Polimer nanokompozit membranların alkol/su sorpsiyonu ve pervaporasyonu

Abstract

Pervaporasyon, azeotrop karışımların ayrılması için geliştirilen, sıvı karışımlarının kısmi buharının gözenekli ya da gözeneksiz bir membrandan geçmesiyle ayırmanın sağlandığı, düşük enerji tüketimli ve ekonomik bir ayırma prosesidir. Polimerik membranlar, ayırma sürecindeki yüksek performansları ve ekonomik olmaları sebebiyle membranla ayırma endüstrisinde önemli yere sahiptirler. Biyobütanol, fermantasyon reaksiyonu sonucunda ortaya çıkan bir alkol ürünüdür. Biyobütanol, sahip olduğu yüksek enerji ile yenilenebilir enerji kaynakları çalışmalarında kullanılan ve gelecek vaat eden bir yenilenebilir yakıt örneğidir. Bu çalışmada, destek tabakası poliimid (PI) ve seçici tabakası Metal Organik Kafes Yapılar (MOF) ve Zeolitik Imıdazol Kafesler (ZIF) ile doldurulmuş polidimetilsiloksan (PDMS) ile hazırlanan pervaporasyon membranının bütanol-su sorpsiyon ve pervaporasyon performansları incelenmiştir. Çalışma süresince, hazırlanan PI ve PDMS tabakaların saf su ve saf bütanol sorpsiyonları 30 0C, 35 0C ve 40 0C sıcaklıklarda incelenmiştir. Elde edilen sorpsiyon sonuçları ve SEM görüntüleri neticesinde PI destek tabakası için en iyi konsantrasyon değeri kütlece %15 PI çözeltisinde, nanopartikül dolgulu PDMS seçici tabakası için en iyi konsantrasyon değerleri kütlece %5, %10 MOF-199 ve %5 Hibrit ZIF-8 içeren PDMS tabaka için tespit edilmiştir. Hazırlanan membranlar, nanopartikül kosantrasyonunun, akış hızının, besleme konsantrasyonunun ve sıcaklığın etkisinin performansa etkisi incelenmek üzere pervaporasyon deneyleri gerçekleştirildi. Bu deneyler neticesinde 1450 ml/dk akış hızında 30 0C sıcaklıkta 2L %5 bütanol içeren besleme çözeltisiyle sürekli sistemde gerçekleştirilen deneyde en yüksek seçicilik ve akı performansını gösteren membran ağırlıkça %10 MOF-199 içeren membrandır ve saf PDMS seçici tabakaya sahip membrana göre seçicilik ve akı değerlerinin yükseldiği görülmüştür. Akış hızının etkisinin incelendiği deneylerde ise membranın çok düşük ve çok yüksek besleme akış hızında düşük performans gösterirken, 1450 ml/dk akış hızındaki deneyde en yüksek performansını göstermiştir. Sıcaklık etkisinin incelendiği deneylerde ise sıcaklığın artmasıyla seçiciliğin azaldığı, akının ise sıcaklıkla birlikte arttığı görülmüştür. Son parametre olan besleme konsanstrasyonunda ise, besleme konsantrasyonunun artmasıyla seçiciliğin önce düşüp, sonrasında arttığı; toplanan permeat miktarında ise derişimin artmasıyla akının da yükseldiği görülmüştür. Deneyler sonucunda %10 MOF-199 içerikli PDMS seçici tabakasına sahip membranın bütanol geri kazanımı için kullanılabilecek membranlar arasında olduğu öngörülmüştür. Anahtar Kelimeler: Pervaporasyon, bütanol, MOF, poliimid, pdms, membran

Pervaporation technique was developed to separate azeotrop liquids due to partial vapor of liquids. Separation is provided by transfering of liquid vapor across the porous or non-porous membrane. Pervaporation process which is an economical technique consumes lower amount of energy compare to other separation techniques. Polimeric membranes are used wide range area in membrane separation industry due to its high performance and economical advantages in separation process. Biobutanol is produced by fermantation reaction. It is one of the promising renewable fuels with its high energyl level. In this study, pervaporation performance of a membrane which involves PI support layer with PDMS layer that is dopped with MOF was investigated. During the study, sorption performance of PI and PDMS layer for water and butanol, and 30 0C, 35 0C and 40 0C temperature was investigated. Optimum PI concentration was determined as 15wt% and mamoparticle/PDMS concentrations were determined as 5wt%, 10wt% MOF-199 and 5wt% Hybrid ZIF-8 due to the results of sorption and SEM images. Prepared membranes were performed in pervaporation process to investigate the effects of nanoparticle concentration, feed flow rate, feed concentration and temperature. viii Firstly, nanoparticle effect on this membrane type was investigated at 1450 ml/min feed flowrate, 30 0C temperature and a feed solution of 2L 5wt% BuOH. At these conditions, membrane that consists 10wt% MOF-199/PDMS active layer shows the most effective selectivity and flux performance. Secondly, feed flow rate was investigated at 30 0C and the membrane gives the highest selectivity and flux values at 1450 ml/min flow rate. If the flow rate is increased to 1900 ml/min or decreased to 1000 ml/min, membrane performance decreases sharply. Then, temperature effect on membrane separation performance was investigating and results show that if temperature was increased, selectivity decreases and flux increases at the same time. Finally, feed concentration effect was investigated. Membrane selectivity was decreased slightly with the increment in feed concentration first and then, selectivity also increased with feed concentration. Flux is also increased with feed concentration during experiments. As a result, membrane with 10 wt% MOF-199/PDMS active layer can be used in pervaporation performance for biobutanol separation in future applications. Keywords: Pervaporation, butanol, MOF, polyimide; pdms; membrane