Fabrication of thin film nanocomposite pressure retarded osmosis (PRO) membranes using cellulose nanocrystal (CNC) and evaluation of performances in the processes
Selüloz nanokristal kullanılarak ince film nanokompozit basınç geciktirmeli osmoz (BGO) membranlarının üretimi ve proseslerde performans testlerinin gerçekleştirilmesi
- Tez No: 659118
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 152
Özet
Günümüzde hızlı küresel nüfus artışı karşısında artan yüksek su ihtiyacı sonucunda daha az enerji tüketimi ile temiz su sağlayan yenilikçi teknolojilerin geliştirilmesi gerekmektedir. Fosil yakıtların kullanımından kaynaklanan ciddi çevresel emisyonlar, genellikle südürülebilir enerji üretimi yapabilen teknolojileri oluşturmamıza ihtiyaç duyar. Aslında, küresel enerji talebi esas olarak fosil yakıtlara dayalı 1971'den bu yana iki katından fazla artmıştır. Bu nedenle dünyamız, fosil yakıt rezervlerindeki azalma ve iklim değişikliğine neden olan sera gazları emisyonları nedeniyle enerji tedariki için benzeri görülmemiş zorluklarla yakın gelecekte karşıya kalacaktır. Bu problemin oluşturabileceği etkileri azaltmak amacıyla, fosil yakıtların kullanımını büyük ölçüde azaltmak için, uygun fiyatlı, temiz, güvenli ve yeterli enerji kaynakları sağlamak, dünyanın en büyük zorluklarından biri olmaya devam edecektir. Bu nedenle, dünya enerji talebinin karışlanması ve fosil enerji kaynaklarının kullanımının aşamalı olarak azaltılması için yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ihtiyaç son yıllarda artmıştır. Bu nedenle, birçok araştırmacı bu talebi karışlamak için alternatif enerji kaynaklarına odaklanmaktadır, bunlar: güneş, rüzgar, med-cezir, dalga ve biyokütle kapsamlı çalışmalardır. Yine de, enerji kaynaklarının dengesiz mevcudiyeti, karmaşık lojistik veya yüksek kurulum maliyetleri, bunların yaygın olarak kullanılmasını engellemektedir. İleri bir teknoloji olarak ileri osmoz ve basınç geciktirmeli osmoz'dan oluşan osmotik porosesler, atıksuların arıtılması, geri dönüşümü ve yeniden kullanımı ile“Mavi Enerji”olarak adlandırılan tuzluluk gradyan enerjisinin toplanması için öne çıkan teknolojiler olarak düşünülmektedir. Farklı tuzluluk içeriklerine sahip olan çözeltilerin karıştırılmasından çok yüksek miktarda enerj, edilebilmektedir. Bu enerji Tuzluluk Gradyan Enerjisi (TGE) olarak adlandırılmakta olup, uygulanabilir bir yenilenebilir enerji kaynağı olarak görülmektedir. Örneğin, 37300 km3 yıllık küresel nehir deşarjının denizle buluştuğu yerlerdeki potansiyel olarak elde edilecek gücün, küresel enerji talebinin önemli bir yüzdesini karşılamaya yetecek kadar, neredeyse bir terawat'tan fazla olduğu tahmin edilmektedir. Tuzluluk gradyanlarının enerji potansiyelinin gerçekleştirilmesi için, mevcut tuzluluk gradyan enerjisinin verimli bir şekilde dönüştürmek için özel tasarlanmış proseslere ihtiyaç vardır. Bu prosesler için basınç geciktirmeli osmoz (BGO), ters elektrodiyaliz, kapasitif karıştırma ve hidrojel şişmesi dahil olmak üzere çeşitli işlemler tasarlanmıştır. Bu proseslerden en yaygın şekilde araştırılan BGO, düşük konsantrasyonlu besleme çözeltisi ile yüksek konsantrasyonlu çekme çzöeltisi arasında yarı geçirgen bir membran kullanılır. İki çözelti arasındaki kimyasal potansiyel fark sayesinde çözünen maddeler tutulurken, su moleküllerini besleme tarafından çekme çözeltisi tarafına yönlendirir. Çekme çözeltisi bölümündeki hacim genişlemesi daha sonra çekme çözeltisi tankının hidrolik basıncını arttırmak için sınırlandırılır ve sonuçta ortaya çıkan basınçlı su akışı, güç üretmek için bir hidro türbin boyunca gönderilir. Bununla birlikte ileri osmoz (FO) ve basınç geciktirmeli osmoz (PRO) henüz geliştirilme aşamasındadır. Osmotik güçten elektrik enerjisi üretme fikri yarım asırdan fazla bir süre önce kabul edilmiş olmasına rağmen, BGO pratik uygulamalarda henüz yerini alamamıştır. Bu teknik için en büyük engel BGO sistemi için uygun membranın eksikliğidir. Ancak, BGO için membran malzemeleri geliştirilmeye başladığı için BGO prosesleri son zamanlarda araştırmacıların ilgisini çekmektedir. Yüksek su geçirgenliği ve mükemmel iyon tutma özelliği sağlayan ozmotik membranlar üretmek kolay değildir. İdeal bir ozmotik membran, yüksek su geçirgenliğine ve düşük ters tuz akış oranına sahip olan koşulları karşılayan ince bir film kompozit membran olabilir. Bununla birlikte, membranın PRO sistemlerde nispeten yüksek hidrolik basınçlara dayanması için bazı mekanik özellikler hayati önem taşır. Neyse ki, elektrospinning yöntemi ile üretilen membranlar, gözenekli yapı özellikleri ve kolay üretimi nedeniyle mükemmel destek katmanının tüm gerekliliklerinin üstesinden gelmek için mükemmel bir yeteneğe sahiptir ve bu nanomalzemeler, nanofiberlerin mekanik mukavemetini arttırmak için entegre edilebilir. Bunun dışında, çok ince bir seçici poliamid kaplama elde etmek için elektrospun nanofiber membrana arayüzey polimerizasyonu (AP) gerçekleştirilebilir. İFK membranları, nano katkı maddelerini destek katmanlarına entegre ettikten sonra osmotik olarak kullanılan membran proseslerinde muazzam potansiyel gösterebilir. Bu tezin amacı, güçlendirilmiş basınç geciktirmeli ozmoz membranlarının geliştirilmesi üzerine kapsamlı bir çalışma tasarlamak ve yürütmektir. Spesifik olarak, bu tez, BGO prosesleri için mükemmel bir mekanik mukavemet gösterirken, yüksek su geçirgenliği ve solventler için mükemmel seçiciliğe sahip yeni nanofiber destekli ince film kompozit membranların geliştirilmesini sunmaktadır. Arayüzey polimerizasyon reaksiyonları, destek tabaka üzerinde çok ince poliamid seçici tabaka oluşturmak için kullanılmış ve bir dizi destek tabakasını imal etmek için elektrospinning işlemi kullanılmıştır. Öncelikle, BGO membranları imal etmek için destek katmanı olarak düz plaka elektrospun poliakrilonitril nanolifleri kullanma potansiyelini araştırılmıştır. Poliamid İFK çalışmaları %16 PAN polimer çözeltisinde % 0,1,2,5,10 kristal nanoselüloz (CNC) içeren beş farklı destek tabakasına başarıyla uygulanmıştır. BGO membranlar, özel üretim düz plaka membrane üretim ünitesi ile başarıyla üretilmiştir. PAN ve CNC'nin SEM, FTIR, DMA ve temas açısı ölçüm analiz bugularına göre tamamiyle karışım sağladığı sonucuna varılmıştır. CNC'nin PAN polimerine eklenmesi sonucunda, BGO uygulamalarında ana problem olan destek katmanlarının mekanik gücünü artırdığı görülmüştür. Yeni geliştirilen membranla , 1 M NaCl çekme çözeltisi ve deiyonize su besleme solüsyonu kullanarak 300 LMH'lik yüksek bir BGO su akısı elde edilebilmiştir. Çalışmanın bu bölümünde ters tuz akısı ise 1.5 gMH olarak bulunmuştur. Su akısının ters tuz akısına oranını temsil eden (Jw/Js) oranı ise BGO işletimi sırasında 200 L/g olarak bulunmuştur. Düz plaka İFN BGO membranların üretiminden sonra modül paketleme yoğunluğunu artırabilmek için iyileştirmeler yapılmıştır. Bu noktada, BGO uygulamaları için tubuler şeklindeki membranları imal etmek için yeni bir teknik kullanılmıştır. Yeni üretilen tübüler membran, besleme suyu olarak deiyonize su ve çekme çözeltisi olarak 1M NaCI kullanarak 405.38 LMH'lik daha yüksek bir BGO su akısı elde etmeye imkan sağlamıştır. Bu noktada tübüler membranlarla düz plaka membranlara nazaran daha yüksek ters tuz akısına ulaşılmıştır. Su akısının ters tuz akısına (Jw / Js) oranıyla temsil edilen değer ise bu çalışmada BGO işlemi için 193,03 L/g kadar yüksek tutulabilmiştir. Bildiğimiz kadarıyla, bu tez çalışmasında geliştirilen membranın performansı, daha önce literatürde yayınlanan tüm BGO membranlardan daha iyi performans göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Nowadays, owing to quick world population growth and abrupt economy, high water demands desire innovative technologies in order to ensure clean and safe water with lower energy use. Severe environmental emissions arising by the consumption of fossil fuels often needs us to build energy harvesting technology which are environmentally sustainable. As an advanced technology, osmotic membrane processes consisting of forward and pressure-retarded osmosis, are conceived to be conspicuous technologies for the treatment, recycling and reuse of wastewaters and the harvesting of salinity gradient energy which is called“Blue Energy”. Nevertheless, forward osmosis (FO) and pressure retarded osmosis (PRO) are at the level of growth yet. It is difficult piece of work to fabricate osmotic membranes obtaine high water permeability and perfect ion retention. The ideal osmotic membrane candidate can be a thin film composite membrane satisfy the conditions which has high water permeation and as soon as low reverse salt flux ratio. Furthermore, for the membrane to endure relatively high hydraulic pressures in PRO systems, certain mechanical properties are vital. Thankfully, membranes that are fabricated with electrospinning method have an excellent capability to overcome all specifications of the perfect support layer in consequence of porous structure characteristics and simplicity with that nanomaterials may be integrated to enhance the nanofibers mechanical strength. Apart from this, interfacial polymerization (IP) may be accomplished to electrospun nanofiber membrane to achieve a very thin selective polyamide coating. TFN membranes may show tremendous potential in osmotically driven membrane processes after integrating nano additives into their support layer. The aim of this thesis to carry out and design a comprehensive study on the development of reinforced pressure retarded osmosis membranes. Specifically, this thesis presents the development of novel nanofiber supported thin film composite membranes with high water permeability and excellent selectivity for solvents, while showing an excellent mechanical strength for PRO processes. Interfacial polymerization reactions were used to construct very thin polyamide selective layer on the support, and electrospinning process was used to fabricate a number of support layers. Initially, we investigated the potential to use flat sheet electrospun polyacrylonitrile nanofibers as support support layer to fabricate PRO membranes. Polyamide TFCs were successfully applied on five different substrate containing 0,1,2,5,10% crystal nanocellulose (CNC) in 16% PAN polymer solution. PRO membranes successfully fabricated via tailor-made flat sheet fabrication unit. It is concluded that PAN and CNC generated a complete mixture according to SEM, FTIR, DMA & contact angle analysis findings.The addition of CNC improved the mechanical strength of PAN support layers which is the main phenomenon in PRO applications. The newly developed membrane can achieve a higher PRO water flux of 300 LMH, using a 1 M NaCl draw solution and deionized water feed solution. The corresponding salt flux is only 1.5 gMH. The reverse flux selectivity represented by the ratio of water flux to reverse salt flux (Jw/Js) was able to be kept as high as 200 L/g for PRO operation. Following the success of flat-sheet TFN PRO membrane fabrication, improvements need to be done to increase packing density of fabricated final membrane modules. In this point, we used a novel technique to fabricate tubular membranes for PRO applications. The newly fabricated membrane achieves a higher PRO water flux of 405.38 LMH with using a 1 M NaCl and a DI as feed water. The corresponding salt flux is found as 2.10 gMH which is higher than flat sheet membranes. The selectivity of the reversed flux represented by the ratio of the water flow to the reversed salt flux (Jw/ Js) was able to be kept as high as 193.03 L/g for PRO operation.As far as we know, the performance of the work developed membrane in this study has shown better performance than all PRO membranes reported in the literature previously.
Benzer Tezler
- Fabrication of thin film nanocomposite membranes using metal organic frameworks, experimental performances and economical analysis on desalination and dye removal
Metal organik çerçeveler kullanılarak ince film nanokompozit membranların üretimi, desalinasyon ve boya gideriminde deneysel performansı ve ekonomik analizi
HAMZA BAKAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET EMİN PAŞAOĞLU
- Nanofiltrasyon membranlarının üretimi ve tekstil endüstrisinde uygulanması
Fabrication of nanofiltration membranes and its application textile industry
TÜRKAN ORMANCI ACAR
Doktora
Türkçe
2017
Çevre Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEŞE TÜFEKCİ
PROF. İSMAİL KOYUNCU
- Yüksek bor ayırma kapasitesine sahip yeni nesil ince film nanokompozit membranlar
Novel thin film nanocomposite membranes with high boron removal capacity
SÜER KÜRKLÜ KOCAOĞLU
Doktora
Türkçe
2023
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞERİFE BİRGÜL ERSOLMAZ
- Sol–jel yöntemi ile hazırlanan TiO2–SiO2 nanokompozit ince filmlerin fiziksel ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of physical and mechanical properties of TiO2–SiO2 nanocomposite thin films prepared by sol-gel method
EZGİ DENİZ BİÇER
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ESRA ÖZKAN ZAYİM
UZMAN REFİKA BUDAKOĞLU
- Fabrication of SWCNT/AgNW/PEDOT: PSS nanocomposite transparent conductive films
Karbon nanotüp/gümüş nanotel/PEDOT: PSS nanokompozitlerden transparan ve iletken ince filmlerin üretilmesi
SERRA MELEK AKYÜZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN YAVUZ