Fabrication of innovative nanofiber membranes and development of removal systems for pollutants in various environments
Farklı ortamlardaki kirleticiler için yenilikçi nanofiber membranların üretilmesi ve giderim sistemlerinin geliştirilmesi
- Tez No: 888712
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA YÜKSEL İMER
- Tez Türü: Doktora
- 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: 124
Özet
Bu tez, kil bazlı malzemeleri nanofiberlere entegre ederek yenilikçi nano kompozit nanofiber filtreler geliştirmeyi, karakterize etmeyi ve bu yenilikçi nanofiber filtrelerin performansını iki ana uygulama olan iç ortam hava filtrasyonu ve yer altı suyu remediasyonunda değerlendirmeyi amaçlamaktadır. Nanofiberler düşük üretim maliyetleri, azaltılmış hammadde gereksinimleri, değiştirilebilir yüzey özellikleri, farklı malzemelerle uyarlanabilirlik özellikleriyle çok farklı alanlarda su ve hava filtrasyonunda kullanılmaktadır. Elektroeğirme yöntemiyle üretilen nanofiberlerin karakteristiği ve performansı kullanılan polimerler özelliklerine, katkı maddelerinin çeşidine ve özelliklerinden proses parametrelerine kadar birçok parametreye bağlı olarak değişebilmektedir. Nanofiber filtrelere eklenen nanomateryaller, yenilikçi nanofiber malzemeler için çok önemlidir. Özellikle kil bazlı materyaller, yüksek en boy oranı, uygulama kolaylığı, düşük maliyet, iyi dağılım ve toksik olmama özelliklerinden dolayı filtre malzemelerine entegrasyonda dikkat çekmektedir. Birinci uygulama alanı olarak seçilen iç ortam hava filtrasyonu için yapılan ilk çalışmada nanokil katkılı adsorbatif ve fotokatalitik özelliklere sahip nanofiber filtrelerin üretimi gerçekleşmiştir. Nanofiberlere fotokatalizörlerin entegre edilmesinde iki farklı üretim tekniği kullanılmış olup bunların etkisi detaylı olarak karşılaştırılmıştır. Titanyum dioksitin nanofiber filtrelere entegre edilmesinde elektrospinning hem tek başına kullanılmış hem de elektrospinning ve elektrosprey yöntemlerinin ard arda uygulanmasıyla nanofiber üretimi yapılmıştır.Kullanılan iki yöntemde de eklenen katalizörün aynı miktarda olması önemli bir parametredir. Bu çalışmada nanokilin eklenmesi ve nanokil oranının artması adsorpsiyon kapasitesini %15'ten %40'a çıkarmıştır. TiO2'in nanoliflere elektroeğirme ve elektrosprey yöntemlerinin beraber kullanılması ile entegrasyonunda,sadece elektroeğirme kullanılan üretim yönteminden daha etkili olduğu bulunmuştur.%2 oranında nanokil içeren nanofiber filtreler ve TiO2'in elektrosprey yöntemiyle entegre edildiği durumda yüksek adsorpsiyon ve oksidasyon verimine ulaşılmıştır. Ayrıca yüksek hava geçirgenliği, yüksek filtrasyon verimi ve düşük basınç düşüşü değerleriyle hava filtrasyonu için umut veren malzemeler üretilmiş ve giderim sistemleri tasarlanmıştır. İç ortam hava filtrasyonunun bir diğer uygulama alanı ise bioaerosol giderim çalışmasıdır. Şehirleşmenin artması, iç ortamlarda geçirilen sürelerin şehirleşme ile giderek çoğalması, uzun bir süre dünyayı etkisi altına alan COVID-19 pandemisi ile beraber bakteri ve virüslere karşı etkili malzemeler önemli hale gelmiştir. Elektroeğirme ile nanofiber üretiminin avantajlarına ek olarak bir kil minerali olan Halloysit nanotüplerin nanofiber malzemelere entegrasyonu birçok avantajı da beraberinde getirmiştir. Halloysit nanotüp düşük maliyetli, Türkiye'de rezervi olan, mekanik mukavemeti yüksek, doğal, çevre dostu yapıları, toksik olmaması gibi özellikleriyle hem tezin önemli bir kısmını oluşturmuş hem de yenilikçi nanofiber malzemelerin üretimi konusunda umut verici olmuştur. İç ortam havasından bioaerosol giderimi uygulamasında Halloysit nanotüp katkılı nanofiber filtrelere bir önceki uygulama alanında başarıyla uygulanmış elektrosprey yöntemiyle iki farklı fotokatalizör entegre edilmiştir. Yapılan çalışmada hem HNT/TiO2 hem de HNT/ZnO katkı maddelerinin kombinasyonunun nanofiber filtre yapısına başarıyla entegre edildiği görülmüştür. Halloysit nanotüp katkı maddesinin eklenmesi ve fotokatalizörleri spreylemenin etkisi ile nanofiber hava filtrelerinde, daha düşük basınç düşüşü, yüksek filtreleme verimliliği ve E.Coli'ye karşı yüksek antibakteriyel özellikler elde edilmiştir. Bu özelliklere sahip kompozit filtrelerin üretilmesi kil katkılı nanofiber malzemelerin yüz maskeleri ve iç ortam hava filtresi malzemesi olarak kullanımının önünü açmıştır. Halloysit nanotüp'ün ayrıca nanofiberlerin su buharı geçirgenlik değerlerinin düşmesine neden olması yüz maskeleri ve hava filtre malzemesinde kullanılabilecek umut verici bir nano katkı maddesi olduğunu göstermiştir. Nanofiberlere halloysit nanotüp eklenmesi, iç ortam hava filtreleri için çok önemli bir parametre olan kalite faktörü değerlerinde ciddi bir artışa neden olmuştur. Filtrelerin antibakteriyel davranışı açısından sonuçlar incelendiğinde halloysit nanotüp'ün antibakteriyel özelliklere etkisi oldukça belirgindir. Filtrenin antibakteriyel etkisi polimere %5 halloysit nanotüp ilavesiyle artırılarak bakteri kolonisi oluşumunda 2,49 log azalma sebep olmuştur. TiO2 ve ZnO'in fotokatalizör olarak halloysit nanotüp katkılı nanofiber filtrelere entegrasyonu, UV-A varlığında antibakteriyel aktiviteyi önemli ölçüde arttırmıştır. HNT5-ZnO yapılı kompozit nanofiber filtre, UV'ye maruziyet altında 5,56 log azalmayla güçlü bir antibakteriyel aktivite göstermiştir. Yer altı suyunun filtrasyonu amaçlanan bir diğer uygulama alanında ise, silanlı halloysit nanotüpler içeren hidrofobik nanofiber membranlar, yer altı suyundan bor ve tuz giderimi için elektroeğirme yöntemiyle üretilmiş ve performansları laboratuvar ölçekli Direkt Temas Membran Distilasyon Prosesi sisteminde test edilmiştir. Membran distilasyon prosesi yüksek su akısı sağlarken aynı zamanda çeşitli maddelerin gideriminde su arıtımı için önemli bir yer bulmaya başkamıştır. Yapılan çalışmalar özellikle tuz gideriminde yoğunlaşsa da borun sudan uzaklaştırılması da araştırma konusu olmaya başlamıştır. Membran distilasyonunda konvansiyonel distilasyona göre daha düşük sıcaklıkların kullanılması, daha az enerji ihtiyacı ve atık ısıların kullanılması, filtrasyon ürünlerinin yüksek saflığı, uygulama kolaylığı ve membran distilasyon membranlarının yeniliğe ve gelişime açık olması membran distilasyonunun, bor ve tuzun giderimi için cazip bir seçenek haline gelmesini sağlamıştır. Hidrofobik özellikli silanlı halloysit nanotüp katkısıyla üretilen PVDF nanofiberler daha önce membran distilasyon sistemlerinde kullanılmamış olup elde edilen sonuçlar özellikle bor ve tuzun yer altı suyundan uzaklaştırılmasında umut verici sonuçlar göstermiştir. Elektrospun PVDF nanofiber membranlar,üç farklı halloysit nanotüp konsantrasyonunda üretilmiştir. Silanlı halloysit nanotüp 'ler, nanofiber membranların hidrofobik özelliklerini geliştirmiştir. Silanlı halloysit nanotüp ilavesi, nanofiber membranların mekanik mukavemetini arttırmıştır. Genel olarak silanlı halloysit nanotüp ile üretilen PVDF nanofiberler, saf PVDF nanofiberlere ve ticari PVDF membranlara kıyasla yüksek performans özellikleri göstermiştir. Çalışmada, PVDF_HNT membranları yüksek akı geçirgenliği ve çeşitli konsantrasyonlarda bor gideriminde başarılı sonuçlar elde etmiştir. Bor giderimi için test edilen üç farklı konsantrasyonda PVDF_HNT2 kodlu nanofiber filtre, yüksek hidrofobiklik , yüksek su akısı ve yüksek bor giderim değerleri ile diğer filtrelere göre en iyi performansı sunmuştur. %2 Halloysit nanotüp katkısı ile gerçek yer altı suyundaki bor konsantrasyonu 0,2 ppm'den az ölçülmüştür. Elde edilen bor konsantrasyonu, Dünya Sağlık Örgütü'nün belirlediği 2,4 ppm değerinden düşüktür. %2 oranında silanlanmış halloysit nanotüp içeren PVDF_HNT membranı, gerçek yer altı suyundan bor miktarını %99,95 oranında gidererek, PVDF_HNT membranını yer altı suyundan bor ve tuzun uzaklaştırılması için yeni, yüksek performanslı ve alternatif bir hidrofobik membran distilasyon membranı haline getirmiştir. Silanlı halloysit nanotüp 'ün katkı maddesi olarak kullanılması, halloysit nanotüplerin başka modifiye yapılara izin veren bir yapıya sahip olması membran distilasyon uygulamalarında hidrofobik nanofiberlerin başarılı bir şekilde üretilmesinin yanında ileriki çalışmalar için de umut verici sonuçlar vermiştir.
Özet (Çeviri)
Nanofibers are used in water and air filtration in many different areas. They are characterised by low production costs, lower raw material requirements, changeable surface properties and adaptability to different materials. The properties and performance of nanofibers produced using the electrospinning process can depend on many parameters, from the properties of the polymers used, the type of additives and their properties to the process parameters. Nanomaterials added to nanofiber filters are crucial for innovative nanofiber materials. Clay-based materials in particular are attracting attention for integration into filter materials due to their high aspect ratio, ease of use, low cost, good dispersion and non-toxicity. In the first study carried out for the filtration of indoor air, which was chosen as the first field of application, the production of nanofiber filters with nanoclay, to which adsorptive and photocatalytic properties were added, was realized. Two different production techniques were used for the integration of photocatalysts into nanofibers and their effects were compared in detail. For the integration of titanium dioxide into nanofiber filters, electrospinning alone as well as electrospinning and the electrospray method were used consecutively. An important parameter is that the amount of catalyst added is the same for both methods. In this study, the adsorption capacity was increased from 15% to 40% by adding nanoclay and increasing the nanoclay content. It has been shown that the integration of TiO2 into nanofibers using electrospinning and electrospray is more effective than the production method using only electrospinning. High adsorption and oxidation efficiency was achieved when nanofiber filters with 2% nanoclay and TiO2 were integrated using the electrospray method. In addition, promising materials for air filtration with high air permeability, high filtration efficiency and low pressure drop values were produced and filtration systems were designed. Another area of application for indoor air filtration is the removal of bioaerosols. With increasing urbanization, the resulting longer time spent indoors and the COVID-19 pandemic that has affected the world, materials that are effective against bacteria and viruses have become important. In addition to the advantages of producing nanofibers by electrospinning, the integration of halloysite nanotubes a clay mineral, into nanofiber materials has also brought many benefits. Halloysite nanotube is an important component of this work and has shown promise in the production of innovative nanofiber materials. It is characterized by low cost, reserves in Turkey, high mechanical strength, natural, environmentally friendly structures and non-toxicity. In the application for the removal of bioaerosols from indoor air, two different photocatalysts were integrated into Halloysite nanotubes-additive nanofiber filters using the electrospray method, which had already been successfully used in the previous application area. The study found that the combination of the two additives HNT/TiO2 and HNT/ZnO was successfully integrated into the nanofiber filter structure. With the addition of halloysite nanotubes additives and the effect of spraying photocatalysts, lower pressure drop, high filtration efficiency and high antibacterial properties against E. coli were achieved in the nanofiber air filters. The production of composite filters with these properties has paved the way for the use of nanofiber materials with clay additives as face masks and indoor air filters. In another application aimed at groundwater remediation, hydrophobic nanofiber membranes containing silanized halloysite nanotubes were prepared by the electrospinning method for boron and salt removal from groundwater and their performance was tested in a laboratory-scale direct contact membrane distillation system. PVDF nanofibers produced with the addition of hydrophobic silanized Halloysite nanotubes have not yet been used in membrane distillation systems. The results obtained were promising, especially in the removal of boron and salt from groundwater. Electrospun PVDF_silanized halloysite nanotubes nanofiber membranes were prepared at three different halloysite nanotubes concentrations. Silanized Halloysite nanotubes improved the hydrophobic properties of the nanofibrous membranes. The addition of silanized Halloysite nanotubes increased the mechanical strength of the nanofiber membranes. In general, PVDF nanofibers prepared with silanized halloysite nanotubes showed high performance properties compared to pure PVDF nanofibers and commercial PVDF membranes. The use of silanized halloysite nanotubes as an additive and the fact that halloysite nanotubes have a structure that enables other modified structures have not only successfully produced hydrophobic nanofibers in membrane distillation applications, but also provided promising results for future studies.
Benzer Tezler
- Jeotermal sulardan bor giderimi için yenilikçi hidrofobik membran distilasyonu membranlarının üretilmesi ve proses geliştirilmesi
The fabrication of the innovative hydrophobic membrane distillation membranes and process development for the boron removal from geothermal water
BAHAR ÖZBEY ÜNAL
Doktora
Türkçe
2019
Çevre MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BÜLENT KESKİNLER
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Çamaşır makinesi atık suyunun arıtımı ve yeniden kullanımı için selüloz nanofibril kaplamalı nanolif membranların geliştirilmesi
Development of cellulose nanofibrile coated nanofiber membranes for the treatment and reuse of washing machine wastewater
SEZER GENÇTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA YÜKSEL İMER
- Synthesis, characterization, and application of a novel thin film composite (TFC) forward osmosis (FO) membrane for seawater desalination
Deniz suyu arıtımı için yeni ince film kaplamalı ileri osmoz (İO) membranı üretimi, karakterizasyonu ve uygulanması
RAED M S ELKHALDI
Doktora
İngilizce
2018
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- 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
MEHMET EMİN PAŞAOĞLU
Doktora
İngilizce
2021
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Yapay kas uygulamaları için nanokompozit malzeme geliştirilmesi
Development of nanocomposite material for artificial muscle applications
AYŞE KÜBRA AYDINALEV
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN