Fabrication and characterization of polysulfone hollow fiber membranes as an artificial lung
Yapay akciğer olarak içi boşluklu fiber polisülfon membranların imalatı ve karakterizasyonu
- Tez No: 677436
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyomühendislik, Kimya Mühendisliği, Çevre Mühendisliği, Bioengineering, Chemical Engineering, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 111
Özet
Membran teknolojisi, su arıtma, gaz ayırma, yağ, kan ve iyon geri kazanımı alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Membranların sağlık alanında kullanımı özellikle yapay organlar açısından önemli bir noktaya gelmiştir. Ekstrakorporeal membran oksijenasyonu yenidoğan, pediatri ve erişkinlerde kalp ve akciğer hastalıklarında solunum desteği olarak kullanılmaktadır. Ekstrakorporeal membran oksijenasyonu günümüzde yaygın olarak kullanılmadan önce birçok klinik ve ticari deneme yapılmıştır. Klinik ve ticari olarak üretilen ve kullanılan üç tip oksijenatör vardır. Bu oksijenatörler tipleri kabarcık, film ve membrandır. Rezervuarda biriken kandan eş zamanlı olarak direkt oksijenin geçtiği oksijenatör tipi baloncuk tipi olarak tanımlanır. Çıkış prensibi, bir balondaki kanın gazla şişirilerek çalkalanması esasına dayanmaktadır. Film tipi oksijenatör, kan ince bir film tabakası gibi akarken ortamdan geçen oksijenle direkt temas prensibine dayanan türdendir. Bu tip oksijenatörlerde kanın oksijenle teması bir film veya birçok film yüzeyi ile arttırılmaya çalışılır. Kendi içinde bir film oluşturan sabit ve döner olmak üzere iki gruba ayrılır. Sabit olanlar için genellikle dikdörtgen plakalar, dönen olanlar için diskler tercih edilmiştir. Gaz halindeki oksijen ve kan, ara yüzünün membran tarafından desteklendiği ve böylece oksijen ve karbondioksit geçişlerinin gerçekleştirildiği oksijenatöre membran tipi denir. Plaka ve içi boş fiber olarak ikiye ayrılırlar. Plaka şeklindeki membran oksijenatörlerin, film tipi oksijenatörlerden farklı çalışma sistemleri vardır. Bu çalışmanın amacı, günümüzde kullanılan ticari oksijenatörlerde hidrofobik içi boş fiber membranlara alternatif olarak polisülfon içi boş fiber membranların üretilmesi ve karakterize edilmesi, oksijen ve karbondioksit transferinin araştırılmasıdır. Oksijenatörün tarihsel evrimleri hakkında genel bilgiler özetlenmiştir. Daha sonra içi boş fiber membranların oksijenatör olarak avantajları ve kullanımı anlatılmıştır. Trombosit adezyonunu, plazma sızıntısını önlemek için modifikasyon stratejileri özetlenmiştir. Membran oksijenatörlerin tasarım parametreleri hakkında bazı bilgiler verilmiştir. İçi boş fiber membranlar, faz ters çevirme yöntemi kullanılarak üretildi. Optimum tarifi seçmek için bazı denemeler yapıldı. Optimum reçete ile farklı parametrelere sahip membranlar üretilmiştir. Daha sonra, koagülasyon banyosunun sıcaklığı ve hava boşluğunun yüksekliği değiştirilerek iki koşulda başarılı bir şekilde polisülfon membranlar üretilmiştir. Daha sonra tüm membranlar yıkandı ve bir gün distile suda bekletildi. Membranlar, 2 gün boyunca sodyum hipoklorit ile işleme tabi tutuldu ve daha sonra damıtılmış suda bekletildi. 2 günde bir distile sular değiştirildi. Tüm deneyler bu işlem adımlarından sonra gerçekleştirilmiştir. Ticari oksijenatör kesildi ve içi boş fiber membranlar zarar görmeyecek şekilde çıkartıldı. Daha sonra çıkartılan membranlar karşılaştırmak için karakterizasyon analizlerinde kullanıldı. Membranlar karakterize edildikten sonra performansları incelenmiştir. Membranların karakterizasyonunda iç ve dış çözelti viskozitesi, temas açısı, yüzey yükü, gözenek dağılımı, gözeneklilik, mekanik mukavemet, yüzey pürüzlülüğü, Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi ve taramalı elektron mikroskobu ile yüzey yapısı incelenmiştir. Membranların oksijen ve karbondioksit performans testleri için yüzey alanları 25 cm2 olacak şekilde modül yapılmıştır. Daha sonra toplam oksijen kütle transfer katsayısı, toplam oksijen kütle transfer direnci, bireysel sıvı faz ve membran kütle transfer katsayıları hesaplanmıştır. Oksijen transferleri hesaplandıktan sonra Sherwood, Reynold ve Schmidt sabitleri hesaplamalanması ile korelasyonları verilmiştir. Karbondioksit için toplam kütle transferi ve katsayısı hesaplandı. Ticari polipropilen içi boş fiber membranın ortalama çapı 360 mikrondur ve ortalama duvar kalınlığı 46 mikrondur. Üretilen polisülfonların ortalama çapı 455, ortalama duvar kalınlığı ise 47 mikron civarındadır. Üretilen polisülfonların morfolojik yapısı süngerimsi ve asimetriktir. Ticari polipropilen içi boş fiber membran simetrik bir yapıya sahiptir. Üretilen polisülfonların yüzey pürüzlülüğü polipropilene göre daha azdır. Üretilen içi boş polisülfon membranların Fourier transform kızılötesi spektroskopisi sonuçlarında, gözenek oluşturucu olarak kullanılan polivinilpirolidon varlığı, son işlem sonrası olmasına rağmen gözlemlenmiştir. Yüzey temas açısı polisülfonlarda 77 ila 81 derece arasında elde edildi. Polipropilende ise 95 derecedir. İçi boş fiber polisülfon membranların izoelektrik noktaları pH 4.5 ortalamasındadır. Membranların mekanik özellikleri büyük ölçüde farklılık göstermektedir. Young modülüne bakıldığında, ticari içi boşluklu fiber polipropilen yaklaşık 5 kat daha yüksektir. İçi boşluklu fiber polisülfon membranların üretiminde farklı parametrelerin kullanılmasının sonucu, taramalı elektron mikroskobunda farklar çok belirgin görülmektedir. Özellikle yüzeydeki gözeneklerdeki hava boşluğunun artması ve koagulasyon banyosunun sıcaklığının düşmesiyle yüzeydeki yoğun yapı gözenekli bir yapıya dönüşmüştür. Ayrıca enine kesitte bakıldığında parmak benzeri boşluk yapıların değiştiği gözlendi. Toplam oksijen kütle tranferi katsayısı yaklaşık 10 mL s-1 akışında ve 25 °C sıcaklığında ticari içi boşluklu fiber polipropilen membran için 5.00 x 10-5 m s-1 iken polysülfon membranlar için yaklaşık 1.75 x 10-5 m s-1'dir. Toplam karbon dioksit kütle tranferi katsayısı yaklaşık 1.6 mL s-1 akışında ve 22 °C sıcaklığında ticari içi boşluklu fiber polipropilen membran için 1.48 x 10-5 m s-1 iken polysülfon membranlar için yaklaşık 1.08 x 10-5 m s-1'dir. Oksijen için membran kütle tranferi katsayısı 25 °C sıcaklığında ticari içi boşluklu fiber polipropilen membran için 6.79 x 10-5 m s-1 iken içi boşluklu fiber polysülfon membranlar için yaklaşık 2.07 x 10-5 ve 2.32 x 10-5 m s-1'dir. 36 °C sıcaklığında ise ticari içi boşluklu fiber polipropilen membran için 7.37 x 10-5 m s-1 iken içi boşluklu fiber polysülfon membranlar için yaklaşık 2.42 x 10-5 ve 3.49 x 10-5 m s-1'dir. İçi boşluklu fiber polysülfon membranlar arasındaki farklılık membranların morfolojik yapı farklarından kaynaklanmaktadır. Oksijen için hesaplanan bireysel kütle transfer katsayıları ile Sherwood, Reynold ve Schmidt sayılarının koralasyonları ticari içi boşluklu fiber polipropilen membran için 25 °C'de Sh = 2.33 Re0.54 Sc0.33 olarak hesaplanmıştır. Aynı koşullarda, içi boşluklu fiber polysülfon membranlar için ise Sh = 1.07 Re0.46 Sc0.33 ve Sh = 1.12 Re0.52 Sc0.33 olarak elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Membrane technology is widely used in water treatment, gas separation, oil, blood and ions recovery. The use of membranes in the field of health has come to an important point, especially in terms of artificial organs. Extracorporeal membrane oxygenation is used as respiratory support in heart and lung diseases in newborns, pediatrics and adults. Many clinical and commercial trials have been conducted before extracorporeal membrane oxygenation is widely used today. There are three types of oxygenators produced and used clinically and commercially. These oxygenators are bubble, film and membrane. The type of oxygenator, in which direct oxygen is passed simultaneously through the blood accumulating in reservoir, is defined as the bubble-type. The exit principle is based on the agitation of the blood in a balloon by inflating it with gas. It is a film-type oxygenator based on the principle of direct contact with the oxygen passing through the environment while the blood is flowing like a thin film layer. In this type of oxygenators, the contact of blood with oxygen is tried to be increased with a film or many film surfaces. It is divided into two groups, fixed and rotating, which form a film in itself. Rectangular plates are generally used for fixed ones, while discs are preferred for rotating ones. The oxygenator, in which the gaseous oxygen and blood interface is supported by the membrane, and thus the oxygen and carbon dioxide transitions are realized, is called membrane-type. They are divided into two as plate and hollow fiber. Plate-shaped membrane oxygenators have different operating systems than film-type oxygenators. The aim of this study is to produce and characterize polysulfone hollow fiber membranes as an alternative to hydrophobic hollow fiber membranes in commercial oxygenators used today, and to investigate oxygen and carbon dioxide transfer. Hollow fiber membranes were fabricated using the phase inversion method. Some tries were made to select the optimum recipe. Membranes with different parameters were produced with the optimum recipe. Then, polysulfone membranes were produced successfully under two conditions by varying the temperature of the coagulation bath and the height of the air gap. Afterwards, all membranes were washed and kept in distilled water for one day. Membranes were treated with sodium hypochlorite for 2 days and then soaked in distilled water. All experiments were performed after these process steps. The commercial oxygenator was cut and used to compare hollow fiber membranes. After the membranes were characterized, their performance was examined. In the characterization of the membranes, dope and bore viscosity, contact angle, surface charge, pore distribution, porosity, mechanical strength, surface roughness, Fourier transform infrared spectroscopy and surface structure with scanning electron microscope were investigated. A module was made for the oxygen and carbon dioxide performance tests of the membranes. Afterwards, total oxygen mass transfer coefficient, total oxygen mass transfer resistance, individual liquid phase and membrane mass transfer coefficients were calculated. After calculating the oxygen transfers, their correlations with Sherwood, Reynold and Schmidt number calculations are given. For carbon dioxide, the total mass transfer and its coefficient were calculated. The average diameter of the commercial polypropylene hollow fiber membrane is 360 and the average wall thickness is 46 microns. The average diameter of the produced polysulfones is 455 and the average wall thickness is around 47 microns. The morphological structure of the produced polysulfones is spongy and asymmetrical. The commercial polypropylene hollow fiber membrane has a symmetrical structure. The surface roughness of the produced polysulfones is less than the polypropylene. In the results of Fourier transform infrared spectroscopy of the produced hollow polysulfone membranes, the presence of polyvinylpyrrolidone, which is used as a pore builder, was observed despite post treatment. The surface contact angle was obtained from 77 to 81 in polysulfones. In polypropylene, it is 95. The isoelectric points of hollow fiber polysulfone membranes are around 4.5. Commercial hollow fiber polypropylene is not determined. The mechanical properties of the membranes differ greatly. Looking at Young's modulus is about 5 times higher than commercial hollow fiber polypropylene. The result of using different parameters in the production of hollow fiber polysulfone membranes is very evident in the scanning electron microscope. Especially by increasing the air gap and decreasing the temperature of the coagulation bath, the dense structure on the surface has turned into a porous structure for hollow fiber membranes. In addition, it was observed that the finger-like structures changed when viewed in cross-section. The total oxygen mass transfer coefficient is about 5.00 x 10-5 m s-1 for a commercial hollow fiber polypropylene membrane at a flow of about 10 mL s-1 and a temperature of 25 °C, while it is about 1.75 x 10-5 m s-1 for polysulfone membranes. The total carbon dioxide mass transfer coefficient is about 1.48 x 10-5 m s-1 for a commercial hollow fiber polypropylene membrane at a flow of about 1.6 mL s-1 and a temperature of 22 °C, while it is about 1.08 x 10-5 m s-1 for polysulfone membranes. The membrane mass transfer coefficient for oxygen is 6.79 x 10-5 m s-1 for commercial hollow fiber polypropylene membrane at 25°C, while it is approximately 2.07 x 10-5 m s-1 and 2.32 x 10-5 m s-1 for hollow fiber polysulfone membranes. At 36°C, it is 7.37 x 10-5 m s-1 for commercial hollow fiber polypropylene membrane, while it is approximately 2.42 x 10-5 and 3.49 x 10-5 m s-1 for hollow fiber polysulfone membranes. The difference between hollow fiber polysulfone membranes is due to the differences in the morphological structure of the membranes. The correlations between the individual mass transfer coefficients calculated for oxygen and the Sherwood, Reynold and Schmidt numbers are Sh = 2.33 Re0.54 Sc0.33 at 25°C for the commercial hollow fiber polypropylene membrane. Under the same conditions, Sh = 1.07 Re0.46 Sc0.33 and Sh = 1.12 Re0.52 Sc0.33 were obtained for hollow fiber polysulfone membranes.
Benzer Tezler
- Biomimetic approaches for the fabrication of hollow fiber nanofiltration membranes
Biyomimetik yaklaşımlarla içi boşluklu nanofiltrasyon membran üretimi
REYHAN ŞENGÜR TAŞDEMİR
Doktora
İngilizce
2018
Biyokimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Halloysit katkılı hollow fiber ileri osmoz membranlarının üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of hollow fiber forward osmosis membranes with halloysite additive
AYŞE YÜKSEKDAĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Çevre MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EBUBEKİR YÜKSEL
- Gümüş nanopartikülleri ile kompozit ince boşluklu fiber membran üretimi, karakterizasyonu ve uygulaması
Nanocomposite hollow fiber membrane fabrication with silver nanoparticle, characterization and application
TÜRKER TÜRKEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Halloysit nanotüp katkılı ultrafiltrasyon membran üretimi, karakterizasyonu ve boya madde gideriminde uygulaması
Fabrication of additive halloysite nanotube ultrafiltration membrane, characterization and dye removal application
BAŞAK KESKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Fabrication and characterization of silver embedded polymeric membranes for water and wastewater treatment
Su ve atıksu arıtımında kullanılmak üzere gümüş nanoparçacık katkılı nano-kompozit membran üretimi ve karakterizasyonu
KORAY EREN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Çevre MühendisliğiMarmara ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ELİF SOYER