Bütanol geri kazanımı için nanokompozit poli (dimetilsiloksan) membran hazırlanması ve pervaporasyon performansının belirlenmesi
Preparation of nanocomposite poly (dimethylsiloxane) membrane for recovery of butanol and determination of the pervaporation performance
Yazar: BÜŞRA DEMET
Danışman: DOÇ. DR. YAVUZ SALT
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Bütanol = Butanol ; Membranlar = Membranes ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Pervaporasyon = Pervaporation ; Polidimetilsiloksan = Polydimethylsiloxane ; Silika jel = Silica gel

Özet:
Yeşil ve sürdürülebilir enerji kaynaklarından biri olan biyoyakıtlar (biyobütanol gibi) enerji krizini ve iklim değişikliğini hafifletmek için umut verici alternatifler olarak büyük ilgi uyandırmıştır. Günümüzde biyoyakıt üretimi, sürdürülebilir bir enerji kaynağı olarak, fosil yakıtlara göre yenilenebilir ve temiz bir alternatif kaynaktır. Bütanol; biyokütle fermantasyonu ile üretilebilen 4 karbonlu bir alkoldür, Azot oksit (NOx) emisyonlarının azaltılmasına katkı sağlaması, düşük uçuculuk, üst ısıl değer gibi üstün özelliklere sahip olması, yakıt olarak kullanılmasını cazip kılar.
Membran teknolojisi, geçirgen membranlar yardımıyla iki faz arasındaki maddelerin taşınmasına yönelik yaklaşımları kapsayan bir araştırma alanına sahiptir. Polimerik ve inorganik membranların kısıtlamalarını geride bırakabilmek için nanokompozit membranlar bir seçenek olarak karşımıza çıkmaktadır. Nanokompozitler membran malzemesinin performansını ve membran ömrünü artırmak için membran teknolojisinde uygulama bulmaktadır. 
Bütanolün sulu çözeltiden geri kazanılması için gelecek vadeden teknolojilerden biri pervaporasyondur ve ayırma işlemi düşük enerji ile gerçekleştirebilir. Bu çalışmada geleceğin önemli bir biyoyakıt maddesi olarak görülen bütanolün pervaporasyon ile geri kazanımı hedeflenmiştir. Bu amaçla polidimetilsiloksan polimeri ve nano dolgu malzemesi olarak silika kullanılmıştır. 
Membranlar hem dolgusuz hem de farklı oranlarda SiO2 nanopartikülleri dahil edilerek çözelti-döküm yöntemi ile hazırlanmıştır. Saf PDMS membrana SiO2 ilavesinin membranın kimyasal bağ yapısında meydana getirdiği değişim FTIR ile analiz edilmiştir. Membranların morfolojik yapıları ise SEM analizleri ile belirlenmiştir. Membranların besleme karışımındaki bileşenlere karşı seçimliliğini belirlemek için sorpsiyon deneyleri yapılarak bileşenleri tutma kapasiteleri belirlenmiştir. SiO2 dolgu miktarının ve proses sıcaklığının membranların ayırma performansına etkisi incelenmiştir. Dolgu oranının artmasıyla akı değerlerinde azalma, sıcaklığın artmasıyla artış olduğu saptanmıştır. En iyi ayırma performansı ağırlıkça %5 SiO2 dolgu oranı ve 50oC operasyon sıcaklığında elde edilmiştir.
Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda geliştirilen membranların izopropilalkol-bütanol-etanol çözeltilerinden bütanolü ayırmada sahip olduğu potansiyel ortaya konmuştur. Bu çalışma fermantasyon sonucu açığa çıkan karışımlardan biyoyakıtların geri kazanımı için yüksek performanslı karışık matris membranların hazırlanması konusunda fikir verebilir.

Abstract:
As one of the green and sustainable energy sources, biofuels (such as biobutanol) have aroused great interest as promising alternatives to alleviate the worsening energy crisis and climate change. Nowadays, biofuels production is a renewable and clean alternative source compared to fossil fuels as a sustainable energy source. Butanol is a 4-carbon alcohol that can be produced by biomass fermentation, its contribution to the reduction of nitrogen oxides (NOx) emissions, its superior properties such as low volatility and high thermal value make it attractive to be used as a fuel.
Membrane technology has a scientific research area covering approaches to transporting materials between two fractions with the help of permeable membranes. Nanocomposite membranes are offered as an alternative to overcome the limitations of both polymeric and inorganic membranes. Nanocomposites find applications in membrane technology to improve the performance of membrane materials and to increase the life of membranes. 
One of the promising technologies for the recovery of butanol from aqueous solution is pervaporation. Because it can realize the separation process with low energy. In this study, it was aimed to recover butanol, which is considered to be an important biofuel substance of the future, by pervaporation. For this purpose, polydimethylsiloxane polymer was used as the active layer and silica was used as the nano filler material. 
In this study, the recovery of butanol, which is considered an important biofuel substance of the future, was aimed by pervaporation. For this purpose, polydimethylsiloxane polymer was used as the active layer and silica was used as the nano-filling material. The membranes are prepared by solution-casting method, including SiO2 nanoparticles both without filling and in different proportions. The change caused by the addition of SiO2 to the pristine PDMS membrane in the chemical bond structure of the membrane was analyzed by using FTIR. Morphological structures of membranes were determined by SEM analysis. In order to determine the affinity of membranes to the components in the feed mixture, sorption experiments were conducted and their capacity to hold the components was determined. The effect of SiO2 filler amount and process temperature on the separation performance of membranes was investigated. It was found that there was a decrease in flux values with an increase in the filler ratio and an increase with an increase in temperature. The best separation performance was achieved at a filler ratio of 5% SiO2 by weight and an operating temperature of 50oC. As a result of the experimental studies, the potential of the membranes developed for separating butanol from IBE solutions has been revealed. This study can give an idea about the preparation of high-performance mixed matrix membranes for the recovery of biofuels from mixtures released as a result of fermentation.