Experimental investigation of ionic liquid−incorporated MIL-53(Al) composites for environmental applications: gas separation and water purification
İyonik sıvı katkılı MIL-53(Al) kompozitlerinin çevresel uygulamalar için deneysel Olarak İncelenmesi: Gaz ayırma ve su arıtma
- Tez No: 593231
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALPER UZUN, PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Kimya, Kimya Mühendisliği, Energy, Chemistry, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 142
Özet
Gözenekli malzemeler, gaz ayırma ve su arıtma amaçları için yoğun bir şekilde araştırılmaktadır. Metal-organik kafesler (MOF'lar) yeni gözenekli katı sınıfıdır. Yüksek yüzey alanları, özelleştirilebilir kimyaları ile termal ve kimyasal dayanıklılık gibi mükemmel özellikleri sayesinde, farklı uygulamalar için çok umut verici sonuçlar göstermişlerdir. MOF'ların sentez sonrası modifikasyonu için yeni bir yaklaşım, onları olağanüstü özelliklere sahip olan iyonik sıvılar (IL'ler) ile birleştirmektir. Bu tez çalışmasının ilk bölümünde, MIL-53(Al)'ye IL dahil edilmesinin CO2 ayırma performansı üzerindeki etkisini araştırmak için bir MOF'a (MIL-53(Al)) beş farklı rganic ium IL dahil edildi. IL/MIL-53(Al) kompozitlerinin ve saf MIL-53(Al)'nin CO2, CH4 ve N2 adsorpsiyon izotermleri, IL yapısına dayanarak CO2/CH4 ve CO2/N2 seçiciliklerini değerlendirmek için ölçüldü. [BMIM][PF6]/MIL-53(Al) kompoziti, saf MIL-53(Al)'ye göre 2.8 kat daha fazla seçiciliğe sahip olup, CO2/CH4 seçiciliği için en yüksek iyileşmeyi gösterdi. [BMIM][MeSO4]/MIL-53(Al) kompoziti, saf MIL-53(Al)'den 3.3 kat daha fazla CO2/N2 seçiciliği göstermiştir. Büyük anyonlar yerine küçük anyonlara sahip IL'lerin MIL-53(Al) içine dahil edilmesi, CO2 ayırımı için çok yönlü bir platform oluşturmamızı sağlar. IL/MOF kompozitlerinin CO2 ayırma performansları karşılaştırıldığında, hem [BMIM][BF4] hem de [BMIM][PF6] dahil edilmiş MIL-53(Al) kompozitlerinin 1-5 bar arasında, aynı IL'lerin CuBTC ve ZIF-8'den oluşan kompozitlerinee kıyasla, CO2/N2 ve CO2/CH4 seçiciliklerinde daha yüksek artış görülmüştür. Sonuçlar, MIL-53(Al)'nin IL/MOF kompozitleri için çok yönlü bir platform olduğunu ve herhangi bir hedef gaz ayırma uygulaması için yeni kompozitlerin rasyonel tasarımını potansiyel olarak yönlendirebileceğini göstermiştir. İkinci bölümde, yüksek performans gösteren IL/MIL-53(Al) kompozitleri arasında tek hidrofobik IL olan [BMIM][PF6], MIL-53(Al)'ye dahil edildi ve metilen mavisi (MB) ve metil turuncusu (MO) boyalarının sulu çözeltilerinden çıkarılması için incelendi. [BMIM][PF6]/MIL-53(Al), sadece 1 dakikada %82.3 MB tutarken, aynı sürede MIL-53(Al) %23.3 MB ayırma performansı gösterdi. 3 saat içerisinde, [BMIM][PF6]/MIL-53(Al) neredeyse tamamen (>%99) her iki boyayı da sulu çözeltilerinden uzaklaştırdı, ancak saf MIL-53(Al) %74.7 oranında MB ve %53.6 MO temizleme verimi gösterdi. IL dahil edildikten sonra MIL-53(Al)'nin maksimum adsorpsiyon kapasitesi, MB (MO) için 84.5 (44) mg/g'dan 204.9 (60) mg/g'a yükseldi. Her iki boyanın adsorpsiyonundan sonra, [BMIM][PF6]/MIL-53(Al) en az dört kez başarılı bir şekilde yenilenebildi. Sonuçlar, MOF'lara IL dahil edilmesinin hem gaz ayırma hem de su arıtma performanslarını iyileştirebileceğini ortaya koymaktadır. IL'nin yapısı (küçük veya büyük) ve IL'nin etkileşime girmeyi tercih ettiği MOF bölgesi (metal kümesi veya organic bağlayıcı kısım), IL/MOF kompozitlerinin gaz ayrılması ve su arıtma performansı üzerinde önemli bir rol oynar. Bu tezin sonuçları ışığında, sonsuz sayıda IL/MOF kompozitleri oluşturma olasılığı ile IL/MOF kompozitlerin gaz ayrıştırma ve su arıtma performansları daha da detaylı araştırılabilir.
Özet (Çeviri)
Porous materials are intensely investigated for the purposes of gas separation and water purification. Metal-organic frameworks (MOFs) are new class of porous solids. Owing to their excellent properties, such as high surface areas, customizable chemistry, and thermal and chemical stabilities, they showed very promising results for different applications. A recent approach for post-synthesis modification of MOFs is combining them with ionic liquids (ILs), which also have outstanding properties. In the first part of this thesis study, five different imidazolium ILs were incorporated into a MOF (MIL-53(Al)) to investigate the effect of IL incorporation on the CO2 separation performance of MIL-53(Al). CO2, CH4, and N2 adsorption isotherms of IL/MIL-53(Al) composites and pristine MIL-53(Al) were measured to evaluate their CO2/CH4 and CO2/N2 selectivities based on the IL structure. [BMIM][PF6]/MIL-53(Al) composite showed the highest improvement for CO2/CH4 selectivity, 2.8-times higher selectivity than the pristine MIL-53(Al) offers whereas [BMIM][MeSO4]/MIL-53(Al) composite showed 3.3-times higher CO2/N2 selectivity than that of the pristine MIL-53(Al). Incorporation of ILs with small anions, rather than bulky anions, into MIL-53(Al) enables us to have a versatile platform for CO2 separation. Comparison of CO2 separation performances of IL/MOF composites illustrated that both [BMIM][BF4] and [BMIM][PF6]-incorporated MIL-53(Al) showed higher increase in CO2/N2 and CO2/CH4 selectivities between 1-5 bar compared to composites made of CuBTC and ZIF-8 with the same ILs. Results presented MIL-53(Al) as a versatile platform for IL/MOF composites and can potentially guide the rational design of new composites for any target gas separation application. In the second part, [BMIM][PF6], which was the only hydrophobic IL among the top performer IL/MIL-53(Al) composites, was incorporated into MIL-53(Al) and examined for the removal of methylene blue (MB) and methyl orange (MO) dyes from their aqueous solutions. [BMIM][PF6]/MIL-53(Al) achieved 82.3% MB removal in only 1 min, while MIL-53(Al) did 23.3% MB removal in the same time period. In only 3 h of dye adsorption, [BMIM][PF6]/MIL-53(Al) almost completely (>99%) removed both dyes from their aqueous solution, while the pristine MIL-53(Al) were removing only 74.7% of MB, and 53.6% of MO. Upon IL incorporation, the maximum adsorption capacity of MIL-53(Al) increased from 84.5 (44) mg/g to 204.9 (60) mg/g for MB (MO). After the adsorption of both dyes, [BMIM][PF6]/MIL-53(Al) was successfully regenerated for at least four cycles. The results reveal that IL incorporation into MOFs can improve both their gas separation, and water purification performances. The structure of IL (small or bulky), and the region of the MOF (metal cluster or the organic linker part) where IL prefers to interact play a significant role on the gas separation and water purification performances of IL/MOF composites. In the light of the results of this thesis, gas separation and water purification performances of IL/MOF composites can be further investigated with the infinite number of possibilities of the IL-MOF pairs.
Benzer Tezler
- Computational and experimental investigation of CH4 adsorption in pure and ionic liquid incorporated metal organic frameworks
Saf ve iyonik sıvı i̇çerikli metal organik kafesli yapılarda CH4 adsorpsiyonunun deneysel ve hesaplamalı olarak i̇ncelenmesi
KUTAY BERK SEZGİNEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Kimya MühendisliğiKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDA KESKİN AVCI
YRD. DOÇ. DR. ALPER UZUN
- Bor minerallerinin elektrostatik ve elektrokinetik özellikleri
Electrostatic and electrokinetic properties of boron minerals
EMRE YAŞAR
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. YALÇIN KAYTAZ
- İyonik sıvıların selüloz çözündürme özelliğinin kimyasal yapı ile ilişkisinin incelenmesi
Investigation of the relationship of ionic liquid's cellulose solving properties with chemical structure
ÇAĞLA KESKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Kimya MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MAHMUT RAHİM BAYRAMOĞLU
- Karboksilik asitlerin sulu çözeltilerden reaktif ekstraksiyon ile ayrılmasında iyonik sıvıların etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of ionic liquids on the seperation of carboxylic acids by reactive extraction from aqueous solutions
HİLAL METE
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Kimya Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YAVUZ SELİM AŞÇI
- Batarya elektrolit materyali ve optoelektronik aygıt olarak iyonik sıvıların yapısal özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the structural properties of ionic liquids as battery electrolyte material and optoelectronic device
KÜRŞAT ARDUÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
EnerjiSinop ÜniversitesiDisiplinlerarası Nükleer Enerji ve Enerji Sistemleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KARAKAYA