Metal organik ağ yapılarının (MOF) sentezlenmesi ve metan reformer çıkış gazının saflaştırılması için kullanılması

Abstract

Bu projede metal organik ağ yapısına sahip çinko, titan, alüminyum ve bakır temelli tereftalatlar (sırası ile Zn-TPA, Al-TPA, Ti-TPA ve Al-TPA) başarı ile sentezlenmiştir. Karakterizasyon yöntemlerinden XRD ve yüzey alanı ölçümü sonuçlarının belirleyici olduğu MOF sentezinde, kristalizasyon basamağında Metal+TPA/çözücü veya Metal/TPA oranının, yıkama basamağında ise DMF’ nin gözeneklerde kalan TPA’ nın uzaklaştırılmasında etkili olduğu, DMF’ nin de MetOH ile yapıdan uzaklaştırılabileceği sonucuna varılmıştır. Sentezlenen MOF’ lardan en yüksek yüzey alanına sahip MOF seçilerek CO2, CO, H2 ve CH4 gazlarının tekli ve ikili adsorpsiyon çalışmaları yapılmıştır. ZLC (zero lenght column) tekniği kullanılarak 34oC, 70oC ve 100oC çalışma sıcaklıklarında belirlenen CO2, CO, H2 ve CH4 gazlarının difüzyon zaman sabitleri sıcaklıkla artarken Henry katsayıları düşmüştür. CO gazının seçilen MOF örnekleri üzerinde en yüksek Henry katsayısına ve adsorpsiyon ısısına (-13 kJ/mol) sahip olduğu görülmüştür. En küçük molekül olan H2 ise en yüksek difüzyon zaman sabitine sahiptir. Hidrojence zengin metan reformer çıkış gazının içeriğinde bulunan CO2, CO ve CH4 bileşenlerinin dolgulu kolonda eş molar CO2/H2, CO/H2, CH4/H2 ve CO2/CH4 ikili gaz karışımları ve Helyum gazının taşıyıcı olduğu saf bileşenlerinin adsorpsiyon çalışmalarından oluşmaktadır. Gazların dolgulu kolon salıverme eğrileri 1, 5, ve 10 bar basınçlarda değişen akış hızlarında (10 mL/dk 20 mL/dk ve 30 mL/dk) elde edilmiştir. Kolon basıncı ve gaz akış hızı arttıkça Cu-TPA, Ti-TPA, Zn-TPA ve Al-TPA MOF yapıları tarafından adsorplanan gaz miktarlarının arttığı gözlenmiştir. Tamamlanan çalışmalar sonucunda adsorpsiyon sistemine dayalı gaz ayırma/saflaştırma süreçlerinin iyileştirilmesinde ve geliştirilmesinde önemli faktörlerden olan adsorplanan madde miktarı ile seçicilik katsayıları hesaplanmıştır. En yüksek yüzey alanına (1270 m2/g) ve mikro gözenek hacmine (0.68 cm3/g) sahip Al-TPA’ nın en yüksek adsorpsiyon kapasitesine sahip olduğu; CO2 gazının en fazla tutulan bileşen (3.36 mmol/g Al-TPA) iken H2 gazı sentezlenen MOF yapıları tarafından tutulmadığı olduğu sonucuna varılmıştır. Kolon basıncı ve akış hızı arttıkça seçicilik artmakla beraber basıncın gaz seçiciliğinde daha önemli olduğu gözlenmiştir. Bu proje kapsamında başarı ile sentezlenen MOF yapılarının, CO2 gazını seçimli olarak adsorplarken H2 gazını adsorplamaması, metan reformer çıkış gazının saflaştırılmasında kullanımı umut vaat etmektedir.