Fabrication and characterization of polyethersulfone /multiwalled carbon nanotube hollow fiber ultrafiltration membranes

Su, bütün dünya üzerinde yaşayan canlılar için en önemli maddedir. Su bu kadar önemliyken yaklaşık 2.7 milyar kişinin hali hazırda içilebilir su kaynaklarına ulaşamaz durumda olması, bu sayı daha da artmadan bizleri bu duruma çare olabilecek yeni yöntemler bulmaya itmektedir. Son yıllarda membran teknolojileri, su, atıksu ve proses suyunu arıtmada önemli bir yer almıştır. Membranlarda sıkça karşılaşılan sorunlar kirlenme ve konsantrasyon polarizasyonudur. En iyi özelliklere sahip bir membranda olması gerekenler yüksek bir geçirgenlik değeriyle birlikte yüksek bir giderim veriminin de olması, ayrıca düşük kirliliğe ve ilk yatırım maliyetiyle işletim maliyetinin de düşük olmasıdır. Teknolojideki gelişmeler sayesinde membran kirlenmesiyle başa çıkabilecek yeni teknolojiler ortaya çıkmıştır. Nanoteknoloji sayesinde membranların kullanımını daha geniş bir çerçeveye yaymak mümkün olacaktır. Çünkü nanoparçacık katılarak üretilen membranların saf membranlara göre üstün özellikler sergilediği ve membran performansını da iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Bu çalışmada polietersülfon ultrafiltrasyon membranına farklı fonksiyonelliğe sahip çok duvarlı karbon nanotüp eklenip, membranların karakterizasyonu yapılmıştır ve bu nanotüplerin membran kirlenmesi üzerine etkileri incelenmiştir. Bu amaçla kullanılan farklı fonksiyonelliğe sahip çok duvarlı karbon nanotüpler, karboksil ve hidroksil çok duvarlı karbon nanotüpleri olmuştur. İçi boşluklu membranlar faz ayrımı metodu kullanılarak üretilmiştir. En uygun çözelti reçetesini bulana kadar birçok farklı konsantrasyon ve farklı malzemeler katılarak membran üretilmiştir. Bunların sonucunda %20 PES, %5 PVP K30, %2 PVP K90 ve %73 DMF kullanılmasına karar verilmiştir. Daha sonra bu reçete kullanılarak 7 farklı membran dökülmüştür. Döküm çözeltisine % 0.2, %0.4, %0.8 oranında hem karboksil hem de hidroksil çok duvarlı karbon nanotüp eklenmiş ve membranlar üretilmiştir. Her çözelti dökülürken 3 farklı işletim parametresiyle oynanıp 3 farklı membran örneği alınmıştır. Parametrelerdeki değişkenler çekme hızı ve hava boşluğu olmuştur. Membranlar üretildikten sonra 12 saat boyunca suda yıkanmıştır. Üretilen membranların yarısı üretim sonrası prosese tabi tutulmuştur. Bu proseste membranlar 4000ppm lik sodyum hipoklorit çözeltisine konmuş ve 2 gün bekletilmiştir. Sonrasında bütün membranlar %10/90'lık gliserol/su çözeltisine konmuştur. Membran modülleri hazırlanmıştır ve bütün deneyler bu aşamaların sonunda yapılmaya başlanmıştır. Membranların karakterizasyonu için birçok yöntem kullanılmıştır. Çözelti viskozitesi, membran geçirgenliği, temas açısı, su geri kazanımı, toplam kirlilik oranı, BSA giderimi, yüzey fonksiyonelliği, yüzey yükü, mekanik dayanımı gibi özellikleri ölçülüp hesaplanmıştır. Membranın dış yüzeyi, çapı ve yanal yüzeyinin yapısı hakkında bilgi sahibi olmak için taramalı elektron mikroskopu ve stereo mikroskop görüntüleri çekilmiştir. Ayrıca membranların antibakteriyel özellik gösterip göstermediği de kontrol edilmiştir. Sonuçlara göre çözelti vizkozitesi karboksil çok duvarlı karbon nanotüp eklendiğinde sürekli artmıştır. Fakat hidroksilik çok duvarlı karbon nanotüp eklendiğinde vizkozite ilk önce düşmüştür. Karbon nanotüp konsantrasyonu arttıkça bir artış gözlemlenmiştir. Taramalı elektron mikroskopu ve stereo mikroskopla çekilen fotoğraflar sonucunda membranların yuvarlak bir yapıda olduğu gözükmüştür. Yan kesiti incelendiğinde ise membranlarda genel olarak süngerimsi ve parmağımsı yapılar görülmüştür. Çekme hızıyla oynanması, hava boşluğunun değiştirilmesi gibi parametrelerin etkileri membranın dış yüzeyinde, yan kesitinde, ve membranlar çaplarında açıkça gözükmektedir. Üretim sonrası prosesinin membranları ne şekilde etkilediğini görebilmek için hem proses görmüş hem de görmemiş membranların geçirgenlik oranları hesaplanmıştır. Bunun sonucunda prosesten geçen membranların daha yüksek geçirgenlik oranlarına sahip olduğu gözlenmiştir. Karboksil çok duvarlı karbon nanotüp kullanıldığında, geçirgenlik oranı karbon nanotüp yüzdesi arttıkça ilk önce düşmüş, daha sonrasındaysa artmıştır. Fakat hidroksil çok duvarlı karbon nanotüp kullanıldığında, karbon nanotüp yüzdesi artışıyla birlikte geçirgenlik değeri de artmıştır. 8.4m çekme hızı ve 15cm hava boşluğunda daha geçirgen membranlar elde edilmiştir. 0 cm hava boşluğunda ve 4.2m çekme hızında daha düşük geçirgenlik oranı elde edilmiştir. Temas açısı sonuçlarına göre, üretim sonrası prosese tabi tutulan membranlarda, hidrofilik PVPnin membranlardan yıkanması sonucu, temas açısı değerleri artmıştır. Her iki fonksiyonel karbon nanotüpte de nanotüp yüzdesinin artışıyla birlikte temas açılarında genel olarak düzensiz bir değişim olmuştur. Bu noktadan sonra yapılan bütün deneyler üretim sonrası proses gören membranlar üzerinden yapılmıştır. Membranların toplam gözeneklilik değerleri incelendiğinde en yüksek gözeneklilik % 0.4 karboksil çok duvarlı karbon nanotüpte ve 8.4m çekme hızında ve 15cm hava boşluğu kullanıldığında % 69 olarak elde edilmiştir. En düşük gözeneklilik ise % 0.2 hidroksil çok duvarlı karbon nanotüp, 4.2m çekme hızı ve 15cm hava boşluğunda % 12,5 olarak elde edilmiştir. Yüzey yükleri değerlendirilirken farklı pH aralıkları seçilmiştir. Bu aralık pH 3 -10'dur. Membran kirlenmesi için yüzey yükü parametresi oldukça önemlidir. BSA proteini pH 6.8-7. 0 arasında negatif yüke sahiptir. Üretilen membranlarda bu aralıktaki pH değerleri incelenmiştir ve bu pH değeri arasında negatiflik ne kadar fazlaysa membran kirlenmesinin o kadar düşük, ne kadar azsa membran kirlenmesinin o kadar fazla olduğu görülmüştür. Membranların tekrar kullanılabilirlik özelliklerini gösteren geri kazanım oranları da hesaplanmıştır. Sonuçlara göre karboksil çok duvarlı karbon nanotüp kullanılan membranlarda geri kazanım yüzdeleri daha fazla olmuştur. Nanotüp yüzdesinin artışıyla birlikte bu geri kazanım genel olarak düşüş göstermiştir. En iyi sonuçlar 8.4m çekme hızında ve 15cm hava boşluğunda elde edilmiştir. Hidroksil çok duvarlı karbon nanotüp eklenmesi genelde geri kazanım oranlarını saf membranlardan daha düşük olmuştur. Karbon nanotüp yüzdesinin artışıyla birlikte, 4.2m çekme hızı ve 0 cm hava boşluğu hariç bu oran düzensiz bir şekilde değişme göstermiştir. Toplam membran kirlenme oranı hesaplanırken geri dönüştürülemez ve dönüştürülebilir kirlenme oranları hesaplanmıştır. Farklı üretim parametreleri kulanıldığında elde edilen membran kirlenmeleri de farklı olmuştur. Karboksil çok duvarlı karbon nanotüp kullanıldığında genel olarak saf membrana göre daha düşük membran kirlenmesi olmuştur. Hidroksil çok duvarlı karbon nanotüp kullanıldığında ise saf membrana göre yüksek kirlenme oranları hesaplanmıştır. Geri dönüşsüz kirlenme, ana membran kirletici mekanizma olmuştur. BSA giderimleri geçirgenlik oranı arttıkça düşmüştür. Membran matrisine karbon nanotüp eklenmesiyle birlikte membranların mekanik dayanıklılığında artış gözlemlenmiştir. Genel olarak karbon nanotüp eklenmiş bütün membranların elastisite modülü değerleri saf membranlara göre yüksek çıkmıştır. Farklı üretim parametrelerinin kullanması sonucu elastisite modülü değerleri de farklılık göstermiştir. En iyi elastisite modülü değeri daha iyi moleküler dizilimin gerçekleştiği yüksek çekme hızı (8.4m) ve 15cm hava boşluğunda elde edilmiştir. Her iki fonksiyonellikte de karbon nanotüp yüzdesinin artışıyla birlikte düzensiz bir değişim meydana gelmiştir. Ayrıca kopma anındaki uzama değerleri de farklı üretim parametreleri kullanıldığında düzensiz bir değişim göstermiştir. Membranların antibakteriyel özelliklerini incelemek için Escherichia Coli kullanılmıştır. 1 günlük inkübasyon sürecinden sonra, Escherichia Coli büyümesinin ne kadar olduğu incelenmiştir. Sonuçlara göre hem karboksil çok duvarlı karbon nanotüp hem de hidroksil çok duvarlı karbon nanotüp hiç antibakteriyel özellik sergileyememiştir.