Metal organik kafeslerde bütan ve izobütan adsorpsiyonunun incelenmesi

Günümüzde petrokimya sektörü en önemli kimya sektörlerinden biridir. Bu sektörde hidrokarbonların etkili bir şekilde ayrılması önemli bir rol oynamaktadır. Petrokimya endüstrisinde karşılaşılan bu önemli proseslerden biri de bütan ve izobütan ayrımıdır. Ticari olarak kullanımı yaygın olan bütan ve izobütan genel olarak yakın fiziksel özelliklere sahiptir. Bu durum bütan ve izobütanın ayrım prosesinde zorluklara yol açmaktadır. Petrokimya endüstrisinde hidrokarbonlar için geleneksel olarak kullanılan ayrımsal damıtma yöntemi, uçuculukları yakın olan moleküller için enerji yoğunluklu ve pahalı bir prosestir. Bu nedenle son zamanlarda çalışmaların çoğu adsorpsiyon prosesleri üzerine yoğunlaşmıştır. Adsorpsiyon prosesleri, faz değişimi olmadığından, enerji tasarruflu proseslerdir. Adsorpsiyon prosesinin performansı önemli derecede adsorban seçimine bağlıdır. Geçmişten bu yana adsorpsiyon proseslerinde en çok kullanılan adsorbanlara örnek olarak organik bir malzeme olan aktif karbon ve inorganik bir malzeme olan zeolitler verilebilir. Aktif karbon yüksek adsorpsiyon kapasitesine ve geniş yüzey alanına sahip bir malzeme olmasına rağmen düzenli bir yapıya sahip değildir. Zeolitler ise düzenli bir yapıya sahip olmalarına rağmen stabilite ve çeşitlilik konusunda yetersizdir. Geleneksel olarak kullanılan adsorbanların bu özellikleri nedeniyle adsorpsiyon prosesleri için yeni malzemelerin geliştirilmesi bir ihtiyaç haline gelmiştir. Bu aşamada hem organik hem de inorganik yapıya sahip olan koordinasyon polimerleri olarak da adlandırılan metal organik kafesler geliştirilmiştir. Metal organik kafesler, homojen mikrogözenekleri, geniş yüzey alanı, ayarlanabilir gözenek boyutu, kolay işlenebilirliği, kontrol edilebilir kristalin yapısı, yapısal çeşitliği, olağanüstü ısıl ve kimyasal stabilitesi gibi özellikleri sayesinde son yıllarda kimya ve malzeme bilimcilerinin oldukça dikkatini çekmekte ve bu alanda yapılan çalışma ve yayınların sayısı dikkate değer şekilde artış göstermektedir. Yapılan bu çalışmaların büyük bir kısmında metal organik kafeslerin kullanım alanlarından biri olan gaz ayrımı üzerinde durulmakta ve metal organik kafeslerde endüstriyel alanda yaygın olarak kullanılan gaz karışımlarının seçici adsorpsiyonu geniş ölçüde incelenmektedir. Bu aşamada, son zamanlarda moleküler simulasyon yöntemleri oldukça dikkat çekmektedir. Küçük kimyasal sistemlerden, malzeme topluluklarına kadar değişen bir aralıkta hesaplamalı kimya ve malzeme bilimindeki çalışmalarda yaygın olarak kullanılan moleküler simulasyon yöntemleri, az bilinen sistemlerin termofiziksel özelliklerinin hesaplanmasına olanak sağlamasının yanısıra araştırmacıların moleküler yapıya göre farklılaşan özellikler hakkında daha derin bir anlayış kazanmalarına yardımcı olur. Bu çalışmanın amacı; Monte Carlo moleküler simulasyon yöntemini kullanarak metal organik kafeslerde bütan ve izobütan adsorpsiyonunun incelenmesidir. Bu tez kapsamında, Na+, Li+ ve K+ alkali metal katyonları ile iyon değişimi yapılmış rombik ve sodalit topolojiye sahip ZMOF olarak adlandırılan zeolit benzeri metal organik kafesler, ZIF-8, Cu-BTC, FOHQUO ve Basosiv M050 ticari ismine sahip Mg-formiyat kafes yapıları kullanılmıştır. Simulasyon çalışmaları 333 K ve 1 ila 6 bar basınç aralığında Material Studio 5.5® programı yardımıyla gerçekleştirilmiş, n-bütan ve i-bütan gazlarının saf ve karışım halleri için ayrı ayrı adsorpsiyon izotermleri elde edilmiştir. Elde edilen adsorpsiyon izotermleri sayesinde kullanılan metal organik kafeslerde basınca göre n-bütan ve i-bütan adsorpsiyonu incelenmiştir. Ayrıca, metal organik kafeslerin ideal ve gerçek adsorpsiyon seçicilikleri ile çalışma kapasiteleri hesaplanarak seçilen metal organik kafeslerin n-bütan/ i-bütan ayırma performansları değerlendirilmiştir. Sonuçlar, literatürde n-bütan ve i-bütan adsorpsiyonu için bu metal organik kafeslerin kullanıldığı herhangi bir çalışma mevcut olmadığından, n-bütan ve i-bütan adsorpsiyonunda kullanılmış olan bazı zeolitler ile kıyaslanmıştır. Sonuç olarak, kullanılan metal organik kafesler birbirlerinden farklı adsorpsiyon özellikleri göstermiş ve en önemlisi zeolitler ile kıyaslandığında metal organik kafeslerin zeolitlere oranla kapasitelerinin oldukça yüksek olduğu gözlenmiştir.Rho-ZMOF yapılarının sod-ZMOF yapılarına oranla n-bütan ve i-bütan adsorpsiyon kapasiteleri açısından üstün oldukları görülmektedir. Farklı alkali metal katyonları ile iyon değişimi yapılmış kafes yapıları birbirirlerinden farklı davranış göstermiştir, bu durum katyon değişiminin adsorpsiyon prosesi üzerindeki etkisini gözler önüne sermektedir. Simulasyon çalışmasında kullanılan metal organik kafeslerin genel olarak performansları değerlendirildiğinde Mg-formiyat, FOHQUO ve rho-ZMOF yapılarının n-bütan ve i-bütan adsorpsiyonu için iyi bir adsorban özelliği gösterdikleri gözlenmiştir. Rho-ZMOF yapılarının n-bütan seçiciliği çok yüksek olmamasına rağmen çalışma kapasitesi açısından performanslarının oldukça yüksek olduğu görülmüştür. FOHQUO ve Basosiv M050 yapıları seçicilik açısından rho-ZMOF'lara üstünlük sağlarken, çalışma kapasitesi açısından rho-ZMOF'ların gerisinde kalmışlardır.