Selüloz nanofiber takviyeli kompozit membranların üretimi ve sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi
Manufacturing of cellulose nanofiber composite membranes and modeling by using the finite element method
Yazar: MOAYYAD ALHAMMOD
Danışman: PROF. DR. NEŞE TÜFEKCİ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Membranlar = Membranes ; Polivinilpirollidon = Polyvinylpyrrollidone ; Selüloz lifler = Cellulosic fibers

Özet:
Polimerik membranlar üretim kolaylıkları ve ucuz maaliyetleri nedeniyle su arıtımı amacıyla bilimsel araştırmalarda ve pratikte sıkça tercih edilmektedirler. PES; membran üretiminde yaygın olarak kullanılan kimyasal, termal ve mekanik dayanımı yüksek bir polimerdir. PES membranların dezavantajı hidrofobik yapıda olmalarıdır. Hidrofilik özellikteki nanomalzemelerin membran matrisine dahil edilerek hazırlanan nanokompozit membranlar ile hidrofobik yapı hidrofilik yapıya dönüştürülebilir. Membranlarda hidrofilisitenin arttırılması yalnızca saf su akısının artışına katkıda bulunmaz aynı zamanda membran kirlenmesine karşı direnci arttırarak membranın daha uzun ömürlü kullanılmasına olanak sağlar.
Bu çalışmada, faz inversiyon yöntemiyle üretilen ve ağırlıkça %16 PES içeren polimerik membranlara PVP, CNF ve PVP-CNF ilavesinin membranın kimyasal parmak izine, morfolojisine, yüzey hidrofilisitesine, su tutma kapasitesine, saf su akısına, gözenekliliğine ve ortalama gözenek boyutuna ve kalınlığına etkisi araştırılmıştır. Ayrıca, artan CNF miktarının membrana etkisinin incelenmesi amacıyla membranlara ağırlıkça %0,5 ve %1 CNF ilavesi yapılmıştır. Membranların kimyasal parmak izi Fourier Dönüşümlü Infrared (FTIR) spektroskopisi ile, morfolojisi ise Taramalı Elektron Mikroskopisi (SEM) ile belirlenmiştir. Yüzey hidrofilisitesi temas açısı ölçümüyle karakterize edilirken, su tutma kapasitesi, ortalama gözenek boyutu ve gözeneklilik gravimetrik yöntem kullanılarak hesaplanmıştır. Dead-end filtrasyon sistemiyle membranlardan 3 bar basınçta distile su geçirilerek saf su akısı tespit edilmiştir. PES membran içerisinde artan CNF miktarıyla birlikte gözeneklilik, ortalama gözenek boyutu, su tutma kapasitesi, yüzey hidrofilisitesi, saf su akısı artmıştır. PES membranın saf su akısı %0,5 CNF ve %8 PVP ilavesiyle 221 L/m2.sa'den 373 L/m2.sa'e yükselmiştir.
Ayrıca CNF ilave edilerek üretilen polimerik membranların mekanik karakterizasyonu yapılmış ve mekanik parametreler açısından en uygun olan nanokompozit membran kombinasyonu belirlenmiştir. Bu doğrultuda da membranların mekanik modellenmesinde hem deneysel hem de sayısal yaklaşımlardan faydalanılmıştır. Membranların mekanik karakterizasyonu için deneysel yöntemlerden biri olan çekme deneyine başvurulmuş, sayısal yöntemlerden de sonlu elemanlar yöntemi uygulanmıştır.

Abstract:
Polymeric membranes are frequently preferred in scientific research and practice for water treatment purposes due to their ease of production and low cost. PES; It is a polymer with high chemical, thermal and mechanical resistance, which is widely used in membrane production. The disadvantage of PES membranes is that they are hydrophobic. The hydrophobic structure can be converted to the hydrophilic structure with nanocomposite membranes prepared by incorporating hydrophilic nanomaterials into the membrane matrix. Increasing the hydrophilicity of the membranes not only contributes to the increase in pure water flux, but also increases the resistance against membrane contamination and allows the membrane to be used for a longer life. In this study, the effects of PVP, CNF and PVP-CNF additions on the chemical fingerprint, morphology, surface hydrophilicity, water holding capacity, pure water flux, porosity and average pore size and thickness of the polymeric membranes produced by the phase inversion method and containing 16% by weight PES were investigated. In addition, 0.5% and 1% CNF were added to the membranes in order to examine the effect of increasing CNF amount on the membrane. The chemical fingerprints of the membranes were determined by Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy, and the morphology was determined by Scanning Electron Microscopy (SEM). Surface hydrophilicity was characterized by contact angle measurement, while water holding capacity, average pore size and porosity were calculated using the gravimetric method. Pure water flow was determined by passing distilled water at 3 bar pressure through the membranes with a dead-end filtration system. The porosity, average pore size, water holding capacity, surface hydrophilicity and pure water flux increased with the increasing amount of CNF in the PES membrane. The pure water flux of the PES membrane increased from 221 L/m2.h to 373 L/m2.h with the addition of 0.5% CNF and 8% PVP.
In addition, the mechanical properties of polymeric membranes manufactured by adding CNF were characterized, and the most suitable nanocomposite membrane combination was determined in terms of mechanical loading. In this direction, experimental and numerical approaches were used in the mechanical modelling of membranes. For experimental studies, the tensile test was applied, and for numerical studies, the finite element method was chosen