Membrane based separation processes have great potential of acquiring a significant role in the gas separation processes in the coming future. In this study, the effect of the particle size of ZIF-8 on the gas separation performance of PES/pNA/ZIF-8 mixed matrix membranes (MMMs) was investigated. MMMs were prepared by solvent evaporation method, and polyethersulfone (PES) was used as the polymer, p-nitro aniline (pNA) as the low molecular weight additive and Zeolitic Imidazolate Framework-8 (ZIF-8) as filler material.Various particle sizes of ZIF-8 crystals were synthesized by using 1 hour stirring method at room temperature. ZIF-8s with particle sizes of 65, 144 and 262 nm were synthesized by using different MeOH/Zn+2 molar ratios. Recycling of the mother liquor method was used to synthesize ZIF-8s with particle sizes of 14 and 23 nm. Synthesized ZIF-8 crystals were characterized by X-ray diffractometer, nitrogen adsorption/desorption (BET), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM).PES/pNA/ZIF-8 MMMs with two different ZIF-8 loadings for varying particle sizes were also investigated to understand the combined effect of particle size and loading. The single gas permeation performances of the MMMs were determined for H2, CO2 and CH4 gases at feed pressures of 3 bar. Also, the single gas permeabilities of the selected PES/pNA(4%)/ZIF-8(10%, 23 nm) MMM were measured at feed pressures of 6, 10, 12 and 15 bar in order to investigate the effect of the feed pressure on the separation performance. The binary gas separation performances of selected MMM were also investigated with CO2/CH4 mixtures for different feed gas compositions at feed pressures of 3 and 10 bar. Moreover, MMMs were characterized by scanning electron microscopy (SEM) analysis. The single gas permeabilities of all gases and ideal selectivities for all gas pairs of 10% (wt/wt) ZIF-8 loaded PES/pNA(4%)/ZIF-8 MMMs increased with decreasing particle sizes of ZIF-8 except for 14 nm ZIF-8 loaded membrane. Also, the single gas permeabilities increased significantly when the loading amount of ZIF-8 rose from 10% to 20% (wt/wt). For the 20% (wt/wt) ZIF-8 loaded PES/pNA(4%)/ZIF-8 MMMs, the single gas permeabilities had an descending trend when the particle sizes of ZIF-8s were increasing; however, the ideal selectivities increased. A significant improvement was obtained in permeabilities and ideal selectivities by using the particle size of 23 nm ZIF-8 loaded PES/pNA(4%)/ZIF-8(10%) MMM. The single gas permeations of the selected MMM were measured with increasing feed pressure from 3 bar to 15 bar. The H2 permeability was not affected by changing feed pressure and might be said as pressure independent. However, the CO2 and CH4 permeabilities decreased with increasing feed pressure. Also, the ideal selectivity of H2/CH4 pair showed the highest selectivity improvement when the feed pressure increased from 3 bar to 15 bar. It was observed that selected MMM had good gas separation performance at high pressure conditions. The binary gas separation performance of the selected MMM showed that the separation factors of CO2/CH4 pair remained nearly constant with increasing feed composition of CO2 at 3 bar, and it was similar to ideal selectivity. Also, the separation factors at 10 bar had two types of behavior according to CO2 composition of the feed. The behavior of separation factors at 10 bar had similar behavior at 3 bar until the feed was 22.5 % CO2 in the first section. However, the separation factors at 10 bar were higher than the ideal selectivity when the CO2 composition of the feed was more than 22.5% in the second section.

Membran bazlı ayırma prosesleri ilerleyen yıllarda gaz ayırma proseslerinde önemli bir rol elde edebilecek potansiyele sahiptirler. Bu çalışmada ZIF-8 partikül boyutunun PES/pNA/ZIF-8 karışık matrisli membranların ayırma performanslarına etkisi incelenmiştir. Karışık matrisli membranlar çözücü buharlaştırma yöntemiyle hazırlanmıştır. Bu çalışmada polimer olarak polietersülfon (PES), düşük molekül ağırlıklı uyumlaştırıcı olarak p-nitro anilin (pNA) ve dolgu malzemesi olarak Zeolitik Imidazolat Kafes-8 (ZIF-8) kullanılmıştır.Farklı partikül boyutlarında ZIF-8 kristalleri 1 saatlik karıştırma yöntemi kullanılarak oda sıcaklığında sentezlenmiştir. 65, 144 ve 262 nm partikül boyutlarındaki ZIF-8 kristalleri farklı MeOH/Zn+2 molar oranları kullanılarak sentezlenmiştir. Ayrıca ana çözeltinin geri dönüşüm metodu kullanılarak 14 ve 23 nm partikül boyutlarında ZIF-8 kristalleri elde edilmiştir. Sentezlenen farklı partikül boyutlarındaki ZIF-8 kristalleri X-ray ışınım kırınımı (XRD), azot adsorpsiyon/desorpsiyon (BET), taramalı elektron mikroskobu (SEM), geçirimli elektron mikroskobu (TEM) ile karakterize edilmişlerdir. Farklı partikül boyutlarındaki ZIF-8 kristallerinin yükleme miktarı ile birlikte gaz ayırma performansına etkisinin araştırılması için PES/pNA/ZIF-8 karışık matrisli membranları hazırlanmıştır. Hazırlanan membranlar ağırlıkça %4 pNA ve farklı partikül boyutlarındaki ZIF-8 kristallerinden (14 ile 262 nm aralığında) ağırlıkça %10 ve %20 miktarlarda eklenmiştir. Karışık matrisli membranların tekli gaz geçirgenlik performansları 3 bar besleme basıncında H2, CO2 ve CH4 gazları ile belirlenmiştir. Ayrıca besleme basıncının ayırma performansına etkisini incelemek amacıyla seçilen PES/pNA(4%)/ZIF-8(10%, 23 nm) karışık matrisli membranı 6, 10, 12, 15 bar besleme basınçlarında tekli gaz geçirgenlikleri ölçülmüştür. Seçilen karışık matrisli membranın 3 ve 10 bar besleme basınçlarında ve farklı besleme kompozisyonlarında CO2/CH4 gaz çifti için ikili gaz ayırma performansı incelenmiştir. Ayrıca sentezlenen karışık matrisli membranlar SEM analizi ile karakterize edilmişlerdir. Hazırlanan ağırlıkça %10 ZIF-8 içeren PES/pNA(%4)/ZIF-8 membranlarının tüm gazlar için geçirgenlik ve tüm gaz çiftleri için ideal seçicilik değerleri kullanılan ZIF-8' in partikül boyutunun azaldıkça arttığı görülmüştür. 14 nm ZIF-8 kullanılarak hazırlanan membran bu trendin içinde yer almamaktadır. Ayrıca eklenen ZIF-8 miktarı ağırlıkça %10'dan %20'ye arttığında tekli gaz geçirgenlik değerleri önemli derecede artmıştır. Ağırlıkça %20 ZIF-8 içeren PES/pNA(%4)/ZIF-8 membranlarının eklenen ZIF-8 partikül boyutu arttıkça tekli gaz geçirgenlik değerlerinde azalan bir trend görülmüştür. Fakat ideal seçicilik değerlerinde ise artış olmuştur. Tekli gaz geçirgenliği ve ideal seçicilik değerlerindeki en önemli miktarda artış 23 nm partikül boyutunda ağırlıkça %10 miktarında ZIF-8 kullanılarak hazırlanan membranda olduğu belirlenmiştir. Seçilen PES/pNA(%4)/ZIF-8(%10, 23 nm) membranı kullanılarak 3 bar ile 15 bar besleme basınç aralığında tekli gaz geçirgenlikleri ölçülmüştür. H2 geçirgenliği besleme basıncının değişiminden etkilenmemiştir ve basınçtan bağımsız olduğu söylenebilir. Ancak CO2 ve CH4 geçirgenlikleri besleme basıncının etkisi ile azalmıştır. Seçilen PES/pNA(%4)/ZIF-8(%10, 23 nm) membranının yüksek basınç koşullarında yüksek gaz ayırma performansına sahip olduğu görülmüştür. Seçilen membranın ikili CO2/CH4 gaz ayırma performansı sonucunda 3 bar besleme basıncı geçirgenliğinde elde edilen ayrım seçiciliği değeri ile ideal seçicilik değerinin benzer olduğu görülmüştür. Ayrıca 10 bar besleme basıncında yürütülen geçirgenlik ölçümünde beslemedeki CO2 kompozisyonuna bağlı olarak iki farklı davranış gözlenmiştir. İlk aşamada 10 bar besleme basıncındaki geçirgenlik ölçümünde ayrım seçiciliği değerleri 3 bar besleme basıncındaki ayrım seçiciliği değerlerine benzer değerlere sahiptirler. Fakat ikinci aşamada beslemedeki CO2 kompozisyonu %22.5 oranından fazla olduğunda 10 bar besleme basıncındaki ayrım seçicilik değerleri ideal seçicilik değerlerinden yüksek davranış göstermişlerdir.