Fabrication, characterization and antibacterial performances of nanocomposite polysulfone membranes including graphene oxide nanoparticles

Membranlar, ayırmanın ve taşınımın gerçekleştiği seçici geçirgen engeller olarak tanımlanabilmektedir. Membranlar polimerik, cam, metal ve sıvı materyallerden hazırlanabilirler ve gözenekli veya gözeneksiz, simetrik veya asimetrik, ya da kompozit olabilirler. Membran içerisinde bulunan küçük delikler büyük tanecikleri tutup küçük taneciklerin geçmesini sağlar. Malzemenin membranın içinden geçmeye zorlayan güç yoğunluk, basınç, elektrik veya kimyasal potansiyeldir. Membranlar yaprak, tüp, kılcal boru veya içi boş elyaflar şeklinde üretilebilir. En yaygın membranlar polimer membranlardır. Bu tür membranların ultrafiltrasyon, ters osmoz, gaz ayrıştırması ve dializ gibi çok çeşitli uygulamaları vardır. Farklı polimerler (Polietersulfon, polisülfon, selüloz asetat vs.) iyi ısı direnci ve kimyasal direnci, çevresel etkilere dayanıklılık, kolay işleme ve iyi fiziksel ve kimyasal özellikleri göz önünde bulundurularak membran malzemesi olarak seçilebilir. Genel olarak membranlar ince ve daha geçirgen bir destek malzemesinin üzerinde olacak şekilde üretilirler. Bu destek malzemesi gerekli mekanik mukaveeti de sağlar. Membran materyali normal olarak termal ve kimyasal koşullara, oksitleyicilere karşı dayanıklı olmalıdır. Özellikle kimyasal olarak yıkama yapıldığında bu önemlidir. Membranların tıkanmaya karşı da dayanıklı olması gereklidir. Membran teknolojileri ayırma uygulamalarında önemli bir yere sahiptir. Buna karşılık, membran filtrasyon teknolojileri bazı dezavantajlara sahiptir. Tıkanma, organik ve inorganik maddelerin membran yüzeyinde ve membran gözeneklerinde birikimidir. Filtrasyon performansı kaçınılmaz şekilde membran kirlenmesi nedeniyle zamanla azalır. Ancak, yapısı nedeniyle bazı polimerlerin doğal hidrofobisiteleri ve membran akıları düşüktür. Polimerler kullanılarak özel tekniklerle fiziksel ve kimyasal dayanımı yüksek membran materyalleri üretilebilir. Fakat bu materyaller genel olarak hidrofobik olup, biyoreaktördeki hidrofobik materyallerle tıkanmaya açıktır. Bu nedenle membran materyallerin yüzeyleri modifikasyona tabi tutularak hidrofilik hale getirilir. Membran tıkanma mekanizması ve tıkanma önleyiciler hakkında birçok makale bulunmaktadır. Bu makalelerde üç ana başlık vardır; fiziksel ve kimyasal işleme ile membran yüzey modifikasyonu, nanokompozit membran olarak adlandırılan nanomalzeme içeren membran üretimidir. Nanokompozit membran çalışmaları yararlı sonuçlar vermiştir. Grafen iki boyutlu, bir atom kalınlığında elmasta ve grafitte olduğu gibi bir karbon alotropudur. Grafen sp2 bağlı karbon atomlarından oluşmuştur ve atomları arasında 0.142 nm molekül bağ uzaklığı vardır. Karbon atomlarının iki boyutlu altıgen bir yapıda dizilmiş bu formu, doğada iki boyutlu tek malzeme örneğini oluşturmasının yanı sıra, grafene birçok değişik özellik kazandırmaktadır. Atomları çok sıkı bir şekilde dizilmiştir. Buna rağmen grafen kolayca esneyebilir ve değişik formlardaki birçok malzemenin yüzeyine kolayca kaplanabilir. Grafenin en önemli üç özelliği çelikten 100 ile 300 kat arası daha sağlam olması, şu ana kadarki bilinen oda sıcaklığında en iyi iletken olması ve esnek olmasıdır. Grafen bilinen en ince ve en hafif malzemedir ve saydamdır. Bir grafen tabakası küresel halde yuvarlandığında fulleren, silindir şekli verildiğinde ise karbon nanotüp oluşturur. Grafen'e oksijen atomları eklenerek elde edilen grafen oksit çok güçlü ve esnektir. Grafen oksitteki carbon katmanları polimer matrisiyle birleştiğinde düşük konsantrasyonlarda bile polimerin fiziksel özelliklerini önemli ölçüde etkiler. Grafen oksitin seçilmesinin nedeni hidrofilikliği ve pH duyarlılığıdır. Bunun yanı sıra çaışmalar gösteriyor ki GO negatif yüzey yüküne sebep olur. Bunların yanı sıra GO bulunduğu polimerin mekanik dayanıklılığınıda arttırmaktadır. GO in yüzeyinde bulunan çeşitli hidrophilik fonksiyonel gruplar dolayısı ile suyu kolayca emer. Bu çalışmanın temel amacı nanomalzemeler ile membran üretimi ve karakterizasyon deneylerinin ardından antibakteriyel performanslarının belirlenmesidir. Bu tez çalışmasında evre dönüşümü yöntemi ile grafen nanoparçacıkları kullanılarak tabaka halinde olarak adlandırılan membranlar üretilmiş ve sonrasında bu membranların karakterizasyonu ve antibakteriyel performanslarına bakılmıştır. Bu çalışma kapsamında dört (4) farklı konsantrasyonda grafen oksit nanoparçacıklı çözelti ve polimer olarak polisülfon kullanılarak membran üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu nedenle saf membranda dahil olmak üzere toplamda beş (5) farklı grafen oksit konsantrasyonlarında membran üretilmiştir. Bu çalışma iki ana başlık altında özetlenebilir; evre dönüşüm yönteminde, saf polimerik membranların hazırlanması ve farklı grafen oksit konsantrasyonu ile üretilmesidir, ilk aşamada üretilen farklı konsantrasyonlara sahip membranların antibakteriyel performanslarının tespit edilmesidir. Deneylerin ilk aşamasında membranların hazırlanması için sabit PVP (%8) membranlar hazırlanmıştır. Nanomateryalli membran üretiminde dört (4) faklı GO oranı kullanılmıştır. Her bir nanomateriyal için kullanılan nanomateriyal oranları % 0.009-0.012-0.024-0. 049 olarak seçilmişdir. Düz plaka halinde saf polimerli membranların dökümünde evre dönüşüm yöntemi kullanılmıştır ve membranların döküm işlemleri aynı şartlar altında gerçekleştirilmiştir. Membran dökümünde ilk olarak homojen dağılımı sağlanmış membran çözeltisi cam yüzey üzerine belirli hacimde dökülmüş ve dökme bıçağı sabit kalınlığa ayarlanarak bu çözeltinin üzerine yerleştirilmiştir ve cam yüzeyinde polimer film oluşturulmuştur. Ardından polimer filmlerinin olduğu camlar değişik konsantrasyonlarda grafen oksit çözeltisi bulunan ve homojenliğin sağlanması için içerisine mikser daldırılmış koagülasyon banyosuna daldırılmışlardır, membranın oluşması beklenmiş ve ardından oluşan membranlar distile suyla dolu kaba alınmıştır. Biyolojik büyümenin olmaması için üretilen membranlar +40C de soğuk odada saklanmışlardır. İkinci aşama olan karakterizasyon deneylerinde karakterizasyon deneylerinde manyetik karıştırmalı klasik filtrasyon hücresi kullanılarak geçirgenlik deneyleri yapılmıştır. Cihazlar kullanılarak yapılan karakterizasyon ölçümlerinde, temas açısı, SEM, yüzey yükü, gözeneklilik, yüzey pürüzlülüğü, dayanıklılık, elastisite modulü analizleri gerçekleştirilmiştir. İlk olarak bu membranlar litaratürde de sıkıştırma olarak adlandırılan geçirgenlik öncesi yapılan bir işleme tabii tutulmuştur. Sıkıştırma işlemi;yüksek basınç uygulanarakmembranların saf su ile yıkanması ve bu esnada reaksiyona girmemiş madde kalıntılarının membranlardan yıkanması ve membran gözeneklerinin son halini almasıdır. Ön işlem olarak sayılan sıkıştırma işleminden sonra filtrasyon deneyleri sırayla gerçekleştirilmiştir. Diğer karakterizasyon kısmı olan cihaz analizleri için membran numunelerinin hazırlanmasında sıkıştırma ön işlemi yapılmayan membranlar kullanılmıştır. Membranların por çaplarına bakılmış ve fiziksel deformasyon hakkında bilgi veren çekilme deneyi yapılmıştır. Membranların yüzeylerinin hidrofilik veya hidrofobik özelliğin ölçümü için kullanılan temas açısı cihazında damlatma yöntemi ile analizler tekrarlı olarak yapılmıştır. Sonrasında ise membranların yüzey özellikleri için SEM cihazı ve yüzey pürüzlülük sonuçları için ise optic profilometre cihazı kullanılmıştır. Çalışmanın son kısıma gelindiğinde E. coli bakterisi ile çalışmalar yapılmıştır. Son kısım olarak değerlendirilen bu kısımda membran yüzeylerinde tıkanmaya neden olabilecek mikrobiyal bir üreme olup olmadığının tespiti için agar-plateler kullanılmıştır. Gerçekleştirilen bütün bu aşamalardan sonra antibakteriyel performansı yüksek olan optimum nanokompozit membranlar belirlenmiştir.