Enhancing permeability and antifouling behavior of polyvinyl chloride ultrafiltration membrane embedded with cucr NLDH/graphene oxide
Cucr nano katmanlı çift hidroksit/grafen oksit katkılı polivinil klorür ultrafiltrasyon memranının akı ve tıkanma engelleyici özelliklerinin geliştirilmesi
- Tez No: 953209
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BİHTER ZEYTUNCU GÖKOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 104
Özet
Arıtma teknolojileri, çeşitli kirleticiler içeren dünya çapında bir endişe olan su kirliliğinin üstesinden gelmek için zorunlu bir teknolojidir. Su kaynaklarının başlıca kirleticileri, çeşitli endüstriler tarafından boşaltılan organik çözücüler, petrol sızıntısı ve boyalarla ilgilidir. Membran ayırma prosesleri, avantajlı performansı, daha düşük sermaye maliyeti, ölçek büyütme kolaylığı ve enerji kullanımında düşük maliyetli olması nedeniyle diğer geleneksel ayırma yöntemlerine göre daha çok tercih edilmektedir. Bazı seçkin membran bazlı ayırma prosesleri, ters ozmoz (RO), mikrofiltrasyon (MF), nanofiltrasyon (NF), ultrafiltrasyon (UF) ve pervaporasyona (PV) atfedilebilir. Bu prosesler arasında, UF membranları, 1-100 nm çapındaki çözünenleri tutabilen atık su arıtımında ve gıda endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bileşen malzemelere göre, membranlar organik (polimerik) ve inorganik membranlar olarak sınıflandırılır. Yüksek uyarlanabilirlik, gözenek boyutu ayarı ve fabrikasyon parametreleriyle ayarlanan özellikler gibi bazı avantajlar, araştırmacıları polimerik membran üretimine sevk etmektedir. Bu bağlamda, ticari ultrafiltrasyon membranlarının küçük bir kısmında inorganik membranlar kullanılırken, polimerik membranlar önemli bir role sahiptir. Solvent kaynaklı olmayan faz ayırmanın (NIPS) basitliği ve çok yönlülüğü nedeniyle, elektrospin, termal kaynaklı faz ayırma, buhar kaynaklı faz ayırma ve buharlaşma kaynaklı faz ayrımı gibi diğer yöntemlere kıyasla polimerik membran üretimi için geliştirilen çeşitli teknikler arasında büyük ilgi görmüştür. Özetle, NIPS'nin üretim mekanizması, çözücü/polimer çözeltisinin daldırılmasıyla iki fazın oluşumuyla elde edilen sıvı-sıvı karışımında bir pıhtılaşma banyosuna ve ardından polimer çözeltisinden çözücü olmayan bir madde aracılığıyla bir çökeltme banyosundan çözücü değişimi ile açıklığa kavuşturulabilir. Polisülfon (PSf), poliviniliden florür (PVDF), polietersülfon (PES), poliakrilonitril (PAN), selüloz asetat (CA), polivinil klorür (PVC) ve polieter imid (PEI) dahil olmak üzere çok çeşitli polimerler membranların imalatında kullanılmıştır. Bununla birlikte, PVC, düşük fiyatı, uygun kimyasal ve mekanik özellikleri, N-metil pirolidon (NMP), dimetil asetamid (DMAc), tetrahidrofuran (THF) ve dimetil formamid (DMF) ve ayrıca NIPS yöntemi için çalışma imkanı gibi çeşitli endüstriyel çözücülerde çözünürlüğü sayesinde uygun bir seçim gibi görünmektedir. Membranların birincil sınırlamalarından biri, gözeneklerin ve zarların yüzeyinin istenmeyen çözünür ve parçacıklı malzemeler tarafından biriktiği kirlenme olgusuna atfedilir. Hidrofobik mikroorganizmaların ve proteinlerin kirlenmesini kolaylaştıran polimer malzemelerin hidrofobik yapısından türetilir. Bu nedenle, membran performansının bozulması, akı azalması ve kullanım ömrünün kısalması, kirlenmenin sıralarıdır. Membranların tıkanmasının üstesinden gelmek için çeşitli stratejiler önerilmiştir. Çeşitli hidrofiliklik seviyelerine sahip iki polimer malzemenin karıştırılması yoluyla membranların üretilmesi, kirlenmenin azaltılması için faydalı yöntemlerden biridir. Öte yandan, döküm çözeltisine çeşitli nanomalzemelerin dahil edilmesiyle karışık matrisli membranların (MMM'ler) hazırlanmasının, yüzey hidrofilikliğini ve kirlenme önleyici özelliklerini geliştirmek için uygun bir yöntem olduğu bulundu. Nanomalzemelerin kapsamlı araştırmasını örneklemek için, çinko oksit (ZnO), titanyum dioksit (TiO2), grafen oksit (GO), karbon nanotüpler (CNT'ler), alümina Al2O3), silika (SiO2), zirkonyum dioksit (ZrO2) ve tungsten trioksit (WO3) gibi bazı iyi bilinen nanomalzemelerin kullanımından bahsetmek kayda değer olacaktır. [M2+1-x M3+ (OH)2]x+[An-]x/n.yH2O genel formülüne sahip katmanlı çift hidroksitler (LDH'ler), yüksek yüzey alanı, yüksek anyon değişim kapasitesi ve ayarlanabilir bileşim ara katman galerileri dahil olmak üzere çeşitli özellikler sayesinde ilgi çekici bir şekilde araştırılan iki boyutlu (2D) bileşiklerin başka bir sınıfıdır. M3+ ve M2+ terimleri, üç değerlikli ve iki değerlikli metal katyonlarına atfedilirken, An-, LDH'lerin katmanları arasındaki yük dengeleyici anyonları belirtir. Elektrostatik etkileşim ve katyonların ve anyonların boyut-yük oranı ile hidrojen bağı, LDH'lerin stabilitesine katkıda bulunur. LDH'lerin yakıt hücreleri, ilaç dağıtımı, kataliz, alev geciktiriciler, elektrokimyasal algılama, optik sensörler, süper kapasitörler, biyosensörler ve biyomedikal uygulamalardaki kapsamlı uygulamalarının yanı sıra membran teknolojilerinde de çalışılmıştır. Florür ve fosfatın adsorpsiyon yoluyla uzaklaştırılması için Mg-Al-Fe LDH'nin dahil edilmesiyle PES membranının hazırlanması, bunların membran modifikasyonunda kullanımlarını örneklemek için ilgi çekiçi bir çalışma olabilir. Ayrıca, LDH/GO/PVDF kompozit membran tarafından Cu2+ ve metilen mavisinin (MB) uzaklaştırıldığı rapor edilmiştir. Bu çalışmada, PVC membranlara farklı miktarlarda CuCr LDH-GO dahil edilmiştir. Çalışmanın temel amacı, membranların tıkanma engelleyici özellikliğini ve giderim performansının iyileştirilmesine bağlanabilir. Bu amaçla, CuCr LDH-GO'nun yardımcı çöktürme yöntemi ile sentezlenmesinden sonra, döküm öncesi polimerik çözeltiye nanopartiküllerin dahil edilmesi yoluyla NIPS yöntemi kullanarak kompozit membranlar üretilmiştir. Membran karakterizasyonunun yanı sıra, farklı boyalar ve bovin serum albümini (BSA) proteini ayırarak membranların tıkanma engelleyici ve giderim performansı değerlendirildi. Ayrıca CuCr LDH-GO ile modifiye edilmiş membranların fotokatalitik özellikleri değerlendirildi. PVC membranların ortalama gözenek boyutu ve gözenekliliği, farklı konsantrasyonlarda nanoparçacıkların varlığında değişim gözlenmiştir. Ek olarak, PVC membran matrisindeki CuCr NLDH-GO konsantrasyonunun arttırılmasıyla, PVC membranların ortalama yüzey pürüzlülüğü ve hidrofilikliği iyileştirildi. CuCr NLDH-GO'nun PVC membran matrisine eklenmesi, Young's modül ve uzama sonuçlarına göre membranların mekanik özelliklerinin iyileştirilmesinde etkili olduğu bulundu. 71,1 L/m2h ile modifiye edilmemiş membran ile karşılaştırıldığında, 161.3 L/m2h ile ağırlıkça %1 membranda su akışının neredeyse iki kat arttığı gözlemlendi. Ayrıca, modifiye edilmiş membranların tıkanma engelleyici performansı değerlendirildi. Modifiye edilmemiş membranın %54.3'ünden, ekleme yapılan membran için yaklaşık %65 FRR'a yani %20 iyileşme elde edildi. Membran yıkaması sırasında UV ışınlaması uygulanarak, CuCr NLDH-GO'nun fotokatalitik özelliği, tıkanma engelleyici performansında açıkça kanıtlanmıştır.
Özet (Çeviri)
Purification technologies are imperative to overcome water pollution as a worldwide concern, which contains various contaminants. The major pollutants of water sources are related to the organic solvents, oil spillage, and dyes discharged by various industries. Membrane separation processes are preferable among other conventional separation methods because of advantageous performance, lesser capital cost, facile scale-up, and cost-efficient in energy use. Some eminent membrane-based separation processes can be attributed to reverse osmosis (RO), microfiltration (MF), nanofiltration (NF), ultrafiltration (UF), and pervaporation (PV). Among these processes, ultrafiltration membranes are extensively used in wastewater treatment and the food industry, which are able to retain solutes with a diameter of 1–100 nm. Based on the constituent materials, membranes are classified into organic (polymeric) and inorganic membranes. Some advantages such as high adaptability, pore size adjustment, and properties tuning by fabrication parameters propel the researchers to polymeric membranes fabrication. In this context, inorganic membranes are utilized in a small part of commercial ultrafiltration membranes, while polymeric membranes have a prominent role. Due to the simplicity and versatility of non-solvent induced phase separation (NIPS), it has received great attention among the various techniques developed for the fabrication of polymeric membrane compared to other methods like electrospinning, thermal-induced phase separation, vapor-induced phase separation, and evaporation-induced phase separation. In summary, the fabrication mechanism of NIPS can be clarified in liquid−liquid demixing attained by the formation of two phases through the immersion of solvent/polymer solution into a coagulation bath and subsequent solvent exchange from the polymer solution through a non-solvent from a precipitation bath. A wide range of polymers, including polysulfone (PSf), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethersulfone (PES), polyacrylonitrile (PAN), cellulose acetate (CA), polyvinyl chloride (PVC), and polyether imide (PEI) have been used for the fabrication of membranes. However, PVC seems to be a convenient choice thanks to its low price, decent chemical and mechanical properties, solubility in diverse industrial solvents like N-methyl pyrrolidone (NMP), dimethyl acetamide (DMAc), tetrahydrofuran (THF), and dimethyl formamide (DMF) and also operation possibility for NIPS method. One of the primary limitations of membranes is attributed to the fouling phenomenon, in which the pores and membranes' surface are accumulated by unwanted soluble and particulate materials. It is derived from the hydrophobic nature of polymer materials that facilitate the fouling of hydrophobic microorganisms and proteins. Therefore, membrane performance deterioration, flux alleviation, and lifetime shortening are the sequences of fouling. Several strategies have been proposed to overcome the membranes' fouling. Fabrication of membranes via blending two polymer materials that possess various hydrophilicity levels is one of the useful methods for fouling reduction. On the other hand, the preparation of mixed-matrix membranes (MMMs) by incorporation of various nanomaterials in the casting solution was found to be a suitable method to enhance surface hydrophilicity and antifouling properties. To exemplify the extensive investigation of nanomaterials, it would be noteworthy to mention the utilization of some well-known nanomaterials such as zinc oxide (ZnO), titanium dioxide (TiO2), graphene oxide (GO), carbon nanotubes (CNTs), alumina (Al2O3), silica (SiO2), zirconium dioxide (ZrO2), and tungsten trioxide (WO3). Layered double hydroxides (LDHs) with the general formula of [M2+1-x M3+ (OH)2]x+[An-]x/n.yH2O, are another class of two-dimensional (2D) compounds that have been attractively investigated thanks to the various properties, including, high surface area, high anion exchange capacity, and adjustable composition interlayer galleries. The terms M3+ and M2+ are attributed to the trivalent and divalent metal cations, while An- indicates the charge compensating anions between LDHs' layers. Electrostatic interaction and hydrogen bonding with size to charge ration of cations and anions contribute to the stability of LDHs. Besides the extensive applications of LDHs in fuel cells, drug delivery, catalysis, flame retardants, electrochemical sensing, optical sensors, supercapacitors, biosensors, and biomedical applications, they have been studied in membrane technologies. Preparation of PES membrane by incorporating Mg-Al-Fe LDH for adsorptive removal of fluoride and phosphate can be an interesting study to exemplify their utilization in membrane modification. Moreover, the removal of Cu2+ and methylene blue (MB) by LDH/GO/PVDF composite membrane was reported. In this work, different amounts of CuCr LDH-GO were incorporated into PVC membranes. The main purpose of the study can be attributed to the improving antifouling properties and rejection performance of membranes. Within this aim, after synthesizing the CuCr LDH-GO by co-precipitation method, composite membranes were fabricated via the NIPS method through the incorporation of nanomaterials in polymeric solution before casting. Alongside the membrane characterization, the antifouling and rejection performance of membranes was assessed by separating different dyes and bovine serum albumin (BSA) protein. In addition, the photocatalytic property of CuCr LDH-GO-modified membranes were evaluated. The mean pore size and the porosity of the PVC membranes were affected in the presence of different concentrations of nanomaterials. Additionally, by increasing the concentration of the CuCr NLDH-GO in the matrix of the PVC membrane, the average surface roughness and the hydrophilicity of the PVC membranes were improved. Introduction of the CuCr NLDH-GO into the matrix of the PVC membrane was found to be effective in improving the improvement of mechanical properties of membranes based on the results of young modulus and elongation. Almost twofold enhancement of water flux was observed in 1 wt% membrane with 161.3 L/m2h compared to the bare membrane with 71.1 L/m2h. Moreover, the antifouling performance of modified membranes was assessed, and 20% improvement of FRR from 54.3% of the bare membrane to approximately 65% for the incorporated membrane was obtained. By applying the UV irradiation during the membrane washing, the photocatalytic property of CuCr NLDH-GO was clearly proved in antifouling performance.
Benzer Tezler
- Barsaklardan paraselüler ilaç absorpsiyonu üzerine permeabilite artırıcı ajanların etkisinin araştırılması
Investigation of effect of permeability enhancing agents on paracellular drug absorption in intestine
MÜGE ATEŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Eczacılık ve FarmakolojiHacettepe ÜniversitesiFarmasötik Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELMA ŞAHİN
YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA SİNAN KAYNAK
- Synthesis, characterization and investigation of antioxidant, antibacterial properties of different nanocomplexes loaded with 6-thioguanine
6-tiyoguanin yüklü farklı nanokomplekslerin antioksidan, antibakteriyel özelliklerinin sentezi, karakterizasyonu ve araştırılması
ZEYNEP SENA ŞİMDİM
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Kimyaİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLŞAH ŞANLI MOHAMED
- Sefiksimin düşük çözünürlük ve permeabilitesinin siklodekstrin kompleksleri kullanılarak artırılması üzerine çalışmalar
Studies for enhancing poor solubility and permeability of cefixime using cyclodextrin complexation
NURTEN ÇELEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Eczacılık ve FarmakolojiHacettepe ÜniversitesiFarmasötik Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEMA ÇALIŞ
- Düşük geçirgenlik ve çözünürlük gösteren farmasötik formun kalite tasarımı ile geliştirlmesi ve in-vitro farmakokinetik çalışması
Development of a low permeability and solubility pharmaceutical form by quality design and in vitro pharmacokinetic study
ERHAN KOÇ
Doktora
Türkçe
2023
BiyomühendislikYıldız Teknik ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RABİA ÇAKIR
- Fabrication and in vitro investigations of nanoparticles integrated microneedle patches as transdermal drug administration
Transdermal ilaç uygulamalari için nanoparçacik ile katkilandirilmiş mikro iğne yamalarinin üretimi ve in vitro araştirmalari
AYLİN KOÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Biyomühendislikİzmir Katip Çelebi ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DİDEM ŞEN KARAMAN