Geri Dön

Carbon nanotube blend ed polyethersulfone membranes: Synthesis, characterization and determination of the fouling characteristics

Karbon nanotüp katkılı polietersülfon membranlar: Sentezi, karakterizasyonu ve kirlenme özelliklerinin belirlenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 868038
  2. Yazar: EVRİM ÇELİK MADENLİ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HEECHUL CHOİ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2011
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Gwangju Institute of Science and Technology
  10. Enstitü: Yurtdışı Enstitü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 177

Özet

Membran teknolojisinde kullanılan birincil membran malzemesi, iyi esneklik, sağlamlık ve ayırma özellikleri nedeniyle polimerlerdir. Ancak, kimyasal, mekanik ve termal dirençlerdeki sınırlamaları ve daha kısa ömürleri, daha geniş uygulamalarını kısıtlar. Bu nedenle, mükemmel ayırma performansına sahip ve zorlu çevresel koşullara uyum sağlayabilen organik-inorganik kompozit membranlar üretmek büyük ilgi çekmektedir. Önceki raporlar, karbon nanotüplerin (KNT'ler) düşük yoğunluk ve yüksek mukavemet ve sertlik ile birleşen olağanüstü yüksek boyut oranları nedeniyle polimerlerin malzeme özelliklerini iyileştirme potansiyelinin yüksek olduğunu göstermiştir. Bu çalışmada, çok duvarlı karbon nanotüpler (ÇDKNT'ler), çözücülerde çözünürlüğü artırmak ve polimer matriks ile ÇDKNT'ler arasındaki ara yüzey bağlanmasını iyileştirmek için yoğun sülfürik ve nitrik asit karışımında kimyasal olarak modifiye edilmiştir. Asit muamelesi ile ÇDKNT'lerin uçlarının başarıyla açıldığı bulunmuştur. Ayrıca, ÇDKNT'lerin uçlarında ve kusur noktalarındaki terminal karbonlar, yoğun sülfürik ve nitrik asit karışımında oksidasyon ile karboksilik gruplara dönüştürülmüştür. ÇDKNT/polietersülfon (C/P) kompozit membranları, faz dönüşüm yöntemi ile sentezlenmiştir. C/P kompozit membranlarının Fourier dönüşüm kızılötesi spektroskopisi (FTIR) analizi, C/P kompozit membranlarının, polietersülfonun (PES) sülfonik grupları ile fonksiyonel ÇDKNT'lerin karboksilik grupları arasındaki hidrojen bağları etkileşimleri yoluyla oluşabileceğini göstermiştir. C/P kompozit membranlarının, çıplak PES membranlardan daha hidrofilik olduğu ve daha yüksek saf su akışına sahip olduğu görülmüştür. Ayrıca, kompozit membranlardaki ÇDKNT miktarının, membranların morfolojisini ve geçirgenlik özelliklerini etkileyen önemli bir faktör olduğu bulunmuştur. Son olarak, C/P kompozit membranlarının su filtrasyonu sırasında ÇDKNT salınımı olmadığı tespit edilmiştir. Ek olarak, C/P kompozit membranlarının protein kirliliği davranışını değerlendirmek için model protein olarak sığır serum albümini (BSA) kullanılmıştır. Sonuçlar, C/P kompozit membranlarının, nötr pH'da 4 saatlik statik protein adsorpsiyonunda, çıplak PES membrana kıyasla %72 daha az kirlendiğini göstermektedir. Ayrıca, protein ultrafiltrasyonundan sonra, C/P kompozit membranlarının geri döndürülemez kirlenmesi, çıplak PES membranlardan neredeyse %40 daha azdı ve 20 dakikalık DI su filtrasyonundan sonra C/P kompozit membranlarının akış geri kazanım oranı, çıplak PES membrana göre %40 daha yüksekti. Bu sonuçlara dayanarak, C/P kompozit membranlarının protein kirliliği etkilerini hafifletme potansiyeline sahip olduğu ve basit su ile yıkama sonrası protein filtrasyonunun birkaç kez kullanımı için uygun olabileceği gösterilmiştir. C/P kompozit membranlarının antimikrobiyal özellikleri ve biyo-kirlilik direnci, model organizmalar olarak Escherichia coli (E. coli) ve Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) kullanılarak araştırılmıştır. Sonuçlar, ÇDKNT'lerin membran yapısındaki dağılımının, kompozit membranların biyo-kirlilik direncinde önemli bir faktör olduğunu göstermektedir. Burada, %0.5 ÇDKNT içeriğine sahip kompozit membranlar (C/P-0.5%), hücreler membran yüzeyine yerleştirildiğinde E. coli'nin tamamen inaktive olduğunu göstermiştir. Ayrıca, membranlar P. aeruginosa süspansiyonlarına inkübe edildiğinde, C/P-0.5% membran, 24 saatte çıplak PES membranına kıyasla neredeyse %87 daha az biyo-kirlilik göstermiştir ve biyo-kirlilik direnci, 4 günde %92'ye yükselmiştir. Kompozit membranlar üzerindeki azalmış biyofilm oluşumu, artan hidrofiliğe ve bakteri hücreleri ile ÇDKNT'lerin iğne benzeri yapısı arasındaki doğrudan temas ile bakteri hücrelerinin inaktive edilmesine bağlanabilir. Sonuç olarak, karbon nanotüp karışımlı polimerik membranların, su işleme sistemlerinde mikrobiyal bağlanmayı ve biyofilm oluşumunu engellemek için kullanışlı olma potansiyeli vardır. C/P kompozit membranlarının yüzey suyu arıtma testleri, Yeongsan Nehri suyu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. 7 mgC/L TOC içeriği ile 24 saatlik yüzey suyu filtrasyonundan sonra, C/P kompozit membranları, çıplak PES membranlara göre daha yüksek akış ve daha yavaş kirlenme oranı göstermiştir. Ayrıca, C/P kompozit membranları, çıplak PES membranlara göre %20 daha yüksek NOM reddi göstermiştir. Desorbe edilen kirleticilerin sonraki analizleri, çıplak PES membranlarındaki kirletici miktarının, %2 ÇDKNT içeriği için C/P kompozit membranından %63 daha yüksek olduğunu göstermiştir. Böylece, C/P membranlarının CNT içeriğinin, yüzey suyu kaynaklı membran kirlenmesini hafiflettiği gösterilmiştir. turkceye cevir The primary membrane material used in membrane technology is polymers due to their good flexibility, toughness, and separation properties. However, their limitations in chemical, mechanical and thermal resistances and shorter lifetime restrict their wider applications. Hence, producing organic – inorganic composite membranes with excellent separation performance and adaptable to rigorous environmental conditions has been attracting a great deal of interest. Previous reports have shown that there is a high potential for carbon nanotubes (CNTs) to improve the material properties of polymers due to their exceptionally high aspect ratio in combination with low density, and high strength and stiffness. In this study, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were chemically modified in concentrated sulfuric and nitric acid mixture in order to increase the solubility in solvents and to improve the interfacial bonding between the polymer matrix and MWCNTs. It is found that the tips of the MWCNTs opened successfully by acid treatment. Moreover, the terminal carbons at the end tips and at the defect sites of the MWCNTs converted to carboxylic groups by oxidation in concentrated sulfuric and nitric acid mixture. MWCNT/polyethersulfone (C/P) composite membranes were synthesized via the phase inversion method. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis of the C/P composite membranes showed that, the C/P composite membranes might be formed via hydrogen bonding interactions between the sulfonic groups of polyethersulfone (PES) and the carboxylic groups of functionalized MWCNTs. The C/P composite membranes appeared to be more hydrophilic, with a higher pure water flux than the bare PES membranes. It was also found that the amount of MWCNT in the composite membranes was an important factor affecting the morphology and permeation properties of the membranes. Finally, there was no MWCNT release during the water filtration of the C/P composite membranes. Furthermore, Bovine serum albumin (BSA) was used as a model protein to assess the protein fouling behavior of the C/P composite membranes. The results show that the C/P composite membranes were fouled 72% less compared to the bare PES membrane at 4 h of static protein adsorption at neutral pH. Moreover, the irreversible fouling of the C/P composite membranes was almost 40% less than the bare PES membranes after 1 h of protein ultrafiltration, and the flux recovery ratio of the C/P composite membranes was 40% higher than the bare PES membrane after 20 min of DI water filtration. Based on these results, C/P composite membranes were shown to have the potential to alleviate the effects of protein fouling, thereby enabling the C/P composite membranes to be used for several runs of protein filtration after simple washing with water. The antimicrobial properties and biofouling resistance of the C/P composite membranes were explored using Esherishia coli (E. coli) and Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) as model organisms. The results show that the dispersion of the MWCNTs in the membrane structure is an important factor in the biofouling resistance of the composite membranes. Here, composite membranes with 0.5% of MWCNT content (C/P-0.5%) showed total inactivation of E. coli when the cells were deposited onto the membrane surface. Furthermore, when the membranes were incubated in P. aeruginosa suspensions, C/P-0.5% membrane showed almost 87% less biofouling at 24 h, with the biofouling resistance increasing to 92% at 4 d, compared to the bare PES membrane. The decreased biofilm formation on the composite membranes could be associated with the increased hydrophilicity and inactivation of the bacterial cells by direct contact between the bacterial cells and the needle-like structure of the MWCNTs. Consequently, there is potential for the carbon nanotube blended polymeric membranes to be useful for inhibiting microbial attachment and biofilm formation in water processing systems. The surface water treatment tests of the C/P composite membranes were conducted by using Yeongsan River water. After 24 h of surface water filtration with 7 mgC/L TOC content, C/P composite membranes displayed a higher flux and slower fouling rate than the bare PES membranes. Moreover, C/P composite membranes showed 20% higher NOM rejections than the bare PES membrane. Subsequent analyses of the desorbed foulants showed that the amount of the foulants on the bare PES membranes was 63% higher than the C/P composite membrane for 2% of the MWCNTs content. Thus, the CNT content of the C/P membranes was shown to alleviate the membrane fouling caused by surface water.

Özet (Çeviri)

The primary membrane material used in membrane technology is polymers due to their good flexibility, toughness, and separation properties. However, their limitations in chemical, mechanical and thermal resistances and shorter lifetime restrict their wider applications. Hence, producing organic – inorganic composite membranes with excellent separation performance and adaptable to rigorous environmental conditions has been attracting a great deal of interest. Previous reports have shown that there is a high potential for carbon nanotubes (CNTs) to improve the material properties of polymers due to their exceptionally high aspect ratio in combination with low density, and high strength and stiffness. In this study, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were chemically modified in concentrated sulfuric and nitric acid mixture in order to increase the solubility in solvents and to improve the interfacial bonding between the polymer matrix and MWCNTs. It is found that the tips of the MWCNTs opened successfully by acid treatment. Moreover, the terminal carbons at the end tips and at the defect sites of the MWCNTs converted to carboxylic groups by oxidation in concentrated sulfuric and nitric acid mixture. MWCNT/polyethersulfone (C/P) composite membranes were synthesized via the phase inversion method. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis of the C/P composite membranes showed that, the C/P composite membranes might be formed via hydrogen bonding interactions between the sulfonic groups of polyethersulfone (PES) and the carboxylic groups of functionalized MWCNTs. The C/P composite membranes appeared to be more hydrophilic, with a higher pure water flux than the bare PES membranes. It was also found that the amount of MWCNT in the composite membranes was an important factor affecting the morphology and permeation properties of the membranes. Finally, there was no MWCNT release during the water filtration of the C/P composite membranes. Furthermore, Bovine serum albumin (BSA) was used as a model protein to assess the protein fouling behavior of the C/P composite membranes. The results show that the C/P composite membranes were fouled 72% less compared to the bare PES membrane at 4 h of static protein adsorption at neutral pH. Moreover, the irreversible fouling of the C/P composite membranes was almost 40% less than the bare PES membranes after 1 h of protein ultrafiltration, and the flux recovery ratio of the C/P composite membranes was 40% higher than the bare PES membrane after 20 min of DI water filtration. Based on these results, C/P composite membranes were shown to have the potential to alleviate the effects of protein fouling, thereby enabling the C/P composite membranes to be used for several runs of protein filtration after simple washing with water. The antimicrobial properties and biofouling resistance of the C/P composite membranes were explored using Esherishia coli (E. coli) and Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) as model organisms. The results show that the dispersion of the MWCNTs in the membrane structure is an important factor in the biofouling resistance of the composite membranes. Here, composite membranes with 0.5% of MWCNT content (C/P-0.5%) showed total inactivation of E. coli when the cells were deposited onto the membrane surface. Furthermore, when the membranes were incubated in P. aeruginosa suspensions, C/P-0.5% membrane showed almost 87% less biofouling at 24 h, with the biofouling resistance increasing to 92% at 4 d, compared to the bare PES membrane. The decreased biofilm formation on the composite membranes could be associated with the increased hydrophilicity and inactivation of the bacterial cells by direct contact between the bacterial cells and the needle-like structure of the MWCNTs. Consequently, there is potential for the carbon nanotube blended polymeric membranes to be useful for inhibiting microbial attachment and biofilm formation in water processing systems. The surface water treatment tests of the C/P composite membranes were conducted by using Yeongsan River water. After 24 h of surface water filtration with 7 mgC/L TOC content, C/P composite membranes displayed a higher flux and slower fouling rate than the bare PES membranes. Moreover, C/P composite membranes showed 20% higher NOM rejections than the bare PES membrane. Subsequent analyses of the desorbed foulants showed that the amount of the foulants on the bare PES membranes was 63% higher than the C/P composite membrane for 2% of the MWCNTs content. Thus, the CNT content of the C/P membranes was shown to alleviate the membrane fouling caused by surface water.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    480583

    Karbonnanotüp katkılı polimerik membranların içme suyu arıtımında kullanılması

    Using polimeric membranes with carbonnanotube for potable water treatment

    VİLDAN CANSIZ SELÇUK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NEŞE TÜFEKCİ

  2. Tez No

    418759

    Karbon nanotüp takviyeli kompozit yaprak yayın tasarım ve imalatı

    Design and manufacture of carbon nanotube reinforced composite leaf spring

    MEHMET GÜÇLÜ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Makine Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MAHMUT CÜNEYT FETVACI

    PROF. DR. ALAATTİN AKTAŞ

  3. Tez No

    629601

    Dizel-biyodizel karışımına metalik esaslı karbon nanotüp katkı maddesi ilavesinin motor performansı ve egzoz emisyonlarına etkisinin incelenmesi

    Investigation of the effect of metallic based carbon nanotubeadditive on diesel-biodiesel blend on engine performance andexhaust emissions

    ELİF SÜRER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Mühendislik BilimleriGazi Üniversitesi

    Otomotiv Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HAMİT SOLMAZ

  4. Tez No

    790194

    Karbon katkılı iletken polimer kompozitlerin üretimi, karakterizasyonu ve elektromanyetik dalga kalkanlamada kullanımlarının değerlendirilmesi

    Production, characterization and evaluation of their usage in electromagnetic interference shielding of carbon reinforced conductive polymer composites

    BEDRİYE ÜÇPINAR DURMAZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Kimya MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞE AYTAÇ

  5. Tez No

    463750

    Microwave assisted n-hexane reforming on Pt-based catalyst

    Pt katalizörüne dayalı olarak mikrodalga destekli n-hekzan reformasyonu

    MOHAMMED ALI SALIH

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Kimya MühendisliğiYüzüncü Yıl Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HİLAL DEMİR KIVRAK

    DOÇ. DR. ARİF KIVRAK

Geri Dön