MOF-5 Bağlı Karışık Matriksli Membranların Sentezi, Karakterizasyonu ve Gaz Ayırma Özellikleri

Membran biliminin ve hidrojen ekonomisinin hızlı gelişimi ile hidrojen saflaştırmada membrane dayalı ayırma teknolojisi yüksek bir potansiyel göstermektedir. Gaz ayırma membranlarının performansını arttırmak için karışık matrisli membranlar (MMM) geliştirilmiştir. Fakat, MMM’lar, zayıf dolgu-polimer etkileşimine ve dolgu malzemesinin topaklanmasına neden olmaktadır. Yüksek yüzey alanı ve por hacmine sahip yeni bir dolgu malzemesi olan metal organik kafes sistemi (MOF) bu olumsuzlukarın üstesinden gelmekte ve H2 gas adsoprsiyon özellikleini iyileştirmektedir. Bu çalışmada, MOF-5 sentezlenerek, bu yapının karakteristik özellikleri incelenmiştir. Gaz geçirgenliği üzerinde dolgu maddesinin etkisini incelemek üzere, farklı yükleme oranlarında (0, %5, %10, %15) hazırlanan MOF-5 kristalleri poliimit membrane içine ilave edilmiştir. Karakterizasyonları, taramalı electron mikroskobu (SEM), kızık ötesi spektrometresi (IR), x ışını kırınım cihazı (XRD), termogravimetrik analiz (TGA) ile tayin edilmiştir. Farklı oranlarda hazırlanan membranlar, H2, CO2 ve CH4 gazlarının geçirgenlikleri ile H2/CO2, CO2/CH4 ve H2/CH4 seçiciliklerini belirlemek üzere kullanılmıştır. Tüm gazlarda geçirgenlik 200 kPa ve oda sıcaklığında artış göstermiş fakat  yükleme oranı arttıkça H2/CO2, CO2/CH4 ve H2/CH4 seçicilikleri saf polimere gore azalmıştır. Sonuç olarak, polimere MOF-5’in ilavesi geçirgenlik performansını arttırmasına rağmen, seçicilik azalma göstermiştir.

Synthesis, Characterization and Gas Separation Properties of MOF-5 Mixed Matrix Membranes

With the rapid development of hydrogen economy and membrane science, membrane-based gas separation technology shows great potential for the hydrogen purification. Mixed matrix membranes (MMM) have been developed in order to increase the gas separation performance of a membrane. However, MMMs result in poor filler-polymer compabilities and filler segregation. Metal organic frameworks (MOFs) as new fillers with high surface area and pore volume overcome these drawbacks and enhance the H2 gas adsorption properties. In this study, MOF- 5 was synthesized, characterized and incorporated into polyimide (PI) to investigate the effect of filler on the single gas permeation. MOF-5/PI MMMs were fabricated at different loading rates (5wt.%, 10wt.%, 15wt.% MOF-5). The characterization a membrane was performed by scanning electron microscopy (SEM), infrared spectroscopy (IR), X-ray diffraction (XRD), and thermogravimetric analysis (TGA). The prepared  membranes with varying filller contents were used to investigate the H2, CO2 and CH4 permeation properties and H2/CO2, CO2/CH4, H2/CH4 selectivities. The results showed that the single gas permeation experiments for all gases increased with MOF-5 loading at room temperature and pressure of 200 kPa. At higher loadings, ideal selectivity of H2/CO2, CO2/CH4, H2/CH4  were found less compared to the pure polymer. Consequently, the incorparation of MOF-5 into the polimer  incresed the membrane gas permeation rates but decreased the selectivity.

___

  • [1] Arjmandi M., Pakizeh M.,. “Mixed matrix membranes incorporated with cubic MOF-5 for improved polyetherimide gas separation membranes: Theory and experiment” Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 20, 3857–3868, 2014
  • [2] Robeson L. M.,. “Correlation of separation factor versus permeability for polymeric membranes” Journal of Membrane Science 62, 165-185, 1991
  • [3] Robeson L. M., “The upper bound revisited” Journal of Membrane Science, 320, 390–400, 2008
  • [4] Zornoza B., Gorgojo P., Casado C., Téllez C., Coronas J., “Mixed matrix membranes for gas separation with special nanoporous fillers” Desalination andWater Treatment, 27, 42-47, 2011
  • [5] Chung T. S., Jiang L. Y., Li Y., Kulprathipanja S., “Mixed matrix membranes (MMMs) comprising organic polymers with dispersed inorganic fillers for gas separation”Progress in Polymer Science, 32, 483–507, 2007
  • [6] Jeazet H.B.T., Staudt C., Janiak C., “Metal–organic frameworks in mixed- matrix membranes for gas separation” An International Journal of Inorganic Chemistry, 41, 14003-14027, 2012
  • [7] Zornoza B., Tellez C., Coronas J., Gascon J., Kapteijn F,. “ Metal organic framework based mixed matrix membranes: An increasingly important field of research with a large application potential” Microporous and Mesoporous Materials, 166, 67–78, 2013.
  • [8] Li H., Eddaoudi M., O’Keeffe M., Yaghi O.M., “ Design and synthesis of an exceptionally stable and highly porous metal-organic framework” Nature,402, 276–279, 1999
  • [9] Yang M., Liu Q., Sun W.Y., “Shape and size control and gas adsorption of Ni(II) doped MOF-5 nano/microcrystals” Microporous and Mesoporous Materials, 190, 26-31, 2014
  • [10] Zhao Z., Ma X., Li Z., Lin Y.S., “Synthesis, characterization and gas transport properties of MOF-5 membranes” Journal of Membrane Science, 382, 82-90, 2011
  • [11] Rowsell J.L.C., Milward A.R., Park K.S., Yaghi O.M., “Hydrogen sorption in functionalized metal organic frameworks” Journal of American Society,126, 5666–5667, 2004
  • [12] Panella B., Hirscher M., “Hydrogen physisorption in metal–organic porous crystals” Advanced Material, 17, 538–541, 2005
  • [13] Panella B., Hirscher M., Putter H., Muller U., “Hydrogen adsorption in metal organic frameworks: Cu-MOFs and Zn- MOFs compared” Advanced Functional Materials,16, 520–524, 2006
  • [14] Ullah S., Bustam M.A., Shariff A.M., Elkhalifah A.E.I., Murshid G. And Riaz N., “Synthesis and CO2 adsrption study of modified MOF-5 with multi-wall carbon nanotubes and expandable graphite” AIP Proceedings, 1621,34-39, 2011
  • [15] Hermes S., Schröder F., Amirjalayer S., Schmid R., Fischer R.A., “Loading of porous metal-organic open frameworks with organometallic CVD precursors: inclusion compounds of the type [LnM]a@MOF-5” Journal of Materials Chemistry, 16, 2464–2472, 2006
  • [16] Sabouni R. , Kazemian H. , Rohani S., “A novel combined manufacturing technique for rapid production of IRMOF-1 using ultrasound and microwave energies” Chemical Engineering Journal, 165, 966-973, 2010
  • [17] Li J., Cheng S., Zhao Q., Long P., Dong J., “Synthrsis and hydrogen storage behavior of metal organic framework MOF-5” International Journal of HydrogenEnergy, 34, 1377-1382, 2009
  • [18] Perez E.V, Balkus., K.J., Ferraris J.P., Musselman, I.H., “Mixed-matrix membranes containing MOF-5 for gas separations” Journal of Membrane Science, 328, 165-173, 2009
  • [19] Hafizovic J., Bjorgen M., Olsbye U., Dietzel P.D.C., Bordiga S., Prestipino C., Lamberti C., Lillerud K.P., “The inconsistency in adsorption properties and powder XRD data of MOF-5 is rationalized by framework interpenetration and the presence of organic and inorganic species in the nanocavities” Journal of American Society, 129, 3612-3620, 2007
  • [20] Basu S., Cano-Odena A., Vankelecom I. F.J., “MOF-containing mixed-matrix membranes for CO2/CH4 and CO2/N2 binary gas mixture separations, Separation and Purification Technology, 81, 31–40, 2011
  • [21] Aroon,M.A., Ismail A.F, MatsuuraT., Montazer-Rahmati M., “Performance studies of mixed matrix membranes for gas separation: A review”. Separation and PurificationTechnology, 75, 229–242, 2010
Nevşehir Bilim ve Teknoloji Dergisi-Cover
  • ISSN: 2148-466X
  • Yayın Aralığı: Yılda 2 Sayı
  • Başlangıç: 2012
  • Yayıncı: Nevşehir Hacı Bektaş Veli Üniversitesi
Sayıdaki Diğer Makaleler

Fenton ve Fotofenton Prosesleri ile Atıksudaki Aspirinin Giderim Verimliliğinin Karşılaştırılması

Sevde ÜSTÜN ODABAŞI, Bareera MARYAM, Hanife BÜYÜKGÜNGÖR

Uluslararası İnşaat Projelerinde Taşeron Seçimi İçin Karar Kriterleri

Serdar ULUBEYLİ, Aynur KAZAZ, Volkan ARSLAN

1. Derece Deprem Bölgesinde, Aynı Yüksekliklere ve Farklı Dinamik Özelliklere Sahip Betonarme Binalar Arasındaki Çarpışma Davranışı

Hasan Hüseyin DERTLİ, Fezayil SUNCA, Mehmet AKKÖSE

Katı Atık Depolama Alanlarında Sızıntı Suyunun Killi Zeminden Geçerken Adsorpsiyonunun İncelenmesi

Güler TÜRKOĞLU DEMİRKOL, Gökhan BALCIOĞLU, Sevgi GÜNEŞ DURAK, Türkan ORMANCI ACAR, Neşe TÜFEKCİ

Kızılırmak Havzasının Hidrometeorolojik Verilerinin Trend Analizi

Burcu ERCAN, Mehmet İshak YÜCE

Eskişehir’de Yer Alan Bazı Sulama Göletlerinin Su Kalitesinin Değerlendirilmesi

Arzu ÇİÇEK, Erhan UYSAL, Esengül KÖSE, Cem TOKATLI

Bazalt Fiberle Güçlendirilmiş Doygun Silt Zeminin Mekanik Davranışının Deneysel İncelemesi

Cyrille Prosper NDEPETE, Sedat SERT

Yüksek Sıcaklığa Maruz Uçucu Kül İçeren Betonun Ultrases Geçiş Hızı ve Basınç Dayanımının Değerlendirilmesi

Şakir ERDOĞDU, Ufuk KANDİL, Memduh NAS, Şirin KURBETCİ, Safa NAYIR

Çevresel Su Örneklerinde GC/MSD ile Pestisit Analizi ve Metot Validasyonu

Şeyda KIVRAK, Tolga GÖKTÜRK

Sulardan Humik Asit Gideriminde Demir Kaplı Zeolitle (DKZ) Katalitik Ozonlama

Dilek GÜMÜŞ, Feryal AKBAL