Karbon nanotüp katkılı poliakrilonitril fiberlerin ileri ozmoz membranlarında destek tabakası olarak hazırlanması
Preaparation of carbon nanotube doped polyacrylonitrile fibers as a support layer for forward osmosis membranes
Yazar: ÖZGÜR ÇAKMAKCI
Danışman: YRD. DOÇ. EVRİM ÇELİK
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Membran sistemlerinde karşılaşılan sorunların (tıkanma, konsantrasyon polarizasyon (KP), zamana bağlı olarak akı azalması gibi) minimize edilebilmesi için membran sentezi konusunda birçok çalışma yapılmaktadır. Elektrikle eğirme yöntemi ile membran hazırlamak bu sentez yöntemlerine örnek verilebilir. 
İleri ozmoz (İO) atık su arıtımı, desalinasyon gibi proseslerde kullanılan basınç tahrikli membran proseslerine alternatif bir membran prosesidir. İO proseslerinde, su transferi için doğal itici güç seyreltik çözelti ile konsantre çekme çözeltisi arasındaki ozmotik basınç farkıdır. İO membranlarının su geri kazanımının yüksek olması, düşük tıkanma eğilimi ve işletiminde neredeyse yok denebilecek kadar az enerji tüketiminin olması gibi birçok avantajı bulunmaktadır.
Membranlarda seçici tabakaya mekanik ve yapısal destek sağlamak için bir destek tabakası bulunmaktadır. Mevcut membran sistemlerinde kullanılan destek tabakası (yaygın olarak Polietilen tereftalat (PET)) İO membranlarında kullanıldığında kalınlığının verdiği dezavantajlardan dolayı membran performansını etkilemektedir. İO membranları için ideal destek tabakasının minimum kalınlıkta ve yüksek poroziteye sahip olması arzu edilen bir durumdur. Elektrikle eğirme yöntemi kullanılarak hazırlanan ultra ince fiberler istenilen bu özelliklerin her ikisine de sahiptir.
Bu çalışmanın amacı İO membranları için elektrikle eğirme yöntemi kullanılarak saf ve karbon nanotüp (KNT) katkılı poliakrilonitril (PAN) fiberlerin üretilmesidir. Bu tez çalışması 4 adımda gerçekleştirilmiştir. İlk adımda, ham çok duvarlı KNT'ler H2SO4/HNO3 asit çözeltisi kullanılarak fonksiyonlaştırılmıştır. İkinci adımda, elektrikle eğirme yöntemi kullanılarak saf PAN ve KNT katkılı PAN (PAN/KNT) fiberler elde edilmiştir. Üretilen fiberlerin karakterizasyonu elektron tarama mikroskobu (SEM), geçirimli elektron mikroskobu (TEM), Fourier kızılötesi dönüşüm spektrometresi (FTIR) ve kalınlık ölçümleri ile yapılmıştır. Ek olarak KNT eklenmesinin viskoziteye etkisinin belirlenebilmesi için viskozite ölçümleri yapılmıştır. Üçüncü adımda, üretilen fiberler üzerine saf polisülfon (PSf) ve KNT katkılı PSf (PSf/KNT) destek tabakaları hazırlanmıştır. Daha sonra dördüncü adımda, sentezlenen PSf destek tabakasının üzerine ara yüzey polimerizasyon yöntemi kullanılarak saf poliamit (PA) ve KNT katkılı PA (PA/KNT) aktif tabakası sentezlenmiş ve 3 katmanlı İO membranları üretilmiştir. Üretilen İO membranlarının ters ozmoz (TO) sistemi kullanılarak saf su ve tuz akıları ile tuz giderim verimleri belirlenmiştir. Ayrıca, İO sistemi kullanılarak da saf su ve tuz akıları belirlenmiş ve İO membranlarının performansları incelenmiştir. Bunun yanında üretilen İO membranlarının karakterizasyonu için su tutma kapasitesi, FTIR, temas açısı, SEM analizleri yapılmıştır. Bunlara ek olarak tez kapsamında sentezlenen İO membranları Hydration Technologies Innovations (HTI) firmasına ait ticari Dried Cartridge membranı ile kıyaslanmıştır.
Tez çalışması sırasında sentezlenen 3 katmanlı İO membranı, HTI firmasına ait ticari İO membranına göre fiberlerin kullanımı ve KNT ilave edilmesinden dolayı saf su akıları, tuz akıları ve tuz giderim verimi bakımından daha iyi performans göstermiştir.

Abstract:
There have been many membrane synthesis methods developed to minimize the problems related to the membranes (such as membrane fouling, concentration polarization and flux decline). Membrane synthesis by electrospinning is one of the examples.
Forward osmosis (FO) which is used for wastewater treatment or desalination is an alternative membrane process for pressure-driven membrane processes. In osmosis process, driving force is osmotic pressure that occurs naturally between dilute solution and concentrate draw solution. FO membranes have several advantages such as; high recovery rate, low fouling tendency and little if any energy consumption.
There is a support layer in the membrane structures to provide mechanical and structural support. Support layers of the present membrane systems (mostly polyethylene terphthalate (PET)) is not suitable to the FO membranes due to their high thicknesses which adversely affects the FO performance. The support layer of the FO membranes should have the lowest possible thickness with high porosity. The fiber mats synthesized by electrospinning can ensure these properties. 
The aim of this study is to synthesise pure and carbon nanotube (CNT) doped polyacrylonitrile (PAN) fibers by electrospinning for FO membranes. The thesis was carried out in four steps. Multi-walled CNTs were functionalized using H2SO4/HNO3 acid mixture in the first step. The second step includes the synthesis of the pure and CNT doped PAN fibers (PAN/CNT) by using electrospinning method. The characterization of the prepared fibers was done by Scanning electron microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM), Fourier Transform Infrared spectrometer (FTIR) and thickness measurements. In addition, viscosity measurements were conducted to determine the effects of the CNT addition on viscosities of the polymer solutions. In the third step, pure polysulfone (PSf) or CNT doped PSf (PSf/CNT) support layers were produced on the fiber mats. Three layered FO membranes were synthesized by producing pure polyamide (PA) or CNT doped PA (PA/CNT) active layers by using interfacial polymerization method onto the PSf support layers in the fourth step. Pure water fluxes, salt fluxes and salt removal efficiencies of the FO membranes were measured by using dead end reverse osmosis (RO) system. Also, pure water fluxes and salt fluxes of the FO membranes were measured by using FO system. Furthermore, water content, contact angle, FTIR and SEM analysis were conducted for the characterization of FO membranes. In addition, produced FO membranes were compared to the commercial FO membranes manufactured by Hydration Technology Innovation (HTI).
In conclusion, FO membranes synthesized had higher pure water and salt fluxes with higher salt rejection due to the usage of the CNT doped fiber mat support layers.