Üretilen polimer matrisli nanokompozit membranların çoklu ölçekte modellenmesi
Multi-scale modelling of manufactured nanocomposite membranes with polymeric matrix
Yazar: SEREN ACARER ARAT
Danışman: PROF. DR. NEŞE TÜFEKCİ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Polimerik membranlar düşük maliyetleri ve üretim kolaylıkları nedeniyle su filtrasyon uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada, poliviniliden florürden (PVDF) ve polivinilpirolidondan (PVP) oluşan PVDF/PVP membrana ve polisülfon (PSf) ve PVP'den oluşan PSf/PVP membrana selüloz nanokristal (CNC) ve selüloz nanofiber (CNF) takviyesiyle membranların özelliklerinde ve performansında meydana gelen değişimler araştırılmıştır. PVDF/PVP ve PSf/PVP bazlı membranlara ağırlıkça %0,5 ve %1 CNC veya CNF takviye edilerek takviye oranının membran özelliklerini ve performansını geliştirmeye yönelik etkisi ortaya koyulmuştur. Tüm düz tabaka membranlar solvent olmayan (su) tarafından indüklenen faz inversiyon yöntemiyle üretilmiştir. Üretilen membranların yüzey morfolojisi, pürüzlülüğü, kristalinitesi, porozitesi, ortalama por boyutu, su tutma kapasitesi, mekanik özellikleri karakterize edilmiştir. Üretilen temiz membranların saf su ve yüzeysel su akı performansı 3 bar basınçta dead-end filtrasyon düzeneğinde belirlenmiştir. Yüzeysel su filtre edildikten sonra 15 dakika boyunca fiziksel olarak distile su temizlenen kirli-temizlenmiş membranların saf su akıları 3 bar basınçta tespit edilmiştir. Membranların akı geri kazanım oranı (FRR), toplam kirlenme oranı (Rt), geri dönüştürülemez kirlenme oranı (Rir) ve geri dönüştürülebilir kirlenme oranı (Rr) belirlenerek membranların kirlenmeye karşı direnç performansları değerlendirilmiştir. Membranların kirlenme direncinin daha ayrıntılı olarak incelenmesi amacıyla kirli-temizlenmiş membranların yüzeyleri taramalı elektron mikroskopisi (SEM) ile karakterize edilmiştir. Faz inversiyonla üretilen PVDF/PVP bazlı ve PSf/PVP bazlı membranların morfolojik özellikleri arasındaki farklılık Hansen çözünürlük parametreleriyle açıklanmıştır. Çalışmanın son bölümünde, üretilen nanoselüloz takviyeli nanokompozit membranların elastisite modülleri çeşitli modelleme teknikleriyle (Mori-Tanaka, Sonlu Elemanlar, Voigt-Reuss, Self-Consistent ve Halpin Tsai) tahmin edilmiştir. Modelleme çalışmalarından elde edilen sonuçlar deneysel sonuçlarla (çekme testi sonuçları) karşılaştırılarak modelleme yöntemlerinin tahmin başarısı ortaya koyulmuştur. Bu çalışma, iki nanoselüloz türünün (CNC ve CNF) ve iki takviye oranının (ağırlıkça %0,5 ve %1) membran üretiminde yaygın olarak kullanılan iki polimerik membran matrisinin (PVDF/PVP ve PSf/PVP) özelliklerini ve performansını geliştirmeye etkisinin incelendiği ilk kapsamlı çalışmadır. Su filtrasyon uygulamalarında kullanılması planlanan nanoselüloz takviyeli (CNC, CNF, CNC-CNF) PVDF/PVP ve PSf/PVP membranların elastisite modülü ilk kez bu çalışmada farklı modelleme yöntemleriyle karşılaştırılmalı olarak ortaya koyulmuştur.

Abstract:
Polymeric membranes are widely used in water filtration applications due to their low cost and ease of fabrication. In this study, the changes in the properties and performance of PVDF/PVP membrane composed of polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyvinylpyrrolidone (PVP) and PSf/PVP membrane composed of polysulfone (PSf) and PVP were investigated using cellulose nanocrystal (CNC) and cellulose nanofiber (CNF) reinforcement. PVDF/PVP and PSf/PVP based membranes were reinforced with 0.5 and 1 wt% CNC or CNF and the effect of the reinforcement ratio on the improvement of membrane properties and performance was demonstrated. All flat sheet membranes were fabricated by non-solvent (water) induced phase inversion method. Surface morphology, roughness, crystallinity, porosity, average pore size, water content, mechanical properties of the fabricated membranes were characterized. Pure water and surface water flux performance of the produced clean membranes were determined in a dead-end filtration setup at 3 bar. The pure water fluxes of fouled-cleaned membranes, which were physically cleaned with distilled water for 15 minutes after surface water filtration, were determined at 3 bar. Flux recovery ratio (FRR), total fouling ratio (Rt), irreversible fouling ratio (Rir) and reversible fouling ratio (Rr) of the membranes were determined to evaluate the fouling resistance performance of the membranes. The surfaces of the fouled-cleaned membranes were characterized by scanning electron microscopy (SEM) to further investigate the fouling resistance of the membranes. The difference between the morphological properties of PVDF/PVP-based and PSf/PVP-based membranes produced by phase inversion was explained by Hansen solubility parameters. In the last section of this study, the elasticity modulus of the nanocellulose reinforced nanocomposite membranes were estimated by various modelling techniques (Mori-Tanaka, Finite Element, Voigt-Reuss, Self-Consistent and Halpin Tsai). The results obtained from the modelling studies were compared with the experimental results (tensile test results) and the prediction success of the modeling methods was demonstrated. This is the first comprehensive study to investigate the effect of two nanocellulose types (CNC and CNF) and two reinforcement ratios (0.5 and 1 wt%) on improving the properties and performance of two polymeric membrane matrix (PVDF/PVP and PSf/PVP) commonly used in membrane production. The elasticity modulus of nanocellulose reinforced (CNC, CNF, CNC-CNF) PVDF/PVP and PSf/PVP membranes, which are planned to be used in water filtration applications, was predicted comparatively for the first time in this study with different modeling methods.