52 SU VE ÇEVRE TEKNOLOJİLERİ • 07 / 2025 MAKALE laştırma, biyogaz yükseltme, olefin/ parafin ayrıştırma, petrokimya endüstrisi uygulamaları, uçucu organik buhar geri kazanımı ve nem alma gibi çok çeşitli uygulamalar için tasarlanmıştır. Ayrıca, fosil yakıt yakma tesislerinden CO2 yakalama da bu uygulamalar arasındadır. Membran bazlı süreçler, gaz ayırma ve saflaştırmada enerji açısından verimlidir. Bunun sonucunda, saflaştırılmış veya yükseltilmiş gazlar (örneğin, sentez gazı, doğal gaz ve biyogaz) enerji üretimi için kullanılan güç tesislerinin verimliliğini artırabilir. Membranların enerji üretimiyle olan ilişkisi oldukça güçlüdür. Ayrıca, bu membranlar oksijenle zenginleştirilmiş hava üretiminde de kullanılabilir, bu da bir fırın veya motorun yakıt ısı verimliliğini artırmak için faydalıdır. Böylece, daha fazla enerji veya elektrik, güç tesisleri ve/veya yanma motorları ile üretilebilir (Liang vd., 2019). Membran gaz ayırma pazarlarını genişletmek için pek çok fırsat bulunmaktadır. Ancak bazı durumlarda, mevcut membran malzemeleri, konfigürasyonları ve hazırlama yöntemleri bu yeni alanlardan tam anlamıyla yararlanmak için yeterli değildir. Zamanla, bu alanda çeşitli malzemeler üzerinde araştırmalar yapılmış ve farklı gelişmeler kaydedilmiştir. Araştırmaların büyük bir kısmı, yeni malzemelerin incelenmesine ve hem daha yüksek seçicilik hem de belirli gazlara karşı geçirgenlik sunan yeni membran yapıların geliştirilmesine odaklanmaktadır (Bernardo vd., 2009). Gaz ayırma, üç temel taşıma mekanizmasından birine dayanan membranlar kullanılarak gerçekleştirilebilir: Knudsen difüzyonu, moleküler eleme ve çözelti-difüzyonu. Knudsen difüzyonu, boyutu 0,1 μmm’den küçük olan ve gözenek çapı gaz moleküllerinin ortalama serbest yolu ile aynı boyutta veya daha küçük olan gözeneklerde meydana gelir. Bu durumda, gaz molekülleri gözenek duvarlarıyla birbirlerinden çok daha sık etkileşime girer. Düşük molekül ağırlıklı gazlar, daha ağır olanlara göre daha hızlı yayılır ve ayrılma bu şekilde gerc ekleşir. Bir bileşenin tercihli adsorpsiyonunun olduğu durumlarda yüksek seçicilik elde edilebilir. Moleküler eleme, farklı boyutlardaki moleküllerin ayrılmasında potansiyel olarak yararlıdır; gözenekler yeterince küçük olduğunda, büyük moleküller geçemez ve membranın dışında kalır. Çözelti-difüzyonu, seçici polimer katmanları aracılığıyla gerçekleşir ve sadece mevcut ticari cihazlarda kullanılmaktadır. Çözelti-difüzyon mekanizmasının üç aşamadan oluştuğu düşünülmektedir: (a) yukarı akış sınırındaki absorpsiyon, (b) membran boyunca aktif difüzyon (çözünürlük) ve (c) diğer tarafta desorpsiyon veya buharlaşma. Bu mekanizma, membranın yukarı ve aşağı fazlarında mevcut olan termodinamik aktivitelerdeki farklılıklar ve ayrıca membran malzemesini oluşturan moleküller ile nüfuz eden moleküller arasındaki etkileşim kuvvetleri tarafından yönlendirilir. Çözünürlükteki farklılıklar, membran malzemesinin nüfuz eden türlerle olan moleküler düzeydeki etkileşimlerindeki değişikliklerden kaynaklanır. Bu farklılıklar, membranlardan yayılan malzeme miktarını etkiler ve bu sayede farklı süzüntüler arasında bir ayırma sağlanır (Murali vd., 2013). Membran üretimi için çok çeşitli malzemeler kullanılır. Metaller, moleküler elekler, polimerler ve camlar en yaygın kullanılan malzemelerdir. Malzemelerin çeşitliliği, membranların hava ayırma, hidrojen geri kazanımı, doğal gaz işleme ve hafif gaz ayırma dahil olmak üzere çok çeşitli endüstriyel ayırma proseslerinde uygulanabilir olmasını sağlar. İnorganik membranların (örneğin, silika, zeolitler vb.) ve karbon bazlı moleküler eleklerin geliştirilmesi özellikle ilginçtir çünkü bu malzemeler agresif kimyasallara ve yüksek sıcaklıklara dayanabilirler. Ancak, bu malzemelerin bazı dezavantajları da vardır. Yüksek maliyet, orta derecede tekrarlanabilirlik, kırılganlık, düşük membran alanı/ modül hacmi oranı ve düşük geçirgenlik başlıca dezavantajlarıdır (Bernardo vd., 2009). İnorganik membranların büyük ölçekli uygulamaları için kusursuz/hatasız (defect-free) membran hazırlama diğer dezavantajıdır. Malzeme bilimciler, metallerden plastiğe kadar birçok malzeme üzerinde çalışmaya devam ederek, yeni malzemelerin yaratılmasına ve mevcut malzemelerin mukavemet, hafiflik, işlenebilirlik ve dayanıklılık gibi özelliklerinin iyileştirilmesine büyük önem vermektedir. 20. yüzyılda yüksek performanslı polimerlerin ortaya çıkışı, malzeme bilimi açısından bir dönüm Şekil 2. Gaz ayırmaya yönelik mekanizmalar (Murali vd., 2013)
RkJQdWJsaXNoZXIy MTcyMTY=