Fabrication and application of electrospun nanofiber membranes in hybrid anaerobic–gravity driven membrane treatment system
Elektrospun nanolif membranların üretimi ve hibrit anaerobik-yerçekimi sürücülü membran arıtma sisteminde uygulanması
- Tez No: 947287
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DERYA YÜKSEL İMER, PROF. DR. FRANK LİPNİZKİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 179
Özet
Elektroeğirilmiş nanoliflerin (ESN'ler) su filtrasyonu için uygun olmadığı yönündeki yaygın fakat hatalı bir inanç, bu malzemelerin yüksek gözenekliliği, düzensiz gözenek yapısı ve algılanan mekanik zayıflığına dayanmaktadır. Bu yanlış kanı, ESN'lerin ilk olarak hava filtrasyonu ve biyomedikal alanlarda kullanılması ile faz ayrımı yöntemiyle üretilmiş geleneksel membranlarla (örneğin MF/UF) yapılan yanlış karşılaştırmalardan kaynaklanmaktadır. Ancak, kontrollü lif hizalaması, çok katmanlı tasarımlar ve son işlem modifikasyonları gibi son gelişmeler, ESN'lerde hassas gözenek ayarlamaları yapılmasına ve dayanıklılıklarının artırılmasına olanak sağlamıştır. Ayrıca, yapılan çalışmalar bu membranların kirleticileri boyut eleme, adsorpsiyon ve antifouling mekanizmalarıyla etkili şekilde giderdiğini doğrulamaktadır. Bu tez, ESN'lerin yalnızca yüksek performanslı membranlar olarak işlev görebileceğini değil, aynı zamanda yüksek akı, seçici giderim ve enerji verimliliği gerektiren durumlarda geleneksel membranları da aşabileceğini ileri sürmektedir. Gerçekçi çalışma koşullarında yapı-performans ilişkilerinin sistematik olarak incelenmesiyle bu çalışma, yaygın efsaneleri çürütmeyi ve ESN'leri su ve atıksu arıtımı için yeni nesil geçerli çözümler olarak konumlandırmayı amaçlamaktadır. Bu tez kapsamında iki tip ESN geliştirilmiştir: saf PAN içeren kontrol membran (B-ESN) ve PAN ile nanokil (NC) içeren kompozit membran (C-ESN). İlk olarak PAN ve NC konsantrasyonları optimize edilerek incelenmiştir. Daha sonra yapısal etkileri anlamak amacıyla elektrospinning süresi (2, 4, 6, 8 saat) değiştirilmiş ve uzun sürelerin daha kalın, yoğun matlar üreterek mekanik dayanımı ve ayırma performansını artıracağı hipotezi test edilmiştir. Dayanıklılık için yapısal bütünlük ile filtrasyon için geçirgenlik arasındaki denge, atıksu arıtımı açısından sistematik olarak değerlendirilmiştir. Üretilen ESN'ler, çeşitli analitik tekniklerle karakterize edilmiştir. Yüzey morfolojisi ve lif çap dağılımı için Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), malzeme bileşimini doğrulamak için SEM-EDS, fonksiyonel grupların belirlenmesi için FTIR spektroskopisi, yüzey alanı ölçümü için BET analizleri ve gözeneklilik hesaplamaları için gravimetrik yöntem kullanılmıştır. Bu analizler, membranların gözenekli yapısını ve filtrasyon potansiyelini değerlendirmek için kritik veriler sağlamıştır. Bu tez kapsamında üretilen tüm ESN'lerin performansı, adsorpsiyon ve ayırma özellikleri test edilerek belirlenmiştir. Adsorpsiyon kapasitesi, metilen mavisi model kirletici olarak kullanılarak statik ve dinamik modlarda izoterm, kinetik ve yeniden kullanılabilirlik analizleriyle değerlendirilmiştir. Ayırma performansı, boyut eleme mekanizmasına dayanarak değerlendirilmiş ve gerçek evsel atıksuyun (DWW) filtrasyonu ile ticari membranlara karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Eleme mekanizması, ESN permeatındaki partikül boyutlarının ticari membranlarla karşılaştırılması esasına dayanmaktadır. Ayrıca ESN'ler, doğrudan DWW filtrasyonu ve ön arıtma (1.2 µm filtre ile ön filtrasyon ve kimyasal olarak geliştirilmiş çökeltim (CES) uygulanarak da test edilmiştir. ESN'ler, bu tezde yerçekimi ile çalışan membran (GDM) sisteminde test edilmiştir. Yüksek gözeneklilik, ayarlanabilir gözenek boyutu ve geniş yüzey alanı sayesinde ESN'lerin, geleneksel membranlara kıyasla daha üstün mekanik dayanım ve biyofilm uyumluluğu sunduğu düşünülmektedir. Ayrıca düşük enerji gereksinimi ve temizlik/ bakım ihtiyacı olmaksızın uzun süreli stabil akı sağlayabilmesi, GDM sistemlerini sürdürülebilir su/atıksu arıtımı için uygun bir seçenek haline getirmektedir. ESN'lerin gerçek dünya filtrasyon sistemlerindeki uygulanabilirliğini artırmak için, ESN'ler laboratuvar ölçekli bir GDM sistemine entegre edilen yukarı akışlı anaerobik çamur yatağı reaktörü (UASB) ile birlikte test edilmiştir. Bu kısımda sentetik evsel atıksu kullanılarak tüm sistemin performansı değerlendirilmiştir. Deneysel düzenek, 3.2 L'lik bir UASB reaktörü ve paralel bağlı B ve C-ESN'lerle donatılmış 20 L'lik bir GDM sisteminden oluşmaktadır. Sabit organik yükleme oranı (1.5 kg KOİ/m³.gün) altında sistem performansını değerlendirmek için 24, 16 ve 8 saatlik üç farklı hidrolik bekletme süresi (HRT) test edilmiştir. Performans değerlendirmesi, organik madde, partikül madde ve besin maddelerinin giderimi üzerine odaklanmıştır. Ayrıca biyofilm oluşumu, akı stabilizasyonu ve mikrobiyal topluluk dinamikleri gelişmiş analiz teknikleriyle incelenmiştir. Bulgular, UASB reaktörünün 24 saatlik HRT'de %95 KOİ giderimi sağladığını, 8 saatlik HRT'de ise mikrobiyal sindirim süresinin azalması nedeniyle bu verimin %76'ya düştüğünü göstermiştir. GDM sistemi, KOİ giderimini ilave %15–20 oranında artırarak Avrupa deşarj limitlerinin (
Özet (Çeviri)
A common but misguided belief in membrane technology asserts that electrospun nanofibers (ESNs) are unsuitable for water filtration due to their high porosity, irregular pore structure, and perceived mechanical weakness. This misconception originates from early applications of ESNs in air filtration and biomedical fields, as well as unfair comparisons to traditional phase-inversion membranes (e.g., MF/UF). However, recent advancements, such as controlled fiber alignment, multilayer designs, and post-processing modifications, have enabled precise pore tuning and improved durability in ESNs. Moreover, studies confirm their effectiveness in removing contaminants via size exclusion, adsorption, and antifouling mechanisms. This thesis hypothesizes that ESNs can not only function as high-performance membranes but may surpass conventional ones in scenarios demanding high flux, selective removal, and energy efficiency. Through systematic investigation of structure-performance relationships under realistic conditions, this research seeks to dispel prevailing myths and position ESNs as viable next-generation solutions for water and wastewater treatment. This thesis developed two types of electrospun nanofiber membranes (ESNs): bare (B-ESN, pure PAN) and composite (C-ESN, PAN with nanoclay). Membrane composition (PAN and nanoclay concentrations) and electrospinning duration (2–8 hours) were optimized to balance structural integrity and permeability. Longer durations were hypothesized to produce thicker, denser mats with improved mechanical strength but reduced flux. ESNs were characterized using SEM for morphology and fiber diameter, SEM-EDS for elemental composition, FTIR for functional group analysis, BET for surface area, and a gravimetric method for porosity. These analyses provided essential insights into membrane structure and filtration performance. The performance of all ESNs fabricated in this PhD thesis was determined by testing adsorption and separation properties. The adsorption capacity of ESNs (static and dynamic modes) was evaluated using methylene blue as a model contaminant, examining isotherms, kinetics, and reusability via filtration-regeneration cycles. Separation properties of ESNs were evaluated based on their size exclusion mechanism. In this part of the thesis, the separation performance was investigated using real domestic wastewater (DWW) filtration and comparing the performance of ESNs with commercial membranes of known pore size. The sieving mechanism of ESNs was mainly based on measuring the particle size in the permeate of ESNs and compare it to those of the commercial membranes. Additionally, ESNs' performance was evaluated in direct DWW filtration and with applying a pre-treatment namely, pre-filtration with 1.2 µm filter and chemically enhanced settling (CES). The ESNs in this PhD thesis was tested in gravity-driven membrane (GDM) system. The integration of ESNs and GDM is a promising innovation due to the high porosity, tunable pore size, and large surface area of ESNs that potentially offer superior mechanical strength and biofilm compatibility compared to conventional membranes. Additionally, the low energy input and stable flux at long operational period without cleaning and maintenance makes GDM systems a plausible option for sustainable water/wastewater filtration. To enlarge the applicability of the ESNs to real world filtration systems, ESNs were tested in a lab scale GDM system coupled to an flow anaerobic sludge bed reactor (UASB). This part used synthetic DWW to investigate the performance of the entire system. The experimental setup included a 3.2 L lab scale UASB and a 20 L GDM system equipped with B- and C-ESN in parallel. Three hydraulic retention times (HRTs) of 24, 16, and 8 hours were tested to assess system performance under varying conditions with constant organic loading (OLR) of 1.5 kg COD/m3.day. The entire system performance was based on organic matter, particulate matter and nutrients removal. Furthermore, biofilm formation, flux stabilization, and microbial community dynamics were analyzed using advanced technologies. Results demonstrated that the UASB reactor achieved a chemical oxygen demand (COD) removal efficiency of up to 95% at 24-hour HRT, with efficiencies declining to 76% at 8-hour HRT due to reduced microbial digestion time. The GDM system further enhanced COD removal by 15–20%, achieving final permeate concentrations below European discharge limits (
Benzer Tezler
- Novel nanofiber-based membrane separators for lithium-ion batteries
Başlık çevirisi yok
MELTEM YANILMAZ
- Synthesis, characterization and evaluation of skin tissue engineering potential of poly(lactic acid)-nanoclay composite scaffolds doped with various boron components
Çeşitli bor bileşenleri ile katkılandırılmış poli(laktik asit)-nanokil kompozit doku iskelelerinin sentezi, karakterizasyonu ve deri doku mühendisliği potansiyelinin değerlendirilmesi
SARA ASGHARI DILMANI
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
BiyomühendislikHacettepe ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MENEMŞE GÜMÜŞDERELİOĞLU
- 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, characterization and drug release behaviors of electrospun PEtOx/Flubendazole nanofibrous webs
Elektro-eğrilmiş PEtOx/Flubendazol nanofibröz yüzeylerin üretimi, karakterizasyonu ve ilaç salınım davranışları
ELİF SÜRÜCÜ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İPEK YALÇIN ENİŞ
- Gümüş nanotanecik katkılı nanokompozit malzemelerin üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of silver doped nanocomposites
ÖZLEM KABAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADRİYE OSKAY