Mikrobiyal yakıt hücrelerinde kullanılmak üzere polimerik blend membran sentezi
Polymeric blend membrane synthesis for microbial fuel cells
Yazar: SEMA TUĞÇE BAYKARA
Danışman: PROF. DR. İRFAN AR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Fosil yakıtların önümüzdeki yıllarda enerji ihtiyacını karşılayamayacak olması ve sebep olduğu çevre kirliliği sebepleri ile araştırmacıların son yıllarda temiz enerji eldesi sağlayan yakıt hücreleri üzerine olan çalışmaları artış göstermiştir. Mikrobiyal yakıt hücreleri (MYH), mikroorganizmaların katalitik aktivitesinden yararlanarak temiz enerji eldesi sağlayan yakıt hücrelerinin özel bir sınıfıdır. Bu özel yakıt hücresi sınıfı genellikle atık su arıtımında tercih edilmektedir; ancak enerji elde etme verimleri diğer yakıt hücrelerinden daha düşük olduğundan ve pahalı bileşenlerinden dolayı henüz ticarileşmemiştir. Tez kapsamında gerçekleştirilen bu çalışmadaki amaç, MYH sistemlerinde en çok tercih edilen ticari Nafion membranına alternatif; yüksek verimli ve ekonomik bir membran sentezi gerçekleştirmektir. Yapılan araştırmalar sonucunda poli-eter-eter keton (PEEK) polimeri, sağladığı iyi mekanik ve kimyasal kararlılık, proton iletkenlik özelliği ve ekonomik olma özelliklerinden dolayı sentezlenecek blend membranın ana polimer malzemesi olarak seçilmiştir. PEEK polimerinin sülfolanarak kullanılması membranın proton iletkenliğini artırıcı özellik sağladığından bu çalışmada sülfolanarak kullanılmıştır. Blend membranı oluşturan diğer polimer olarak iyi film oluşturma özelliği sebebi ile polivinil alkol (PVA) tercih edilmiştir. Sentezlenen membranların suda çözünmesinin önüne geçmek ve kimyasala karşı dayanıklı hale getirmek için termal çapraz bağlama işlemi uygulanmıştır. Membranların özelliklerini geliştirmek ve iyileştirmek için membran yapısına titanyum dioksit (TiO2) katkı maddesi ilave edilmiştir. Sentezlenen membranlar; su tutma kapasitesi, şişme özelliği, iyon değişim kapasitesi, empedans analizi, FT-IR analizi ve mekanik dayanıklılık testlerine tabi tutulmuştur. Sonuçlar Nafion 117 ticari membranı ile karşılaştırılarak yorumlanmıştır. Çalışma sonuçları, termal çapraz bağlama işlemi ve TiO2 katkı maddesinin, membranların sudaki çözünürlüğünü azalttığını ve eklenen TiO2 katkı maddesinin proton iletkenliğinde artış sağladığını göstermiştir. En iyi proton iletkenlik değeri, 25 oC'de düzeltilmiş değer ile 0,437 S/cm olarak hesaplanmıştır (6SPEEK/PVA-5T (90:10)). Aynı membranın performans deneyi sonucu güç yoğunluğu 62,8567 μW/m2 olarak bulunmuştur.

Abstract:
Due to the fact that fossil fuels will not be able to meet the energy needs in the coming years and the environmental pollution they cause, the studies of researchers on fuel cells that provide clean energy have increased in recent years. Microbial fuel cells (MFCs) are a special class of fuel cells that provide clean energy by utilizing the catalytic activity of microorganisms. This particular class of fuel cell is generally preferred in wastewater treatment; however, it has not yet been commercialized because its lower energy yields than other fuel cells and its expensive components. The aim of this study, which was carried out within the scope of the thesis is to realize a highly efficient and economical membrane synthesis and it is an alternative to the most preferred commercial Nafion membrane in MYH systems. As a result of the research, polyether-ether-ketone (PEEK) polymer was chosen as the main polymer material of the blend membrane to be synthesized due to its good mechanical and chemical stability, proton conductivity, and being economical. Since the use of PEEK polymer by sulfonation increases the proton conductivity of the membrane, it was also used in this study by sulfonation. Polyvinyl alcohol (PVA) was preferred as the other polymer forming the blend membrane, due to its good film-forming properties. A thermal cross-linking process was applied to prevent the synthesized membranes from dissolving in water and to make them resistant to chemicals. Titanium dioxide (TiO2) additive was added to the membrane structure to improve and improve the properties of the membranes. Synthesized membranes have been subjected to water holding capacity, swelling property, ion exchange capacity, impedance analysis, FT-IR analysis, and mechanical durability tests. The results were interpreted by comparison with the Nafion 117 commercial membrane. The results of the study showed that the thermal crosslinking process and TiO2 additive reduces the water solubility of the membranes and the added TiO2 additive provides an increase in the proton conductivity. The best proton conductivity value was calculated as 0.437 S/cm with the corrected value at 25 oC (6SPEEK/PVA-5T (90:10)). As a result of the performance test of the same membrane, the power density was found to be 62.8567 μW/m2.