Fundamentals of ion selectivity in charged membranes: Effect of membrane water content
Yüklü membranlarda iyon seçiciliğinin temelleri: Membran su içeriğinin rolü
- Tez No: 999821
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ PINAR AYDOĞAN GÖKTÜRK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
İyon değişim membranları, iyon taşınımını ve seçiciliğini belirledikleri için su arıtımı ve enerji teknolojilerinde kritik bir rol oynar. Ancak membran hidrasyonu, iyonlara özgü etkileşimler ve taşınım mekanizmalarının seçiciliği nasıl şekillendirdiği hâlâ tam olarak açıklığa kavuşmuş değildir. Bu bilgi eksikligi özellikle monovalan iyonlar için önemlidir, çünkü aynı değerlikte olmalarına rağmen bu iyonlar membran içinde farklı sorpsiyon ve taşınım davranışları gösterebilmektedir. Bu tezde, katyon değişim membranlarında monovalan katyon seçiciliğinin kökeni, özellikle membranın su içeriğinin rolü üzerinden incelenmiştir. Çalışmada, ticari ve hidrokarbon bazlı sülfonatlanmış bir katyon değişim membranı olan FKS-50; NaCl, KCl ve CsCl içeren çözeltilerle dengelenmiştir. İyon alım ölçümleriyle, dış tuz derişimi ve karşı-iyon kimliğine bağlı olarak membrana geçen iyon miktarları nicelendirilmiştir. Membran hidrasyonu, gravimetrik su alımı ölçümleri ve dinamik buhar sorpsiyonu (DVS) ile belirlenmiş; diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ile de membran içindeki suyun farklı hâlleri (örneğin daha bağlı ve daha serbest su bileşenleri) ayırt edilmiştir. Elde edilen sonuçlar; iyon bölünmesi (partitioning), difüzyon, geçirgenlik (permeability) ve iyonik iletkenlik analizleriyle desteklenerek, su içeriğinin iyonlara özgü davranışı nasıl yönettiği değerlendirilmiştir. Ayrıca, MCDI çalışması esnasında karşı-iyonlara özgü dinamikler, operando APXPS kullanılarak doğrudan takip edilmiştir. Sonuçlar, monovalan katyonların aynı yüke sahip olmalarına rağmen membran içinde farklı bölünme ve taşınım karakteristikleri sergilediğini ve dolayısıyla seçiciliğin yalnızca elektrostatik yaklaşımlarla açıklanamayacağını göstermektedir. Membran su içeriğindeki değişimlerin hem iyon sorpsiyonunu hem de taşınımı belirgin biçimde etkilediği görülmüş ve bu durum seçiciliğin belirlenmesinde iyon-su-polimer etkileşimlerinin kritik olduğunu ortaya koymuştur. Teorik beklentilerle yapılan karşılaştırmalar ise, idealize modellerin hidratlı ve yüklü membranlarda gözlenen iyonlara özgü etkileri bütünüyle yakalamakta yetersiz kalabildiğini göstermiştir. Bulgularımız, hidratlanmış boyutu daha küçük ve hidratasyon enerjisi daha yüksek iyonların, daha büyük iyonik yarıçapa ve daha düşük hidratasyon enerjisine sahip iyonlara kıyasla daha yüksek bölünme seçiciliği gösterebildiğini ortaya koymaktadır. Buna karşılık, katyon değişim membranı boyunca taşınımda bu iyonlar daha fazla kısıtlanma sergilemekte; bu davranış, membran içindeki serbest su miktarının azalmasıyla uyumlu görünmektedir. Genel olarak bu çalışma, membran hidrasyonunu monovalan iyon seçiciliği ile ilişkilendiren bütüncül bir çerçeve sunmakta ve farklı uygulamalarda iyon-seçici membranların geliştirilebilmesine yönelik temel düzeyde katkı sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Ion exchange membranes play a central role in water treatment and energy conversion and storage applications by governing ion transport and selectivity. However, despite their widespread use, a detailed understanding of how ion-specific interactions, membrane hydration, and transport mechanisms affect selectivity remains limited. This gap is particularly evident for monovalent ions selectivity in charged membranes where ions of identical valence exhibit different sorption and transport behaviors. This thesis investigates the fundamental mechanisms underlying counter-ion selectivity in cation exchange membranes, with a particular emphasis on the role of membrane water content. The study focuses on a commercial hydrocarbon based sulfonated cation exchange membrane (FKS-50) equilibrated with aqueous solutions containing monovalent alkali metal cations (Na, K, and Cs). Ion uptake measurements were conducted to quantify ion sorption as a function of external salt concentration and counter ion identity. Membrane hydration was quantified using macroscopic gravimetric measurements and dynamic vapor sorption (DVS), while differential scanning calorimetry (DSC) was employed to identify and differentiate distinct membrane water states. These experimental results were further complemented by analyses of ion partitioning, diffusion, permeability, and ionic conductivity, which enable to understand the overall picture of ion transport showcasing how membrane water can content play a role in selectivity. In addition to macroscopic characterization of membranes under equilibrium conditions, application of these membranes ın membrane capacitive deionization for selective separation is also examined. Lastly, counter-ion specific dynamics during in membrane capacitive deionization (MCDI) under operation has been probed using ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopic (APXPS) measurements. The results reveal that monovalent cations exhibit distinct partitioning and transport characteristics despite identical charge, indicating that ion selectivity cannot be explained solely by electrostatic considerations. Variations in membrane water content were found to strongly influence both ion sorption and diffusion, highlighting the importance of ion, water and polymer interactions in determining selectivity. On the other hand, comparisons with theoretical expectations further demonstrate limitations of idealized models in capturing ion specific effects in hydrated charged membranes. Our results reveals that ions with smaller hydrated size and higher hydration energy show higher partitioning selectivity compared to an ion with a larger ionic radius and lower hydration energy. However, they exhibit hindered diffusion and migration across a commercial CEM which is associated with the decrease in free water content in the membrane. Overall, this work provides a comprehensive framework linking membrane hydration to monovalent ion selectivity and offers fundamental insight for the advancement of ion-selective membranes for applications.
Benzer Tezler
- Nanofabrication of photonic structure for tin-vacancy center in diamond
Diamond'da kalay-boşluk merkezi için fotonik yapının nanofabrikasyonu
ZEYNEP MELİS ERTUĞRUL
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUHAMMET KÜRŞAT KAZMANLI
- Hedef kimyasala duyarlı floresan malzemelerin sentezi ve kimyasal sensörlerde kullanımı
Synthesis of fluorescent materials sensitive to target chemicals and usage in chemical sensors
FEHMİ KARAGÖZ
- Sanatçıların yarattığı pencereler ve kapılar
Başlık çevirisi yok
ALİ BİRO
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEMRA ÖGEL
- Organic liquid mixture separations by pervaporation
Başlık çevirisi yok
Z.EMRE ORUĞ
Yüksek Lisans
İngilizce
1990
Kimya MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖNER HORTAÇSU
- Gaz ve sıvı fazda çevresel hedef türlerin algılanmasına yönelik 2B CuS ve SnS₂ tabanlı sensörlerin adsorpsiyon ve yüzey kimyasına dayalı analizi
Adsorption and surface chemistry-based analysis of 2d cus and sns₂-based sensors for detecting environmental target species in gas and liquid phases
AYŞE NUR ŞAHİN
Doktora
Türkçe
2026
Fizik ve Fizik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEYNEP GÜVEN ÖZDEMİR
PROF. DR. AHMET ALTINDAL