Innovative membrane with recovered carbon black (rCB)
Geri kazanılmış siyah karbon ile inovatif membran
- Tez No: 849478
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- 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: 117
Özet
Son yıllarda artan küresel nüfus, artan küresel nüfusa ve sanayileşmeye bağlı olarak değişen iklim modelleri ve değişen dünya dinamikleri doğal kaynakların hızla tükenmesine yol açmış ve bu noktada madde geri kazanımını teşvik etmeyi kaçınılmaz hale getirmiştir. Bunun yanında sürdürülebilir uygulamaları sistemlerimize dahil etmenin önemini daha önce duyulmamış seviyelere yükseltmiştir. Membran teknolojileri, günlük olarak gelişerek bu tür problemlere uzun vadeli çözümler sunmak amacıyla ilerliyor. Bu gelişmeler, sürdürülebilir uygulama parametrelerinde şekillendirerek sadece acil sorunlarımızı çözmekle kalmıyor, aynı zamanda bir dizi kullanım için optimize ediliyor, böylece erişilebilirlikleri ve çeşitli kullanım alanları için uygunluğu artırılıyor. Şu anda, iletken membranlar, membran teknolojileri alanında sürdürülebilir ilerlemenin sembolik temsilcilerinden biri olarak yer alıyor. Son zamanlarda, bu özgün membranlar sadece araştırmacıların ilgisini çekmekle kalmayıp aynı zamanda çevre mühendisliği ve enerji üretimi gibi kritik sektörlerde geniş uygulama alanları buluyor. Bu çalışma, yüksek iletkenliğe ve olağanüstü mekanik dayanıklılığa sahip bir düz plaka iletken membran üretmeyi amaçlamıştır. Bu benzersiz membran daha sonra, en son teknolojiyi birleştirmenin yeni bir yolu olan bir elektrodepozisyon prosesi kullanılarak metal geri kazanılmasını sağlamıştır. Membrana iletkenlik sağlayacak malzemeler üzerine yapılan literatür çalışmalarına dayanarak, karbon siyahı, iletken membranların üretimi için bir karbon bazlı iletken malzeme olarak seçilmiştir. Bu çalışmada kullanılan karbon siyahı malzemesi, belirli piroliz koşulları kullanılarak, ömrünü tamamlamış atık lastiklerden geri kazanım amaçlanarak elde edilmiştir. Bu yeni malzemeye ise, geri kazanılmış karbon siyahı (rCB) adı verilmiştir. Karbon siyahı içeren 0.8 mm ve 1 kg olan atık lastitkler piroliz prosesine gönderilmiş, sonrasında yaklaşık 160 gram ve 60 nm boyutunda rCB membran çözeltisinde kullanılmak üzere piroliz ürün olarak elde edilmiştir. Ayrıca bu araştırma polimer türlerinin, membranların iletkenliği üzerindeki etkisini de incelemiştir. Bu kapsamda spesifik olarak poliviniliden florür (PVDF), polietersülfon (PES), poliakrilonitril (PAN) ve polisülfon (PSf) gibi polimerler incelenmiş ve iki farklı tip membran üretim yöntemi uygulanmıştır. Çözücü olarak ise tüm membran çözeltilerinde DMAC (N,N-Dimetilasetamid) kullanılmıştır. İki farklı üretim yönteminden ilki faz ters çevirme yöntemi, diğeri ise çözelti döküm buharlaştırma yöntemidir. Membran üretim prosesinin seçimi, membranların elektriksel iletkenlik özelliklerine bakılarak belirlenip, her iki üretim yönteminin iletkenlik ölçümü bir multimetre cihazı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Multimetre elektriksel iletkenlik sonucu, faz ters çevirme tekniğinin herhangi bir elektriksel iletkenliğe sahip olmayan düz levha membranlar ürettiği, çözelti döküm buharlaştırma yönteminin ise iletkenliğe sahip düz levha membranlar ürettiği şeklinde yorumlanmıştır. Bunun yanında çözelti dökümü buharlaştırma yöntemiyle üretilen PSf ve PAN polimerlerini içeren düz plaka membranlar elektrik iletkenliğine sahip olsalar da PVDF ve PES içeren diğer membranlar gibi mekanik dayanım açısından güçlü olmadığı sonucuna varılmıştır. Son olarak PSf ve PAN polimerlerine göre daha yüksek mekanik mukavemete sahip olan ve farklı formülasyon kullanılarak PVDF ve PES'ten üretilen düz plaka membranlar, daha doğru iletkenlik sonuçları sunan dört nokta prob ölçüm tekniği kullanılarak ölçülmüştür. Bu ölçüm tekniğine göre membran formülasyonlarında PV12-r12 olarak belirtilen membranın iletkenlik değeri en yüksek yani en iletken membran olduğu tespit edilmiştir. Sonrasında ise dört nokta prob iletkenlik ölçüm tekniğinin yapıldığı membranlar üzerinde temas açısı karakterizasyonu, kimyasal ve mekanik mukavemet karakterizasyonu, taramalı elektron mikroskobu (SEM) gibi karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. Temas açısı karakterizasyon verileri analiz edildikten sonra temas açısı değerlerinin su itici grup olarak da bilinen hidrofobik gruba girdiği tespit edilmiştir. Tüm membranların sonuçları birbirine yakın kümelenmiş olmasına rağmen PV10-r12 kodlu membranın en yüksek temas açısı değerine sahip olduğu bulunmuştur. Ayrıca membran çözeltisine rCB eklemesi sadece PVDF polimeri içeren yalın membranlar için temas açısı değerinde azalmaya sebep olmuştur. Bunun yanında dayanıklılık analizi sonuçlarına bakıldığında PV12-r12 kodlu membranın en güçlü kimyasal direnci gösterdiği, PE10-r8 kodlu membranın ise daha yüksek mekanik direnç gösterdiği elde edilmiştir. Tüm bu karakterizasyon sonuçlarına bakıldığında, çalışmada incelenen çeşitli membranların değişen nitelikleri ve güçleri gözlemlenmiştir. Karakterizasyon verileri ışığında elektrokimyasal proseslerden biri olan elektrodepozisyon prosesini gerçekleştirmek için en optimum membran olarak PV12-r12 kodlu membran seçilerek elektrokimyasal filtre hücresine yerleştirilmiştir. Elektrodepozisyon çalışmalarında, testler için çözelti sağlamak amacıyla 1 mM metal ve 100 mM Na2SO4 içeren hacimsel şişeler kullanılmıştır. Elektrodepozisyon hücresindeki anot ve katot için mekanik kontaklar olarak titanyum (Ti) şimler kullanılmıştır. Bu Ti şimlerin üzerinde seçilmiş PV12-r12 kodlu geri kazanılmış karbon siyahını (rCB) içeren iletken membralar yerleştirilmiştir. Bu membranlardan biri anot görevi görerek pozitif yük taşırken, diğeri katot görevi görerek negatif yük taşımaktadır. Kurulan bu sistemde iletken membranların elektrik yükü ve elektrodepozisyon işlemi sırasında voltaj ayarlaması doğrı akım (DC) güç kaynağı tarafından sağlanarak gerçekleştirilmiştir. Ayrıca yeterli yalıtımı garanti etmek için iki membran arasına politetrafloraetilen (PTFE) yalıtım malzemesi yerleştirilmiştir. Daha sonra metallerin elektrodepozisyonun gerçekleştirilebilmesi için gereken uygulama potansiyelleri literatüre paralel olacak şekilde ayarlanmıştır ve hazırlanan sentetik tuz çözeltisi peristaltik pompa yardımıyla sabit bir debide sisteme verilmiştir. Son aşamada elektrodepozisyon performansının tespit edilebilmesi için sisteme giren ve sistemden çıkan bakır konsantrasyonu ICP-OES cihazına vererilek analiz edilmiştir ve konsantrasyon farkları yardımıyla kütle akısı hesaplanmıştır. Kütle akısı verilerine göre bakır için en verimli biriktirme, sistem 1 l/saat sabit debide çalıştırılırken 2V'a ayarlanan potansiyelde meydana gelirken, mangan için 6V'a ayarlanan potansiyelde meydana gelmiştir. Araştırma projesinin bu bölümünün ana motivasyonu, bakır ve mangan gibi metallerin geri kazanılmasına odaklanan laboratuvar ölçekli çalışmanın sonuçlarının pilot ve gerçek ölçekli sistemlere uygulanma olasılığıdır. Bu çalışma çevre mühendisliği alanında geleneksel sınırların ötesine geçen çözümler aramaktadır. Bu hedef doğrultusunda ele alınan önemli konulardan biri, nüfus artışıyla paralel olarak artan kullanım ömrünün sonuna gelmiş atık lastiklerin bertarafına inovatif bir çözüm bulma çabasıdır. Ayrıca bu araştırma, fosil yakıtların kullanılmasının ve geleneksel karbon siyahı üretim prosedürleriyle ilgili zararlı gazların salınmasının olumsuz etkilerinin azaltılmasına da katkıda bulunan piroliz yöntemi gibi teknikleri araştırarak karbon siyahının geri kazanımına yönelik acil ihtiyacı ele almaktadır. Burada vurgulanmak istenen, fosil yakıtların hammadde olarak kullanıldığı geleneksel karbon siyahı üretiminin yerine geri dönüştürülmüş karbon siyahı kullanılmasının teşvik edilmesidir. Tezin yaratıcı metodolojisi, geri kazanılmış karbon siyahının son teknoloji ürünü iletken bir membrana dahil edilmesiyle daha da anlam kazanmaktadır. Bu yeni membran teknolojisi, son yıllarda kapsamlı bir şekilde incelenen elektrokimyasal süreçlerin etkisiyle sürdürülebilir ilerlemenin parlak bir örneği niteliğindedir. Ayrıca metallerin elektrodepozisyon teknikleri kullanılarak başarılı bir şekilde geri kazanılması ise çalışmanın önemini artırmaktadır. Bu sayade döngüsel ekonomi stratejisinin benimsenmesi ve çevreye duyarlı bir geleceğe doğru önemli bir adım niteliği taşıdğı belirtilmektedir.
Özet (Çeviri)
In recent years, a growing global population, changing climate patterns due to industrialization, and changing world dynamics have led to the rapid depletion of natural resources. At this point, promoting material recovery has become inevitable and the importance of incorporating sustainable practices into our systems has grown to previously unheard-of-levels. Membrane technologies are evolving daily to provide long-term solutions to a wide variety of these types of problems. These developments, shaped within the parameters of sustainable practices, not only solve our pressing problems but are also optimized for different uses, increasing their availability and adaptability. Currently, conductive membranes are one of the emblematic symbols of sustainable progress in the field of membrane technologies. Recently, these distinctive membranes have attracted researchers' interest and found extensive applications in critical industries such as environmental engineering and power generation. The research aims to manufacture a flat sheet conductive membrane with high conductivity and good mechanical strength. After that, this unique membrane was used in metal recovery by electrodeposition, which represents a new combination of modern technology. Based on a literature review of suitable materials for membrane conductivity, carbon black (CB) was selected as the carbon-based conductive material for manufacture. The CB material used in this study was recycled from end-of-life waste tires under certain pyrolysis conditions. The product of pyrolysis is called recovered carbon black (rCB). 0.8 mm, and 1 kg of waste tires which contain CB material, have undergone the pyrolysis process. About 160 grams of rCB with a size of 60 nm was obtained as a pyrolysis product for use in the conductive membrane solution. In addition, this study investigated the effect of different types of polymers on membrane conductivity. In this context, polymers such as polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethersulfone (PES), polyacrylonitrile (PAN), and polysulfone (PSf) were specifically investigated. Two different types of membrane manufacturing methods were used. DMAC (N, N-dimethylacetamide) acts as a solvent for all membrane solutions. Of the two manufacturing methods, one is the phase inversion method and the other is the solution casting evaporation method. The selection of the membrane manufacturing process depends on the conductivity characteristics of the membrane. At this stage, the conductivity measurement was done for both manufacturing methods using a multimeter device. Multimeter conductivity results showed that the phase inversion method produced a flat film without electrical conductivity, while the solution casting evaporation method produced a conductive flat film. In addition, membranes containing PSf and PAN polymers prepared by solution casting evaporation showed electrical conductivity but did not exhibit as much mechanical strength as other membranes containing PVDF and PES. Henceforth, this study was solely focused on testing different polymer ratios and rCB ratios in PVDF and PES polymer membrane solutions. Finally, flat sheet membranes made of PVDF and PES, which exhibit higher mechanical strength compared to PSf and PAN polymers and are produced using different formulations, were tested at the four-point probe method to obtain more accurate conductivity results. According to this measurement technique, it was determined that the membrane coded PV12-r12 in the membrane formulations had the highest conductivity value, that is, it was the most conductive membrane. Characterization studies such as chemical durability, mechanical strength, contact angle, and scanning electron microscopy (SEM) were then performed on the membranes for which four-point probe conductance measurements were performed. The analysis of contact angle characteristic data showed that the contact angle values are included in the category of hydrophobic groups, which are also known as water-repellency groups. Even though the results were perfectly clustered for all membranes, the coded membrane PV10-r12 showed the highest contact angle value. Furthermore, the addition of rCB into the membrane solution which contains PVDF polymer decreased of contact angle of the membranes. Moreover, when examining the results of the resistance analysis, it was observed that the PV12-r12 coded membrane indicated the strongest chemical durability, while the PE10-r8 coded membrane indicated higher mechanical strength. Considering all these characterization results, different qualities and strengths of the different membranes investigated in the study were observed. Based on the characterization data, the membrane coded PV12-r12 was selected as the optimum membrane and placed in the electrodeposition cell, one of the electrochemical processes. In the electrodeposition studies, volumetric vials containing 1 mM metal and 100 mM Na2SO4 were used to provide a synthetic salt solution for the tests. Titanium (Ti) shims were used as mechanical contacts for the anode and cathode in the electrodeposition cell. Conductive membranes containing specially selected PV12-r12-coded were placed on these Ti shims. One of these membranes acted as the anode and carried a positive charge, while the other functioned as the cathode and carried a negative charge. In this operated system, the electrical charge of the conductive membranes and the voltage adjustment during the electrodeposition process are provided by a direct current (DC) power source. Furthermore, polytetrafluoroethylene (PTFE) insulating material was placed between the two membranes to guarantee adequate insulation. Afterward, the applied electrical potentials required for the electrodeposition of metals were adjusted to be in line with the literature, and the prepared synthetic salt solution was fed to the system at a constant flow rate with the help of a peristaltic pump. Subsequently, to determine electrodeposition performance, the metal concentration inlet and effluent in the system were analyzed by using the Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometer (ICP-OES) device, and the mass flux was calculated from the concentration differences. According to the mass flux data, the most efficient performance was obtained at the potential set to 2V for copper, and 6V for the manganese while the system operated at a constant flow rate of 1 l/h. The primary motivation for this aspect of the research project was the potential application of the laboratory-scale study results, which focused on the recovery of important metals such as copper, and manganese to pilot and real-scale systems. The goal of this research is to find solutions in the field of environmental engineering that transcend conventional limits. The search for a creative way to dispose of waste tires at the end of their usable lives, which rises in tandem with population growth, is one of the key concerns addressed in keeping with this goal. Moreover, this research addresses the pressing need for CB recovery by investigating techniques such as the pyrolysis method, which also contributes to reducing the negative effects of using fossil fuels and emitting harmful gases related to conventional CB production procedures. What is emphasized here is to reduce traditional CB production, in which fossil fuels are used as raw materials, by producing and using rCB. The creative methodology of the thesis becomes even more meaningful by incorporating rCB into a state-of-the-art conductive membrane. This new membrane technology is a shining example of sustainable progress driven by electrochemical processes that have been extensively studied in recent years. In addition, the successful recovery metal by using electrodeposition techniques increases the importance of the study. It has been stated that this is an important step towards the adoption of a circular economy strategy and an environmentally friendly future.
Benzer Tezler
- Nanokompozit malzeme kullanarak sulu çözeltilerden Cs(I) uzaklaştırılması
Cesium removal from aqueous solution using nanocomposite material
BİLAL ÇETİN
- Yukarı akışlı anaerobik çamur yataklı mikrofiltrasyon osmotik membran biyoreaktör ile mezbaha atıksularının arıtımı
Treatment of slaugtherhouse wastewater by upflow anaerobic sludge blanket microfiltration osmotic membrane bioreactor
SÜMEYYE HASANOĞLU
Doktora
Türkçe
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEREN BERİL ÖZÇELEP
PROF. DR. İLDA VERGİLİ
- High-rate activated sludge process for energy efficient wastewater treatment
Enerji verimli atıksu arıtımı için yüksek yüklemeli aktif çamur prosesi
HAZAL GÜLHAN
Doktora
İngilizce
2023
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İZZET ÖZTÜRK
- Forward osmosis membrane bioreactor performance in wastewater treatment
İleri osmoz membran biyoreaktörün atık su arıtım performansı
HAJAR GHASEMZADEH MOMEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SÜLEYMAN ÖVEZ
- Karbon nanotüp katkılı poliakrilonitril fiberlerin ileri ozmoz membranlarında destek tabakası olarak hazırlanması
Preaparation of carbon nanotube doped polyacrylonitrile fibers as a support layer for forward osmosis membranes
ÖZGÜR ÇAKMAKCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Çevre MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. EVRİM ÇELİK