Development of PBI based membranes for H2/CO2 separation
H2/CO2 ayırımı için PBI bazlı membranların geliştirilmesi
- Tez No: 338409
- Danışmanlar: PROF. DR. LEVENT YILMAZ, DOÇ. DR. HALİL KALIPÇILAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 92
Özet
En son gelişmeler kimyasal üretim, petrolün damıtılması ve yeni geliştirilen temiz enerji konseptlerinde artan ihtiyaçtan dolayı gelecekte sanayi uygulamalarında hidrojene olan talebin artacağını göstermektedir. Hidrojen başlıca buhar dönüşüm prosesi ve su gaz dönüşüm reaksiyonlarından üretilir. Bu proseslerin ana ürünleri hidrojen ve karbondioksittir. Karbondioksitin oldukça korozif oluşu ve reaktörde bulunan katalizörleri zehirlediği için seçici olarak uzaklaştırılması önemlidir. Hidrojen saflaşlaştırma işlemi için membranlar; adsorpsiyon, kriyojenik distilasyon gibi geleneksel metotlar yerine kullanılabilinir.Karışık matrisli membranlar, devamlı bir polimer matrisi içerisine çözünmeyen bir fazın homojen olarak dağıtılması ile oluşur. Bu membranlar her iki fazın avantajlı özelliklerini birleştirerek gaz ayırımında kullanılabilme potansiyeline sahiptirler. Bu çalışmanın amacı H2/CO2 ayırımı için polibenzimidazol (PBI) ve PBI bazlı karışık matrisli membranları üretmek ve aynı zamanda üretilen bu membranların gaz ayırım performanslarının 35oC ve 90oC aralığında test etmektir.Ticari olarak hem Celanese hem de FumaTech firmalarından temin edilen PBI, polimer matrisi olarak kullanılmıştır. PBI sahip olduğu termal, kimyasal stabilite ve mekanik özellikleri ve yakıt-pili membranı üretiminde kullanıldığında membran olarak gösterdiği performansı baz alınarak seçilmiştir.Sırasıyla 0.30 nm ve 0.38 nm gözenek çapına sahip mikro boyutlu Zeolit 3A ve nano boyutlu SAPO-34 önemli ölçüde dikkat çekmiştir ve bu çalışmada dolgu malzemesi olarak kullanılmıştır. Ticari Zeolite 3A ve grubumuz tarafından sentezlenmiş olan SAPO-34 çalışma boyunca kullanılmıştır. Hazırlanan membranlar taramalı elektron mikroskobu (SEM), farklı taramalı kalorimetre (DSC) ve termal gravimetrik analiz (TGA) ile karakterize edilmiştir. Hazırlanan PBI, PBI/Zeolit 3A ve PBI/SAPO-34 membranları ile gaz geçirgenlik testleri yapılarak tavlama prosedürünün ve çalışma sıcaklığının gaz geçirgenliğine etkisi araştırılmıştır. Hidrojen ve karbon dioksit tek gaz geçirgenlik ölçümleri için kullanılmıştır. Doğrudan tavlama ve fırında tavlama olarak tanımlanan iki farklı tavlama stratejisi uygulanmıştır. Fırında tavlama işlemi fırın içerisinde 120oC, 0,7 atmosferde, doğrudan tavlama işlemi ise gaz geçirgenliğinin test edildiği düzenek içerisinde 90oC ve 3 bar basınçta helyum gazının beslenmesi ile gerçekleştirilmiştir.PBI ve PBI/Zeolit 3A membranları fırında tavlanmıştır. Fırında tavlanan membranlar daha iyi seçicilik fakat daha düşük geçirgenlik göstermişlerdir. Diğer taraftan doğrudan tavlanan membranlar çok daha yüksek geçirgenlik ve düşük seçicilik ile birlikte stabil performans göstermişlerdir. Tavlama metodunun değiştirilmesi ile 35oC'de PBI membranlar için hidrojen geçrigenliği 5.16 Barrer'den 7.77 Barrer'e, PBI/Zeolit 3A membranlar için ise 5.55 Barrer'den 7.69 Barrer yükselmiştir. Seçicilikler ise PBI membranlar için 6.21'den 2.31'e, PBI/Zeolit 3A membranlar için ise 5.55'ten 2.63'e düşmüştür.İşletme sıcaklığının arttırılmasının etkisi doğrudan tavlanmış membranlar kullanılarak incelenmiştir. Sıcaklığın 35oC'den 90oC'ye arttırdığımızda her iki tip membranın da performansı iyileşmiştir. PBI ve PBI/Zeolit 3A membranları yanında PBI/SAPO-34 membranı sadece doğrudan tavlama yöntemi kullanılarak hazırlanmıştır. Nano boyutlu dolgu maddesinin eklenmesi PBI/SAPO-34 membranı için polimer matrisi içerisinde homojen dağılımın olmasını sağlamıştır. Bu membran tipi için hidrojen geçirgenliği artan sıcaklıkla birlikte 8.01 Barrer'den 26.73 Barrer'e çıkmıştır. H2/CO2 seçicilik değeri değişiklik göstermemiştir. Sonuç olarak, hidrojen ve karbondioksit ayrımında yüksek sıcaklıklarda çalışmak daha uygun olacaktır.Bütün membran tipleri için hidrojen en yüksek aktivasyon enerjisi göstermiştir. Tüm membranlar arasında da her iki gaz için en yüksek aktivasyon enerjileri PBI/SAPO-34 membranı için elde edilmiştir, bu da polimer-zeolit ara yüzeyinin iyi etkileşmiş olduğunun bir göstergesidir. Doğrudan tavlanan membranların sonuçların tekrar edilebilirliğini sağlayarak iyi gaz geçirgenlik sonuçlarını vermişlerdir. Çalışma boyunca kullanılan membranlar arasında en iyi gaz geçirgenlik sonuçlarını PBI/SAPO-34 membranları ile elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Recent developments have confirmed that in the future hydrogen demand in industrial applications will arise because of the growing requirements for H2 in chemical manufacturing, petroleum refining, and the newly emerging clean energy concepts. Hydrogen is mainly produced from the steam reforming of natural gas and water gas shift reactions. The major products of these processes are hydrogen and carbon dioxide. The selective removal of CO2 from the product gas is important because it poisons catalysts in the reactor and it is highly corrosive. Membrane separation processes for hydrogen purification may be employed as alternative for conventional methods such as adsorption, cryogenic distillation.Mixed matrix membranes (MMMs) are composed of an insoluble phase dispersed homogeneously in a continuous polymer matrix. They have potential in gas separation applications by combining the advantageous properties of both phases. The objective of this study is to produce neat polybenzimidazole (PBI) membranes and PBI based mixed matrix membranes for separation of H2/CO2. Furthermore, to test the gas permeation performance of the prepared membranes at permeation temperatures of 35oC to 90oC.Commercial PBI supplied from both Celanese and FumaTech were used as polymer matrix. PBI was selected based on its thermal, chemical stabilities and mechanical properties and its performance as a fuel-cell membrane produced by PBI.Micro-sized Zeolite 3A and nano-sized SAPO-34 are zeolites with 0.30 nm and 0.38 nm pore size respectively have attracted considerable interest and employed as fillers in this study. Commercial Zeolite 3A and synthesized SAPO-34 by our group was used throughout the study. Membranes were prepared using N,N-dimethylacetamide as the solvent. Prepared membranes were characterized by scanning electron microscopy (SEM), differential scanning calorimetry (DSC) and thermal gravimetric analysis (TGA). The effect of annealing procedure and operating temperature on gas separation performance of resultant neat PBI, PBI/Zeolite 3A and PBI/SAPO-34 membranes were investigated by gas permeation tests. Hydrogen and carbon dioxide gases were used for single gas permeation measurements. Two different annealing strategies were utilized namely in-line annealing and in-oven annealing. In-oven annealing was performed in an oven in nitrogen atmosphere at 120oC, 0.7 atm while in-line annealing was performed in the gas permeation set-up by feeding helium as permeating gas at 90oC and 3 bar.Neat PBI and PBI/ Zeolite 3A membranes were in-oven annealed. The in-oven annealed membranes showed better selectivities with lower permeabilities, but the performance results of these membranes had low repeatability. On the other hand, in-line annealed membranes showed much higher permeabilities and lower selectivities with stable performance. By changing the annealing method hydrogen permeability increased from 5.16 Barrer to almost 7.77 barrer for neat membranes and for PBI/Zeolite 3A mixed matrix membranes increased from 5.55 to to 7.69 Barrer at 35oC. The selectivities were decreased from 6.21 to 2.31 for neat membranes and for PBI/Zeolite 3A from 5.55 to 2.63.Effect of increasing operating temperature was investigated by using in-line annealed membranes. Increasing temperature from 35oC to 90o improved the performance of the both types of membranes and repeatable results were obtained. Besides neat PBI and PBI/Zeolite 3A, PBI/SAPO-34 membranes were prepared only via in-line annealing. The addition of nano-sized filer to the membranes provided homogeneous distribution in polymer matrix for PBI/SAPO-34 membranes. For this type of membrane hydrogen permeability increased from 8.01 to 26.73 Barrer and with no change in H2/CO2 selectivities via rising temperature. Consequently, it is better to study hydrogen and carbon dioxide separation at high temperature.For all types of membranes hydrogen showed higher activation energies. In between all membranes magnitude of activation energies were the highest for PBI/SAPO-34 membrane which is an indication of good interaction between polymer and zeolite interface. In-line annealed membranes gave the best gas permeation results by providing repeatability of measurements. Among all studied membranes in-line annealed PBI/SAPO-34 membrane exhibited the best gas permeation results.
Benzer Tezler
- Development of high performance electrochemical hydrogen compressor through experimental studies
Yüksek performanslı elektrokimyasal hidrojen kompresörünün deneysel olarak geliştirilmesi
GİZEM NUR BULANIK DURMUŞ
Doktora
İngilizce
2023
EnerjiAtılım ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YILSER DEVRİM
PROF. DR. CAN ÖZGÜR ÇOLPAN
- Yüksek sıcaklık PEM yakıt pilleri için polibenzimidazol bazlı membranların geliştirilmesi
Development of polybenzimidazole based membranes for high temperature PEM fuel cells
ARZU GÖBEK
- Doğrudan gliserol yakıt pilleri için PBI temelli kompozit membran geliştirilmesi
Development of PBI based composite membrane for direct glycerol fuel cells
CEYDA ELİF MEYDAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Kimya MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMİZ GÜLTEKİN AKAY
- Doğrudan sodyum borhidrür yakıt pilleri için katyon değişim membranları geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of cation exchange membranes for direct sodium borohydride fuel cell
KÜRŞAT CAN ATA
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
EnerjiKocaeli ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMİZ GÜLTEKİN AKAY
- Polimer elektrolit membran yakıt hücreleri için polibenzimidazol (pbı) membran üretimi ve geliştirilmesi
Development and production of polybenzimidazole (pbi) membrane for polymer electrolyte membrane fuel cells
ÇAĞLA GÜL TOSUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Kimya MühendisliğiAnadolu ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN FERDİ GERÇEL