Polimerik nanokompozit membran üretimi ve modellenmesi
Fabrication of polymeric nanocomposite membrane and it's modelling
Yazar: SEREN ACARER
Danışman: PROF. DR. NEŞE TÜFEKCİ ; DR. GÜLER TÜRKOĞLU DEMİRKOL
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
İçme suyu ve atık suyun arıtımında kullanılan ileri arıtım teknolojilerinden biri de membran teknolojisidir. Membran proseslerle etkili ve verimli bir arıtımın gerçekleştirilmesi için membran üretiminde kullanılan malzemenin yüksek seçicilik ve yüksek geçirgenlik sağlamasının yanında uygun maliyetli olması ve yüksek mekanik dayanıma sahip olması da gerekmektedir. Bu çalışmada, polietersülfon (PES) ve poliviniliden florür (PVDF) polimerleri kullanılarak faz inversiyon yöntemiyle 130 ve 150 µm olmak üzere iki farklı kalınlığa sahip destek tabakalı ve 130 µm kalınlığa sahip destek tabakasız polimerik mikrofiltrasyon membranları üretilmiştir. Üretilen membranların karakterizasyon işlemleri için viskozite, temas açısı, su tutma kapasitesi, zeta potansiyeli, por boyutu ölçümleri yapılmış ve yüzey özellikleri, kimyasal özellikleri ve mekanik dayanımları sırasıyla taramalı elektron mikroskobu (SEM), Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ve dinamik mekanik analiz (DMA) cihazı kullanılarak belirlenmiştir. Karakterizasyonu tamamlanan membranların 1, 1,5 ve 2 bar olmak üzere üç farklı basınç değerinde saf su geçirgenlik testleri yapılmış ve her bir membranın geçirgenlik değeri tespit edilmiştir. Membranların ömür tahmini ve güvenilirliği açısından büyük öneme sahip olan mekanik dayanım, bu çalışma kapsamında incelenmiştir. Halloysit (HNT) ve nano silisyum dioksit (SiO2) katkılı nanokompozit PES ve PVDF membranların elastisite modülleri Mori-Tanaka homojenizasyon yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. Geometrik şeklin ve en/boy oranının membran mekanik davranış üzerindeki etkisini belirlemek amacıyla destek tabakasız saf ve nanomalzeme katkılı PES ve PVDF membranların sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak sayısal analizi yapılmıştır. Membranların modellenmesinde altıgen, dairesel, kare ve 1,5 ile 4 arasında on iki farklı en/boy oranına sahip elips olmak üzere her bir membran için toplam on beş geometrik şekil oluşturulmuştur. Modellenen membranlar eşdeğer gerilme (Von Mises), yer değiştirme ve eşdeğer birim şekil değiştirme olmak üzere üç farklı kriter açısından karşılaştırılmış ve mekanik davranışın genel olarak değerlendirilmesi için sonuçlar görselleştirilmiştir. Bu çalışmaların sonucunda elde edilen veriler değerlendirilerek üretilen membranlar arasında en yüksek mekanik dayanıma ve yüksek permeabiliteye sahip membran tespit edilmiştir. Bu çalışma, içme ve atık suların arıtımında kullanılan membranlarda şekil faktörünün ve en/boy oranının membranın üzerinde meydana gelecek gerilmelerle doğrudan bir bağlantısı olduğunu, membranın mekanik dayanımını etkilediğini ve şeklin sadece membran için bir sınır anlamına gelmediğini ortaya koymuştur.

Abstract:
One of the advanced treatment technologies used in the treatment of drinking water and wastewater is membrane technology. In order to achieve an effective and efficient treatment with membrane processes, the material used in membrane production should not only provide high selectivity and high permeability, but also be cost-effective and have high mechanical strength. In this study, polymeric microfiltration membranes with two different thicknesses (130 and 150 µm) with support layer and 130 µm thickness without support layer were produced using the phase inversion method with polyethersulfone (PES) and polyvinylidene fluoride (PVDF) polymers. Viscosity, contact angle, water holding capacity, zeta potential, pore size measurements were made for the characterization processes of the produced membranes and the surface properties, chemical properties and mechanical strengths of the membranes were determined using scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and dynamic mechanical analysis (DMA) device, respectively. Pure water permeability tests of the membranes of which characterization is completed at three different pressures (1, 1.5 and 2 bar) were performed and the permeability value of each membrane was determined. Mechanical strength, which is of great importance in terms of life estimation and reliability of membranes, has been investigated in this study. The elasticity modules of nanocomposite PES and PVDF membranes with halloysite nanotube (HNT) and nano-silicon dioxide (SiO2) were determined using Mori-Tanaka homogenization method. In order to determine the effect of geometric shape and aspect ratio on membrane mechanical behavior, numerical analysis of PES and PVDF membranes with pure and nanomaterial additive without support layer was performed using finite element method. In the modeling of membranes, a total of fifteen geometric shapes were created for each membrane, including hexagonal, circular, square and ellipse with twelve different aspect ratios between 1.5 and 4. Modeled membranes were compared in terms of three different criteria: equivalent stress (Von Mises), displacement and equivalent unit strain, and the results were visualized for the superficial evaluation of mechanical behavior. Among the membranes produced by evaluating the data obtained as a result of these studies, the membrane with the highest mechanical strength and high permeability was determined. This study revealed that the shape factor and the aspect ratio in membranes used in the treatment of drinking and wastewater have a direct connection with the stresses on the membrane and affect the mechanical strength of the membrane. Moreover, this study shows that the shape does not mean a limit only for the membrane.