvıların farklı yüklemelerde MOF'ların gözeneklerine yerleştirilmesi incelenmiştir. Hazırlanan [BMIM][BF4]/ZIF-8 örnekleri XRD, BET, FT-IR ve SEM gibi farklı deneysel teknikler kullanılarak karakterize edilmiştir. Gaz depolama performansları volumetrik analiz kullanılarak ölçülmüş ve ideal seçicilikleri hesaplanarak gaz ayrım performansları bulunmuştur. Her bir örnekte İyonik Sıvı ve MOF arasındaki etkileşimden dolayı saf MOF'a göre farklı depolama kapasiteleri olduğu gözlenmiştir. Elde edilen sonuçlar kütlece %30 yüklemeli hibrit malzemelerin, 0,1 bar'da CO2/CH4 ve CO2/N2 seçiciliklerinin sırasıyla 2,2'den 4'e ve 6,5'tan 13,3'e yükselmesinden dolayı bu gaz ayrımlarında gelecek vadeden malzemeler olduğunu göstermektedir. Kütlece %20 yüklemeli hibrit malzemenin ise CO2 tutma kapasitesinin 0,1 bar'da %9 artışı, bu malzemenin depolama uygulamaları için uygun olduğunu göstermektedir.İkinci bölümde, ilk bölümde elde edilen bilgiler ışığında hibrit malzemelerin farklı kombinasyonları incelenmiştir. Aynı karakterizasyon teknikleri kullanılmış ve iyonik sıvı-MOF arasındaki etkileşimler ile gaz tutma ve ayırma performansları arasındaki ilişki araştırılmıştır. Bunun yanı sıra, ZIF-8 tavlama işlemi ile modifiye edilmiş ve CH4, CO2 ve N2 gazlarının statik tutma kapasiteleri ile gaz ayırma performansları üzerindeki etkisi araştırılmıştır.MOF'ların gözeneklerine iyonik sıvı hapsedilmesi gaz tutma ve ayırma işlemlerinde iyileştirme sağlamaktadır. Sonuçlar bu malzemelerin doğalgaz ve baca gazı arıtmasında kullanılabileceğini ve enerji problemi için çözüm olabileceğini göstermiştir.

Gas storage and separation processes have been playing a significant role to overcome energy shortage. Both CH4 and CO2 exist in the natural gas; CH4 is considered as a clean energy source, while CO2 is an impurity which causes to corrosion in the pipelines and decreases the energy content of the natural gas. In the storage and separation processes of these gases, Metal organic frameworks (MOFs) are nominated as promising materials due to their high surface area and large porosities. Modification of MOFs to reach higher gas storage capacities and better separation performances has been recently started.In the first part of this thesis, incorporation of ionic liquids (ILs) into the pores of MOFs with different loadings (wt%) was investigated. [BMIM][BF4]/ZIF-8 samples were characterized using different techniques including X-Ray Diffraction (XRD), Thermogravimetric Analysis (TGA), Brunauer–Emmett–Teller (BET) Surface Area, Fourier Transform Infrared (FT-IR) and Scanning electron microscope (SEM). Gas uptakes of the samples prepared were measured using volumetric analysis and gas separation performances were found calculating ideal selectivities. For each sample, different gas storage and separation performances were obtained as a result of the distinct IL-MOF interactions. Results showed that 30 wt% IL-loaded MOF samples are promising materials for especially CO2/CH4 and CO2/N2 separation applications where the corresponding selectivities increased from 2.2 to 4 and 6.5 to 13.3 at 0.1 bar, respectively. 20 wt% loading can be used for storage purposes as CO2 uptake increased by 9% at 0.1 bar.In the second part of this thesis, we extended the IL-MOF pairs and studied several combinations. Same characterization techniques were used for different IL incorporations into ZIF-8 and the relationship between IL-MOF interactions and performances of composite materials was examined. ZIF-8 was modified with annealing process to investigate the CH4, CO2 and N2 static adsorption capacities and separation performances.IL incorporation into MOF offers opportunity for improvement in gas storage and separation applications. Results showed that these composite materials can be used in purification of natural gas and flue gas to overcome energy shortage.