Metal organik kafes yapılar (MOF) ve zeolitik imidazol kafes yapılar (ZIF) içeren polimer nanokompozit membranların gaz ayırma özellikleri

Günümüzde üstün kaliteye sahip üretim malzemeleri üzerine yapılan araştırmalar, bu malzemelerin kullanım alanlarının genişlemesiyle ve en önemlisi membran teknolojisindeki gelişmelerle artmıştır. Doğal gazın kalitesinin artırılması, çöp gazının geri dönüşümü, geliştirilmiş petrol üretimi ve küresel ısınmanın önlenmesi gibi çeşitli uygulamalar için CO2'nin seçici olarak uzaklaştırılması, ayrıca havadan azot ve oksijen zenginleştirme, azottan hidrojen ayırma, havadan uçucu bileşiklerin uzaklaştırılması gibi pek çok işlem membran teknolojisi uygulamalarının ilgi çekici birkaç konusu arasında olmuştur. Araştırmacılar bu noktada, ekonomik ve etkili gaz ayırma uygulamaları için yaygın olarak kullanılan karışık matrisli membranlar (KMM) üzerinde yıllardır araştırma yapmaktadır. Yapılan bu çalışmalarda polimer membranların, zeolitik imidazol kafes yapılar (ZIF) ve metal organik kafes yapılar (MOF) gibi nano dolgu maddeleri ile hem yüksek geçirgenliğe hem de yüksek seçiciliğe sahip olması sağlanmaktadır. ZIF'ler gözenekli malzemelerin yeni bir sınıfıdır ve geniş gözenek boyutu yelpazesinde sentezlenerek nano dolgu maddeleri olarak kullanılmaktadır. Çok sayıda MOF arasında üstün kimyasal ve ısıl kararlılıklarından, düşük fiyata kolayca sentezlenebilmelerinden dolayı ZIF'ler oldukça dikkat çekmektedir ve bu özelliklerinden dolayı gaz depolama, kimyasal sensor ve ayırma prosesi gibi çeşitli önemli uygulamalar için umut verici materyallerdir. Yine KMM'ler için dolgu malzemesi olarak kullanılan MOF'lar da çeşitli raporlarda pozitif sonuçlar göstermiştir. Sadece birkaç zeolit türü, KMM'lerde başarılı bir şekilde uygulanırken, MOF'lar neredeyse sınırsız gözenekli yapılar ve bileşikler sağlayabilmektedir. Bu çalışmada ilk olarak PEI (polieterimid, Ultem®1000) polimerine ilave edilmek üzere ZIF-7, ZIF-8 ve MOF-5 nano partikülleri ile MOF-5 nano dolgu maddesine molce %10 ve %50 oranında Nikel (Ni) yüklemesi yapılarak oluşturulan Ni-10-MOF-5 ve Ni-50-MOF-5 nano dolgu maddeleri sentezlendi. İkinci aşamada ise bu dolgu maddeleri ile hazırlanan membranların 35 °C, 3.1 bar'da H2, CH4 ve CO2 gaz geçirgenlik testleri ölçülerek ideal seçicilikleri (α H2/CH4, α H2/CO2 ve α CO2/CH4) hesaplandı. Difüzyon ve çözünürlük katsayıları da hesaplanan bu membranların başta taramalı elektron mikroskobu (SEM), Fourier Dönüşümlü Kızılötesi (FTIR) Spektroskopisi, X-Işını Kırınımı (XRD) analizi olmak üzere çeşitli karakterizasyon analizleri yapıldı. Deney sonuçlarına göre, saf PEI membranına ilave edilen ZIF-7 ve ZIF-8 nano partikül oranı arttıkça membranların gaz geçirgenlik değerlerinde, difüzyon ve çözünürlük katsayılarında iyileşme görüldü, fakat ideal membranların seçicilikleri bu artışın aksi yönünde azaldı. Ni-50-MOF-5 ve Ni-10-MOF-5 nano dolgu maddeleriyle hazırlanan membranlar birbirleriyle kıyaslandığında; Ni-50-MOF-5 ilavesinin, PEI membranlarının tüm gaz geçirgenliği değerlerini iyileştirdiğini söyleyebiliriz. Ayrıca PEI/Ni-50-MOF-5 membranlarının H2/CH4 ve CO2/CH4 ideal seçiciliklerinin saf PEI membrana göre sırasıyla 89.4'ten 93.96'ya ve 15.57'den 20.47'ye arttığı görüldü.