Membran Yöntemini Kullanarak Metan-Karbondioksit Gaz Karışımından Metanın Ayrıştırılması

Abstract

Doğal gaz veya biogazdan karbondioksitin ayrıştırılması bu gazlarınsaflaştırılmasında en önemli ve en masraflı işlemdir. Küçük hacimli olmaları, düşük gazakım hızlarında çalışabilmeleri ve işletme masraflarının düşük olması nedeniylemembran yöntemi gaz ayrıştırma işlemlerinde tercih edilen bir yöntem olmaktadır.Fakat seçiciliğinin düşük olması bu yöntemin en önemli dezavantajıdır. Bu çalışmadaolduğu gibi bütün dünyada çalışmalar seçiciliği ve geçirgenliği yüksek membran üretmeüzerinde yoğunlaşmaktadır.Bu çalışmada biogazın ana bileşenleri olan CH4 ve CO2'in membran yöntemiylebirbirinden ayrıştırılması amacıyla saf ve kompozit nonporoz polimerik membranlarüretilmiş ve test edilmiştir. Saf poliimid (PI) içine zeolit 3A, 4A, 5A ve 13Xkarıştırılarak kompozit membranlar hazırlanmıştır. Farklı tavlama sıcaklıklarının (150,200 ve 230 oC), farklı zeolit oranlarının (%15, %20 ve %30) ve farklı basınçların (3, 5ve 8 bar) membranların geçirgenliği ve seçiciliği üzerine etkisi incelenmiştir.Polieterimid (PI)-zeolit karışımı membranlar yapılarındaki mikrogözeneklerden dolayıgaz ayrımı için uygun bulunmamıştır.Çalışmalar neticesinde 70 oC lık çözücü uçurma sıcaklığı ve 500 mmHg lıkortam basıncı, saf polimerler için 500 µm ve kompozit membranlar için 700 µm'likkalınlıklar, 230 oC'lık membran tavlama sıcaklığı ve 3 bar'lık gaz basıncı değerleri enuygun gaz ayrımı şartları olarak belirlenmiştir. Bu optimum şartlarda PI ve PEI'in CO2geçirgenlikleri sırasıyla 4.437 Barrer ve 0.911 Barrer, CH4 geçirgenlikleri sırasıyla0.141 Barrer ve 0.051 Barrer ve CH4/CO2 seçicilikleri 31.5 ve 17.5 olmuştur. Aynıoptimum şartlarda PI+%30 Zeolit 4A kompozit membranının CO2/CH4 seçiciliği 22olmuştur.Anahtar kelimeler: Membran gaz ayrımı, CO2/CH4 ayırımı, Metan saflaştırmaSeparation of CO2 from natural and bio gases is the most important and the mostexpensive process in their purification. Membrane procesess are preferred in gasseparation because they have a compact structure, work in low gas flow trates and needlower operation costs. Low separation characteristics are their disadvantages. As in thisstudy, all scientific studies are consantrated on the preparation of high permeable andselective membranes in the world.In this study, pure nonporous and composite nonporous polymeric membraneshave been prepared and tested in order to separate CO2 and CH4 that are mainconstituents of biogas. Composite membrane have been prepared by ading zeolite 3A,4A, 5A and 13X into polyimide (PI). The effect of different annealing temperature (150,200 and 230 oC), different zeolite ratio (15%, 20% and 30%) and different pressure (3, 5and 8Bar) on membrane separation and permeation have been investigated. Themembranes prepared by mixing zeolite with polyetherimide (PEI) have not been foundappropriate for gas separation because of the microvoids in their structure.Experimental results showed that solvent evaporation temperature of 70 oC,surround pressure of 500 mmHg, membrane thickness of 500 µm for pure polymeric700 µm for composite membranes, membrane annealing temparature of 230 oC and gaspressure of 3 bar are found suitable gas separation conditions. At these optimumconditions, permeability of PI and PEI for CO2 have found 4.437 Barrer ve 0.911 Barrerrespectively, permeability of PI and PEI for CH4 have found 0.141 Barrer ve 0.051Barrer respectively and CO2/CH4 selectivity of PI and PEI have found as 31.5 and 17.5respectively. At the same optimum conditions, selectivity of composite membranemanufactured by PI+30% zeolite 4A was 22.Key words : Membrane gas separation, CO2/CH4 separation, methane purification.