İzopropanol/su karışımlarının ayrılmasına yönelik karışık matris membranların hazırlanması
Preparation of mixed matrix membranes for the separation of isopropanol/water mixtures
Yazar: HELİN DİLDA FİDANBOY
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ İNCİ SALT ; DOÇ. DR. YAVUZ SALT
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Membranlar, iki faz arasında seçici bir bariyer görevi gören ve maddelerin taşınımını düzenleyen bir ara fazdır. Son yıllarda, membran prosesleri gaz veya sıvı karışımların ayrılması, su ve atık su akımlarının muamelesi ve desalinasyon gibi bir çok endüstriyel uygulamada sıklıkla tercih edilen bir yöntem haline gelmiştir. 
Azeotropik karışımların ayrılmasında birçok avantajı olan pervaporasyon membran prosesi, distilasyon ve buharlaştırma gibi geleneksel ayırma proseslerine göre daha düşük maliyete sahip, yüksek verimlilik sağlayan, aynı zamanda enerji açısından da oldukça verimli bir ayırma prosesidir. Ayrıca pervaporasyon, organik/su karışımlarının dehidrasyonu, sudaki organik bileşenlerin geri kazanılması ve organik-organik karışımların ayrılması için de kullanılabilmektedir. 
Hidrofobik ve elastik bir polimer olan poli(dimetilsiloksan) (PDMS), organik/su karışımlarından çözücü geri kazanımı için yaygın olarak kullanılmaktadır. Poli(vinilalkol) (PVA), maliyetinin düşük olması ve iyi bir stabiliteye sahip olması nedeniyle tercih edilmektedir. PVA, yarı kristalin ve suda çözünebilen bir polimer olup, organik/su karışımlarının dehidrasyonu ve saflaştırılmasında membran malzemesi olarak kullanılabilmektedir. İzopropanolün dezenfektanlar, farmasötikler ve çözücüler gibi çeşitli uygulama alanları mevcuttur. İzopropanol karışımlarının ayrılması, izopropanolün diğer moleküllerle azeotropik bir karışım oluşturma eğiliminden dolayı genellikle zor bir işlemdir. İzopropanol/su sistemi, minimum kaynama noktasına sahip azeotropun varlığı nedeniyle ideal değildir.
Bu çalışmada, izopropanol/su karışımının dehidrasyonuna yönelik homojen PVA ve karışık matris PVA/TiO2 membranlar hazırlanırken, izopropanolün sulu karışımdan geri kazanımına yönelik homojen PDMS ve karışık matris PDMS/13X membranlar hazırlanmıştır. Pervaporasyonda kullanılan gözeneksiz membran boyunca taşınım, sorpsiyon-difüzyon-desorpsiyon adımlarından oluşan çözünme-difüzyon mekanizması ile açıklandığından, sorpsiyon verileri membran performansının değerlendirilmesinde önemlidir. Bu nedenle, hazırlanan PVA ve PDMS bazlı membranlar kullanılarak saf izopropanol, saf su ve izopropanol/su karışımlarında 30, 40 ve 50°C'de sorpsiyon çalışmaları gerçekleştirilmiş ve membran-çözücü etkileşimleri değerlendirilmiştir. Hazırlanan karışık matris membranların yoğunlukları ölçülmüş ve FTIR, FESEM, TGA ve temas açısı analizleri yapılmıştır.
Anahtar Kelimeler: İzopropanol/su karışımı, membran, pervaporasyon, poli(dimetilsiloksan), poli(vinilalkol).

Abstract:
Membranes are an intermediate phase that acts as a selective barrier between two phases and regulates the transport of substances. In recent years, membrane processes have become the preferred method for many industrial applications such as separation of gaseous or liquid mixtures, treatment of water and wastewater streams, and desalination.
The pervaporation membrane process, which has many advantages in the separation of azeotropic mixtures, is a separation process that provides lower cost and higher efficiency than traditional separation processes such as distillation and evaporation, and is also very energy efficient. In addition, pervaporation can be used to dehydrate organic/water mixtures, recover organic components from aqueous mixtures, and separate organic/organic mixtures.
Poly(dimethylsiloxane) (PDMS), a hydrophobic and elastic polymer, is widely used for recovery of organics from organic/water mixtures. Poly(vinylalcohol) (PVA) is preferred because of its low cost and good stability. PVA is a semi-crystalline and water-soluble polymer and can be used as a membrane material in the dehydration and purification of organic/water mixtures. Isopropanol has various applications such as disinfectants, pharmaceuticals and solvents. The separation of isopropanol mixtures is often a difficult process due to the tendency of isopropanol to form an azeotropic mixture with other molecules. The isopropanol/water system is not ideal due to the presence of the azeotrope, which has a minimum boiling point.
In this study, homogeneous PVA and mixed matrix PVA/TiO2 membranes were prepared for dehydration of isopropanol/water mixture, while homogeneous PDMS and mixed matrix PDMS/13X membranes were prepared for recovery of isopropanol from aqueous mixture. Since the transport across the non-porous membrane used in pervaporation is described by a solution-diffusion mechanism consisting of sorption-diffusion-desorption steps, sorption data are important for the evaluation of membrane performance. Therefore, sorption studies were performed at 30, 40 and 50°C in pure isopropanol, pure water and isopropanol/water mixtures using the prepared PVA and PDMS-based membranes and the membrane-solvent interactions were evaluated. The densities of the prepared mixed matrix membranes were measured, and FTIR, FESEM, TGA, and contact angle analyses were carried out.
Keywords: Isopropanol/water mixture, membrane, pervaporation, poly(dimethylsiloxane), poly(vinylalcohol).