Membrane based separation techniques have been widely used and developed over decades. Generally polymeric membranes are used in membrane based gas separation; however their gas separation performances are not sufficient enough for industrial feasibility. On the other hand inorganic membranes have good separation performance but they have processing difficulties. As a consequence mixed matrix membranes (MMMs) which comprise of inorganic particles dispersed in organic matrices are developed. Moreover, to enhance the interaction between polymer and zeolite particles ternary mixed matrix membranes are introduced by using low molecular weight additives as third component and promising results were obtained at 35 °C. Better understanding on gas transport mechanism of these membranes could be achieved by studying the effect of preparation and operating parameters.This study investigates the effect of operation temperature and annealing time and temperature on gas separation performance of MMMs. The membranes used in this study consist of glassy polyethersulfone (PES) polymer, SAPO-34 particles and 2- hidroxy 5-methyl aniline (HMA) as compatibilizer. The membranes fabricated in previous study were used and some membranes were used as synthesized while post annealing (at 120°C, 0.2atm, N2 atm, 7-30 days) applied to some membranes before they are tested. The temperature dependent gas transport properties of the membranes were characterized by single gas permeation measurements of H2, CO2, and CH4 gases between 35 °C-120 °C. The membranes also characterized by scanning electron microscopy (SEM), thermal gravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC).Annealing time and temperature affected the reproducibility and stability of the mixed matrix membranes and by applying post annealing step to mixed matrix membranes at higher temperatures and longer times, more stable membranes were obtained. For pure PES membranes thermally stable performances were obtained without any need of extra treatment.The permeabilities of all studied gases increased with increasing operation temperature. Also the selectivities of H2/CO2 were increased while CO2/CH4, H2/CH4 selectivities were decreased with temperature. The best separation performance belongs to PES/SAPO-34/HMA mixed matrix membrane at each temperature. When the temperature increased from 35 °C to 120 °C H2/CO2 selectivity for PES/SAPO-34/HMA membrane was increased from 3.2 to 4.6 and H2 permeability increased from 8 Barrer to 26.50 Barrer. This results show that for H2/CO2 separation working at higher temperatures will be more advantageous. The activation energies were found in the order of; CH4 > H2> CO2 for all types of membranes. Activation energies were in the same order of magnitude for all membranes but the PES/SAPO-34 membrane activation energies were slightly lower than PES membrane. Furthermore, PES/SAPO-34/HMA membrane has activation energies higher than PES/SAPO-34 membrane and is very close to pure membrane which shows that HMA acts as a compatibilizer between two phases.

Membranlı ayırım teknikleri uzun yıllardır yaygın bir şekilde kullanılmakta ve geliştirilmektedir. Genellikle gaz ayırım membranı olarak polimerik membranlar kullanılırlar ancak polimerik membranların gaz ayırım performansları endüstriyel uygulanabilirlik için yeterli değildir. Buna karşın inorganik membranların yüksek gaz ayırım performansları vardır ancak onların da işletim zorlukları vardır. Bu nedenle inorganik parçacıkların polimer matrise dağılmasından oluşan karışık matrisli membranlar geliştirilmiştir. Bunlara ek olarak polimer ve zeolit arasındaki etkileşimi zenginleştirmek için üçüncü bir bileşen olarak düşük molekül ağırlıklı uyumlaştırıcıların kullanıldığı üçlü karışık matrisli membranlar ortaya çıkmış ve 35 °C'de ümit vaat edici sonuçlar elde edilmiştir. Bu membranların gaz geçiş mekanizmasına daha iyi bir anlayış, hazırlanış ve işletim koşullarının incelenmesiyle elde edilebilir.Bu çalışmada işletim sıcaklığının ve tavlama süresi ile sıcaklığının karışık matrisli membranların performansına etkisi incelenmiştir. Kullanılan karışım polimer olarak camsı polietersulfon (PES), zeolit olarak SAPO-34 ve uyumlaştırıcı olarak 2- hidroksi-5-metil anilin (HMA)'den oluşmaktadırlar. Önceki çalışmada üretilen membranlar kullanılmıştır ve bazı membranlar sentezlendiği halde kullanılırken, bazı membranlara test edilmeden önce son tavlama işlemi uygulanmıştır (120°C, 0.2 atm., N2 atm., 7-30 gün). Membranların sıcaklığa bağlı gaz geçirme özellikleri H2, CO2 ve CH4 gazlarının 35 °C- 120 °C arasında tek gaz geçirgenliklerinin ölçülmesiyle karakterize edilmiştir. Membranlar ayrıca taramalı elektron mikroskobu (SEM), diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ve termal gravimetrik analiz (TGA) ile de karakterize edilmişlerdir.Tavlama süresi ve sıcaklığı karışık matrisli membranların tekrarlanabilirliklerini ve kararlılıklarını etkilemiştir ve son tavlama işleminin karışık matrisli membranlara daha yüksek sıcaklıklarda ve daha uzun sürelerde uygulanması ile daha kararlı membranlar elde edilmiştir. Saf PES membranlarda ise ek bir işleme gerek kalmadan kararlı performanslar elde edilmiştir.Çalışılan tüm gazların geçirgenlikleri işletim sıcaklığının artması ile artmıştır. Ayrıca sıcaklıkla H2/CO2 seçiciliği artmış, CO2/CH4, H2/CH4 seçicilikleri ise düşmüştür. Tüm sıcaklıklarda en iyi gaz ayırım performansı PES/SAPO-34/HMA karışık matrisli membranlara aittir. Sıcaklık 35 °C'den 120 °C'ye çıkarıldığında PES/SAPO-34/HMA üçlü karışık matrisli membranın H2/CO2 ideal seçicilik değeri 3.2'den 4.6'ya yükselmiş ve H2 geçirgenlik değeri 8 Barrer`dan 26.50 Barrer'a yükselmiştir. Bu sonuçlar H2/CO2 ayırımı için yüksek sıcaklıklarda çalışmanın daha avantajlı olacağını göstermektedir. Aktivasyon enerjileri tüm membranlarda şu sırada bulunmuştur; CH4 > H2> CO2. Tüm membranların aktivasyon enerjileri aynı mertebededir ancak PES/SAPO-34 membranın aktivasyon enerjisi PES membrandan daha düşüktür. Ayrıca PES/SAPO-34/HMA membranın aktivasyon enerjisi PES/SAPO-34 membranından yüksek ve PES membranına yakındır bu da HMA'nın iki faz arasında uyumlaştırıcı görevi yaptığını göstermektedir.