Katalizör katkılı polimerik membran sentezi ve kullanımının enerji verimliliği açısından değerlendirilmesi
Evaluation of catalyst doped polymeric membrane synthesis and use in terms of energy efficiency
Yazar: BAŞAK YİĞİT
Danışman: PROF. DR. KASIM OCAKOĞLU
Tarsus Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Katalizörler = Catalysts ; Polimerik membranlar = Polymeric membranes ; Rutenyum = Ruthenium ; Sığır serum albümin = Bovine serum albumin

Özet:
Yeryüzündeki yaşamın devamlılığı tüketilebilir özellikteki suyun varlığı ile mümkündür. Ancak nüfusun hızla artması ve iklim değişikliği gibi nedenlerle su kıtlığı kaçınılmaz bir noktaya doğru ilerlemektedir. Bu nedenle evsel ve endüstriyel olarak meydana gelen atık suların arıtılması ve geri kazanılması gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Su geri kazanımında en verimli yöntemlerden biri membran teknolojileridir. Membran teknolojilerinde nanobilimden faydalanılarak membran verimlerinin arttırılması için yapılan araştırmaların sayısı gün geçtikçe artmaktadır. Atıksuların içeriğine bağlı olarak membranların yüzeyinde birikim ve tıkanma problemleri meydana gelmekte ve bu nedenle filtrasyon akısında düşüş gerçekleşmektedir. Proses için tasarlanan akı değerine tekrardan ulaşabilmek için basınç değerinin yükseltilmesi gerekmekte ve bu doğrultuda ihtiyaç duyulan enerji miktarı artmaktadır. Bu nedenle son yıllarda membranların kirlenmesine karşı nanomalzeme katkılı membranlarla ilgili çalışmalar hız kazanmıştır. 
Bu tez çalışmasında, rutenyumdioksit (RuO2) nanopartikül katkılı polimerik membranlar hazırlanmış ve sığır serum albümini (BSA) giderimi sırasında membran tıkanma direnci üzerine etkisi ve enerji verimliliğine katkısı incelenmiştir. Rutenyumdioksit katkısı için ağırlıkça üç farklı oran belirlenerek % 0.5 RuO2, % 0.75 RuO2 ve % 1 RuO2 içeren membranlar faz dönüşüm metodu ile sentezlenmiştir. Hazırlanan membranların karakterizasyonu Taramalı Elektron Mikroskopisi/Enerji Dağıtıcı X-Işını Spektroskopisi (SEM/EDS), atomik kuvvet mikroskobu (AFM), gözenek yapısı temas açısı ve ortalama gözenek boyutları ölçümleri yapılarak belirlenmiştir. Ölü sonlu filtrasyon sistemi kullanılarak, farklı basınçlar altında saf su akısı ve kirlenmeye karşı membranların performansları gözlemlenmiştir. Katkılı membranların gözenek sayısında artış gözlemlenirken, gözenek boyutlarında küçülme meydana geldiği, membranların hidrofilik özelliğinde artış olduğu ve saf su akısında iyileşmeler meydana geldiği tespit edilmiştir. Membranlarda nanopartiküller ağırlıkça %0'dan %1.00'e yükseldiğinde gözenekliliğin %56.83'ten %68.94'e arttığı, gözenek boyutunun 16.47 nm'den 6.05 nm'ye kadar küçüldüğü belirlenmiştir. Saf su akış oranının saf membranda 439.7 L/m2/sa iken ağırlıkça %1 RuO2 katkılı membranda 379L/m2/sa düştüğü gözlemlenmiştir. Ağırlıkça %1 RuO2 katkılı membranda BSA reddetme verimliliğinin %45.5'ten %92.6'ya yükseldiği tespit edilmiştir. RuO2 katkılı membranların, BSA filtrasyonu sırasında membran kirliliğinin azalmasında önemli rol oynadığı ve enerji verimliliği açısından uygun özellikler gösterdiği elde edilen veriler doğrultusunda belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Nanomalzeme Katkılı Polietersülfon (PES) Membran Membran, Sığır Serum Albümin (BSA), Rutenyumdioksit (RuO2), Polimerik Membranlarda Enerji Verimliliği

Abstract:
The continuity of life on earth is possible with the existence of consumable water. However, due to the rapid increment in population and climate change, water scarcity is moving towards an inevitable point. For this reason, the treatment and recycling of domestic and industrial wastewater is gaining importance day by day. One of the most efficient methods in water treatment is membrane technologies. The number of studies using nanoscience in membrane technologies to increase membrane efficiency is increasing every day. Depending on the content of the wastewater, accumulation and clogging problems occur on the surface of the membranes, and therefore, the filtration flux decreases. In order to reach desired flux value designed for the process again, the pressure needs to be increased and accordingly the energy requirement is revealed. That is why studies on using membranes with nanomaterials to reduce pollution have gained momentum in recent years.
In this thesis, rutheniumdioxide (RuO2) nanoparticle doped polymeric membranes were prepared and its contribution to energy efficiency during bovine serum albumin (BSA) removal was investigated. Three different ratios were determined for ruthenium dioxide, and membranes containing 0.5% RuO2, 0.75% RuO2 and 1% RuO2 in terms of weight were prepared by phase transformation method. The characterization of the prepared membranes was determined by Scanning Electron Microscopy/Energy Dissipative X-Ray Spectroscopy (SEM/EDS), atomic force microscopy (AFM), pore structure contact angle and average pore size measurements.  Using a dead-end filtration system, the pure water flow and the performance of the membranes against fouling under different pressures were investigated. While an increase was observed in the pore number of the doped membranes, it was determined that the pore sizes decreased, the hydrophilic properties of the membranes increased and the pure water flux improved. It was determined that when the nanoparticles increased from 0% to 1.00% in terms of weight in the membranes, the porosity increased from 56.83% to 68.94%, and the pore size decreased from 16.47 nm to 6.05 nm. It was observed that while the pure water flow rate was 439.7 L/m2/h in the pure membrane, it decreased to 379 L/m2/h in the membrane with 1% RuO2 by weight. It was determined that the BSA rejection efficiency increased from 45.5% to 92.6% in the 1% by weight RuO2 doped membrane. It has been determined in line with the data obtained that RuO2 doped membranes play an important role in reducing membrane pollution during BSA filtration and show suitable properties in terms of energy efficiency.

Keywords: Nanomaterial Doped Polyethersulfone (PES) Membrane Membrane, Bovine Serum Albumin (BSA), Ruthenium dioxide (RuO2), Energy Efficiency in Polymeric Membranes