Fabrication and characterization of polyvinylidene fluoride based hollow fiber ultrafiltration membranes blended with nanoparticles
Nanoparçacık katkılı poliviniliden florür esaslı delikli elyaf ultrafiltrasyon membranlarının üretimi ve karakterizasyonu
- Tez No: 505745
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. BUĞRA ÇİÇEK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 155
Özet
Su arıtma ve atık su geri kazanımının artan önemi ile birlikte içme suyu ve musluk suyu elde edilmesinde membran proseslerinin kullanılması dünyaya hızla yayılmaktadır. Poliviniliden florür (PVDF) membranlar, yüksek mekanik dayanım, termal kararlılık ve kimyasal direnç gibi üstün özellikleri sayesinde ultrafiltrasyon (UF) membranlarında yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Buna rağmen, PVDF membranlar hidrofobik özelliğinin yüksek olmasından dolayı biyolojik kirlenmeye karşı hassas olabilmektedirler. Bu nedenle, membranlara kirlenme karşıtı özellik (antifouling) kazandırmak, geçirgenlik, ayırma performansı ve mekanik özelliklerini iyileştirmek amacıyla çeşitli hidrofilik modifikasyon yöntemleri kullanılmaktadır. Nanoparçacıklar ile karıştırma tekniği, antifouling membranların büyük ölçekli üretime uyarlanmasında pratik bir yol olarak düşünülmektedir. Bu çalışmada, nanoparçacıkların yüzey enerjisini azaltarak PVDF matriks içerisindeki dağılımını arttırmak amacıyla halloysit nanotüpler (HNT) ve hegzagonal bor nitrür (h- BN) nanoparçacıklar 3-Aminopropiltrietoksisilan (APTES) ile fonksiyonlandırılmıştır. Nanoparçacıkların membran morfolojisi ve performansı üzerindeki etkilerini incelemek amacıyla farklı konsantrasyonlarda nanokatkı (0, 0.2, 0.4, 0.6 wt.%) içeren pilot ölçekli PVDF esaslı delikli elyaf (hollow fiber) UF membranları kuru-ıslak çekme yöntemiyle üretilmiştir. Membranların gözenek boyutu, hidrofilik özelliği, mekanik dayanımı, saf su geçirgenliği ve molekül ağırlığı ayırma sınırı (MWCO) gibi özellikleri incelenmiştir. Fourier dönüşüm kızılötesi (FT-IR) ve termogravimetrik analiz (TGA) sonuçları, nanoparçacıkların yüzeyine APTES'in başarıyla aşılandığını göstermiştir. Bununla birlikte, silan ajanlarının HNT'nin kristal yapısına etkisini incelemek amacıyla toz X-ışını kırınımı (XRD) ölçümleri yapılmıştır. Geliştirilen delikli elyaf membranların morfolojileri ve gözenek boyut dağılımları taramalı elektron mikroskopu (SEM) ile karakterize edilmiştir. SEM görüntülerine göre, membran içerisine HNT ve h-BN ilavesi ile polimer çözeltilerinin viskozite artışına bağlı olarak makroboşluk oluşumu ortadan kaldırıldığı görülmüştür. PVDF hollow fiber membranların hidrofilikliği, nanoparçacıkların silan modifikasyonu ile membran yüzey enerjisindeki değişime bağlı olarak A-HNT ve A-hBN'in ilavesi ile önemli ölçüde geliştirilmiştir. Filtrasyon deneyleri sonucunda, nanoparçacıkların artışı ile saf su geçirgenlik değeri membranın hidrofilisitesi ve gözenekliğine bağlı olarak giderek artmıştır. 0.6 A-HNT ve 0.4 A-hBN, maksimum değerlerini sırasıyla 639 ve 674 L/m2.h.bar elde etmiş ve standart membrana kıyasla %62 ve %70 oranında artmıştır. Ayrıca, standart PVDF membranın temas açısı düşürülerek hidrofilikliğindeki artışa uygun olarak membrana antifouling özellik kazandırılmıştır. Bu tez çalışmasında, basınç ile çalışan membran proseslerinde ilk defa h-BN kullanılmıştır. HNT ve h-BN ilavesi ile modifiye edilmiş membranların temas açısı düşürülerek hidrofilikliğin, geçirgenliğin ve kirlenme direncinin geliştirildiği sonucuna varılmıştır. Bu sonuçlar, inorganik nanoparçacıkların membran performansı üzerindeki etkilerini gösteren önceki çalışmalarla uyumludur.
Özet (Çeviri)
With the increasing importance of water treatment and wastewater recovery, the use of membrane processes to obtain drinking and tap water has been spreading rapidly in the world. Polyvinylidene fluoride (PVDF) membranes have been extensively used in ultrafiltration (UF) membranes because of its superior properties such as high mechanical strength, thermal stability, and chemical resistance. Nevertheless, PVDF membranes may susceptible to biofouling because of its strong hydrophobicity. Therefore, various hydrophilic modification techniques have been used to improve the antifouling property, permeability and separation performance as well as mechanical properties of the membranes. Blending with nanoparticles can be considered as a practical way in adaptation to large scale production of antifouling membranes. In this study, halloysite nanotubes (HNTs) and hexagonal boron nitride nanoparticles (h- BNNPs) were functionalized by 3-Aminopropyltriethoxysilane (APTES) in order to increase the dispersion of nanofiller in PVDF matrix by reducing surface energy of nanoparticles. Pilot scale PVDF based hollow fiber UF membranes formed of different concentrations of nanofillers (0, 0.2, 0.4, 0.6 wt.%) were fabricated via the dry-wet spinning method to study influences of nanoparticles on the morphology and separation performance of PVDF membranes in terms of pore size, hydrophilicity, mechanical strength, pure water permeability (PWP) and molecular weight cut-off (MWCO) values. The Fourier-transform infrared (FT-IR) and thermogravimetric analysis (TGA) showed that APTES was successfully grafted on the surface of the nanoparticles. In addition,Powder X-ray diffraction (XRD) measurements were performed to investigate the effect of silane coupling agents on the crystalline structure of HNTs. The morphologies and pore size distributions of the developed HF membrane were characterized by scanning electron microscope (SEM). From the SEM images, the addition of HNTs and h-BN within the membrane structure suppressed macrovoids related to the increase of dope viscosities. The hydrophilicity of the PVDF hollow fiber membranes were improved significantly with the addition of A-HNTs and A-hBN, due to the change in membrane surface energy by silane treatment of nanoparticles. According to the filtration experiments, the PWP results gradually increased with the increase of nanoparticles depended on the hydrophilicity and porosity of the membrane. 0.6 A-HNT and 0.4 A-hBN achieved the maximum value at 639 and 674 L/m2.h.bar, respectively which increased by 62% and 70% compared with the standard PVDF membrane. Additionally, the antifouling property was improved in accordance with the reduction of the contact angle and increase in the hydrophilicity of the PVDF membrane. In this thesis study, h-BN was used for the first time in pressure-driven membrane processes. It was found that, with the addition HNTs and h-BNNPs, the CA of the modified membranes decreased, improving the hydrophilicity, permeability and antifouling property of the PVDF UF membrane. These results are in accordance with the previous studies revealing the effects of inorganic nanoparticles on the performance of membranes.
Benzer Tezler
- Synthesis, characterization, and application of a novel thin film composite (TFC) forward osmosis (FO) membrane for seawater desalination
Deniz suyu arıtımı için yeni ince film kaplamalı ileri osmoz (İO) membranı üretimi, karakterizasyonu ve uygulanması
RAED M S ELKHALDI
Doktora
İngilizce
2018
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- CSA'nın P3HT VE MEH-PPV polimerlerinin fiziksel özelliklerine etkisi
Effect of CSA on the physical properties of P3HT and MEH-PPV polymers
CEM ULUDAĞ
Doktora
Türkçe
2023
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ESRA ALVEROĞLU DURUCU
- Grafen, bor ve nadir toprak elementleriyle katkılanmış poliviniliden florür nanokompozit piezo malzemelerin üretimi ve karakterizasyonu
The fabrication and characterization of polyvinylidene fluoride nanocomposite piezomaterials doped graphene, boron and rare earth elements
YUSUF BADALİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Fizik ve Fizik MühendisliğiGazi Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM USLU
PROF. DR. ŞEMSETTİN ALTINDAL
- Fabrication and characterization of nanocomposite flat-sheet polymeric membranes
Polimerik nanokompozit düz plaka membranların üretimi ve karakterizasyonu
MERVE ŞİLE
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Yüksek performanslı güçlendirilmiş poliviniliden florür içi boşluklu fiber membranların üretimi ve MBR uygulaması
Fabrication of high performance braid reinforced polyvinylidene fluoride hollow fiber membranes and MBR application
GİZEM TUNCAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU