Kitosandan hazırlanan hibrid membranlarda su ve uçucu organik maddelerin sorpsiyonu
Sorption of water and volatile organic compounds using kitosan based membranes
Yazar: CANSU GÜLBAY
Danışman: PROF. DR. CEVDET AKOSMAN
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Temel İşlemler ve Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Bentonit = Bentonite ; Geçirgenlik = Permeability ; Membranlar = Membranes ; Sorpsiyon = Sorption

Özet:
Organik sıvı karışımlarının ayrılması ve organik çözücülerden suyun uzaklaştırılmasında yaygın olarak kullanılan yöntemlerin başında pervaporasyon ve adsorpsiyon gelmektedir.  Doğal bir polimer olan kitosanın yüksek hidrofilikliği, iyi şekillendirme kabiliyeti ve kolay modifikasyonu özellikleri ile inorganik dolgu maddelerininin termal kararlılığı ve geniş yüzey alanlarının birleştirilerek hibrid kompozit membranların hazırlanması pervaporasyon ve adsorpsiyon açısından büyük avantaj sağlamaktadır.
Bu çalışmada, deasetilasyon dereceleri farklı ( 82 ve 87) kitosan ve ticari sodyum bentonit örnekleri kullanılarak çözelti-döküm metoduyla homojen kitosan ve farklı kitosan:bentonit oranlarında (2:1, 1:1 ve 1:2) kitosan-bentonit hibrid kompozit membranlar hazırlandı. Hazırlanan membranların SEM-EDX ve FTIR analizleri gerçekleştirilerek fiziksel ve kimyasal yapı aydınlatılması yapıldı. Membranların farklı sıcaklıklarda (30-50 °C) şişme derecesi, su buharı sorpsiyonu, su buharı hızı ve geçirgenliği gibi mekanik özellikleri belirlendi. Membran performansına yönelik olarak da farklı sıcaklıklarda (30-50 °C)  su sorpsionu, organik çözücü (metanol, etanol ve izopropil alkol) sorpsiyonu ve organik çözücü-su karışımlarının sorpsiyonu (dehidrasyon) deneysel çalışmaları yürütüldü.   
SEM-EDX ve FTIR analizi verilerinin değerlendirilmesi sonucunda kitosan ve bentonitin özelliklerine sahip yoğun hibrid kompozit membranların başarı ile elde edildiği belirlendi. Homojen kitosan membranların şişme derecelerinin kompozit membranlara göre yüksek olduğu ve kompozitte bentonit oranı arttıkça şişme derecesinin azaldığı gözlendi. Bununla birlikte sorpsiyon hızının ve geçirgenlik değerlerinin kompozit membrandaki bentonit oranının artmasıyla fazla değişmediği belirlendi.  
Homojen kitosan ve kitosan-bentonit hibrid kompozit membranlardaki etanol, metanol ve izopropil alkol saf organik çözücülerinin farklı sıcaklıklardaki (30, 40 ve 50 °C) sorpsiyon kapasitelerinin metanol>etanol>izopropil alkol sırasında artış gösterdiği görüldü. Her üç bileşen için bütün membranlardaki sorpsiyon prosesinin fiziksel adsorpsiyon olduğu ve maksimum sorpsiyonun 40 °C civarında elde edilebileceği sonucuna ulaşıldı. Alkol sorpsiyon kapasitesilerinde membrandaki bentonit oranının artmasıyla artış görüldü. Alkol-su karışımlarının hazırlanan membranlardaki sorpsiyon kapasiteleri karışımdaki alkol oranının artmasıyla azalma olduğu belirlendi. Bununla birlikte kompozit membrandaki bentonit oranının artmasıyla genel olarak sorpsiyon kapasitelerinde artış gözlendi.

Abstract:
Pervaporation and adsorption are the most commonly used methods for the separation of organic liquid mixtures and the removal of water from organic solvents. The preparation of hybrid composite membranes by combining the high hydrophilicity, good forming ability and easy modification properties of chitosan, a natural polymer, with the thermal stability and large surface areas of inorganic fillers, provides great advantages in pervaporation and adsorption.
In this study, homogeneous chitosan and chitosan-bentonite hybrid composite membranes with different chitosan:bentonite ratios (2:1, 1:1 and 1:2) were prepared by solution-casting method using two chitosans having deacetylation degrees of 82 and 87, and commercial sodium bentonite sample. SEM-EDX and FTIR analyzes of the prepared membranes were performed, and the physical and chemical structures was elucidated. Mechanical properties of the membranes such as swelling degree at different temperatures (30-50 °C), water vapor sorption, water vapor transmittance and permeability were determined. Experimental studies of water sorption, organic solvent (methanol, ethanol and isopropyl alcohol) sorption and sorption  of water from organic solvent-water mixtures (dehydration) at different temperatures (30-50 °C) were carried out for the determination of the membranes performance.
As a result of the evaluation of SEM-EDX and FTIR analysis data, it was determined that dense hybrid composite membranes with chitosan and bentonite properties were successfully obtained. It was observed that the degree of swelling of the homogeneous chitosan membranes was higher than the composite membranes and the degree of swelling decreased as the bentonite ratio in the composites increased. However, it was determined that the sorption rate and permeability values did not change much with the increase of the bentonite ratio in the composite membranes.
It was observed that the sorption capacities of pure ethanol, methanol and isopropyl alcohol in homogeneous chitosan and chitosan-bentonite hybrid composite membranes at different temperatures (30, 40 and 50 °C) increased in order of methanol>ethanol>isopropyl alcohol. It was concluded that the sorption process in all membranes for all three components is physical adsorption and the maximum sorption can be achieved around 40 °C. Alcohol sorption capacities increased with the increase of bentonite content in the membranes. It was determined that the sorption capacity of alcohol-water mixtures in the prepared membranes decreased with the increase of the alcohol composition in the mixture. However, with the increase of the bentonite ratio in the composite membrane, an increase in the sorption capacity was observed in general.