Effect of solvent choice on cellulose acetate membrane fabrication by phase inversion and deacetylation by alkaline hydrolysis
Çözücü sisteminin faz değişimi ile üretilen selüloz asetat membranlar ve alkali hidroliz ile deasetilasyona etkisi
- Tez No: 756191
- Danışmanlar: DOÇ. DR. PINAR ZEYNEP ÇULFAZ EMECEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 153
Özet
Bu çalışmada, çözücü seçiminin selüloz asetat membran morfolojisi ve performansı üzerindeki etkisi, faz değişim termodinamiği ve kinetiği ile ilişkili olarak araştırılmıştır. Dimetil sülfoksit (DMSO), 1:1 oranında DMSO: aseton (DA) ve DMSO: asetik asit (DHAc) karışımları üç farklı solvent sistemi olarak kullanılmıştır. Çözmeyen olarak su kullanılmıştır. Aseton ve asetik asit, Hansen çözünürlük parametrelerine göre selüloz asetat için benzer çözücü kaliteleri, fakat farklı viskoziteleri olması nedeniyle seçilmiştir. Tüm solventler selüloz asetat membran üretiminde kullanılan geleneksel solventlere kıyasla daha az zararlıdır. Sistemlerin termodinamiği, bileşenlerin ikili ve üçlü etkileşimleri ile incelenmiştir. Faz değişim kinetiği, optik mikroskopla faz değişim hızı gözlemi, ışık geçirgenliği ölçümü ve solvent sistemlerinin ve polimer çözeltilerinin reolojik analizi ile araştırılmıştır. Membranların performansları saf su geçirgenliği (PWP) ve moleküler ağırlık kesmesi (MWCO) ile karakterize edilmiş ve membran morfolojisi taramalı elektron mikroskobu ile gözlemlenmiştir. Bileşenler arasındaki termodinamik etkileşimlerin de farklı olmasına rağmen, membranların morfolojisini ve performansını belirleyen ana parametrenin faz tersinme kinetiği olduğu gözlemlenmiştir. Faz değişim kinetiği esas olarak solvent viskozitesinden etkilenmiştir. DA' nın düşük viskozitesi, daha hızlı faz değişimine ve asimetrik membran yapısına yol açarken, çözücü sistemine asetik asit eklenmesi, çözücü sisteminin daha yüksek viskozitesine ve daha yavaş faz değişimine neden olmuş ve membran yapısını gevşek, gözenekli ve simetrik hale getirmiştir. Uçucu yardımcı çözücü olarak aseton içeren polimer çözeltisine farklı süreler boyunca buharlaştırma adımı uygulanarak membran özelliklerindeki değişiklikler araştırılmıştır. Ayrıca buharlaşma banyosunda nemin varlığı da incelenmiştir. Buharlaşma süresi arttıkça membranların gözenekliliği ve gözenek boyutu azalmıştır ve saf su geçirgenliği ve MWCO değerleri düşmüştür. Ek olarak, buharlaşmanın nemli bir ortamda gerçekleştirilmesi daha gevşek bir membran yapısı ile sonuçlanmıştır. Alkali hidroliz yoluyla deasetilasyonun farklı gözenekliliğe sahip membranlar üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Alkali hidroliz sonrasında membran morfolojisinde önemli bir fark gözlemlenmemiştir. Fakat alkali hidroliz selüloz zincirlerinin sulu alkali çözeltide muhtemel kısmi bozulması sonucunda gözenek boyutunu ve membran matrisini etkilemesi nedeniyle membranların performansını değiştirmiştir. Gözeneklerin daralması, gözenekte akış mekanizmasına göre ayrım yapan membranların performansı üzerindeki baskın etki olarak kabul edilebilir. Öte yandan, gevşemiş membran matrisinin etkisi ayırmanın çözünme-yayılma mekanizmasıyla gerçekleştiği membranların performansında önemli görünmektedir. Sonuç olarak, gözenekler ve membran matrisi taşınıma kıyaslanabilir miktarlarda katkı sağladığında, su hem gözeneklerden hem membran matrisinden geçtiği fakat çözünen madde esas olarak sadece gözeneklerden geçtiği için, su geçirgenliği yükselirken MWCO azalmıştır. Çözünme-yayılma mekanizması hem çözücü hem çözünen taşınımı için baskın olduğunda, geçirgenlik ve MWCO artmıştır. Membran şeklinin membran performansı üzerindeki etkisini araştırmak için aynı polimer çözeltileri ile kuru-yaş eğirme sisteminde kavuklu elyaf membranlar üretilmiştir. Düz levha membranlarla karşılaştırıldığında, CA18-DHAc kavuklu elyaf membran, eğirme sistemindeki kesme hızı nedeniyle moleküler yönelimden kaynaklanan daha yoğun seçici katmana sahiptir. CA18-DA içi boş fiber membran benzer morfoloji ve MWCO ancak daha yüksek saf su geçirgenliği göstermiştir. Sonuç olarak, kavuklu elyaf ve düz levha yapıları, bu membranların imalatındaki farklı koşulların aynı anda etki etmesinden dolayı farklı membran özellikleri ile sonuçlanmıştır.
Özet (Çeviri)
In this study, the effect of solvent choice on cellulose acetate (CA) membrane morphology and performance was investigated to relate this to the thermodynamics and kinetics of phase inversion. Three different solvent systems were used, which are dimethyl sulfoxide (DMSO), the mixture of DMSO: acetone (DA) and DMSO: acetic acid (DHAc) in the ratio of 1:1. Water was used as non-solvent. Acetone and acetic acid were chosen due to their similar solvent quality for cellulose acetate based on Hansen solubility parameters but their different viscosities. All solvents are less harmful to the environment and human health compared to the conventional solvents used in CA membrane fabrication. The thermodynamics of the systems were investigated by the binary and ternary interactions of the components. Phase inversion kinetics was investigated by phase inversion rate observation by optical microscope, light transmission measurement, and rheological analysis of solvents and polymer solutions. The performances of the membranes were characterized by pure water permeance (PWP) and molecular weight cut-off (MWCO), and the membrane morphology was observed by scanning electron microscopy (SEM). The phase inversion kinetics was observed to be the main parameter that controlled the morphology and performance of the membranes, even though the thermodynamic interactions between the components were also different. Phase inversion kinetics is mainly affected by solvent viscosity. The lower viscosity of DA led to a faster phase inversion, and asymmetric membrane structure, whereas adding acetic acid to the solvent system resulted in higher viscosity of solvent system and slower phase inversion, which made the membrane structure loose, porous, and symmetrical. The changes in the membrane properties were also investigated by applying the evaporation step to the cast polymer solution containing acetone as the volatile co-solvent for different durations. In addition, the presence of humidity in the evaporation bath was studied. As the evaporation time increased, the porosity and pore size of membranes decreased, leading to lower pure water permeance and MWCO. In addition, conducting evaporation in a humid medium resulted in a looser membrane structure. The effect of deacetylation via alkaline hydrolysis on the membranes with different porosity was investigated. There was no significant difference observed in the morphology after alkaline hydrolysis. However, the performance of membranes changed after alkaline hydrolysis, probably due to the partial degradation of cellulose chains in the aqueous alkaline solution affecting the pore size and membrane matrix. The narrowing of pores may be considered the dominant effect on the performance of membranes conducting separation based on the pore flow mechanism. On the other hand, the effect of a loosened membrane matrix also becomes important in the performance of membranes where separation occurs through the solution-diffusion mechanism. Consequently, when both pores and membrane matrix contribute to transport in comparable amounts, the water permeance increased while MWCO decreased due to water permeating through both pores and membrane matrix, while solutes essentially permeated through the pores only. When solution diffusion mechanism became dominant form both solvent and solutes, both permeance and MWCO increased. Hollow fiber membranes were fabricated by dry-wet spinning with the same polymer solutions to investigate the effect of membrane configuration on membrane performance. Compared with flat sheet membranes, denser selective layer, possibly resulting from molecular orientation due to shear rate in the spinning system, was obtained in the CA18-DHAc hollow fiber membrane. CA18-DA hollow fiber membrane showed similar morphology and MWCO, but higher pure water permeance. The difference in flat sheet and hollow fiber membranes with different solvent systems is attributed to the simultaneous impact of many spinning conditions in the fabrication of these membranes.
Benzer Tezler
- Treatment of lignocellulosic biomass by co-solvent for high yield of saccharification: investigation of structural changes in biomass using FTIR analysis
Yüksek oranda şeker verimi için lignoselülozik biyokütlenin yardımcı çözücü ile işlemden geçirilmesi: FTIR analizi ile biyokütledeki yapısal değişikliklerin araştırılması
SANAZ SAMADI ZENOUZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Kimya MühendisliğiEge ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT BALLİCE
- Synthesis and characterization of novel sustainable dual crosslinked sodium carboxymethyl cellulose aerogels
Yenilikçi sürdürülebilir çift çapraz bağlı sodyum karboksimetil selüloz aerojellerin sentezi ve karakterizasyonu
ÖZGE PAYANDA KONUK
Doktora
İngilizce
2024
Kimya MühendisliğiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAN ERKEY
- Environmentally friendly components for energy storage devices
Enerji depolama cihazlarında çevre dostu bileşenlerin kullanımı
ELENA STOJANOVSKA
Doktora
İngilizce
2019
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
- Production of functional food ingredient by enzyme and ultrasound assisted extraction from lemon waste
Limon atıklarından enzim ve ultrason destekli ekstraksiyon ile fonksiyonel gıda bileşeni üretimi
NİHAL DURMUŞ
Doktora
İngilizce
2024
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MERAL KILIÇ AKYILMAZ
- Çitlembik (Celtis australis L.) ve karayemiş (Prunus laurocerasus) meyvelerinin antioksidan kapasitesinin incelenmesi
Investigation of antioxidant capacity of hackberry (Celtis australis L.) and laurel (Prunus laurocerasus) fruits
SEDA BABACAN
