Süperhidrofobik nanofibröz membranların hazırlanması ve yağ-suayırımında kullanımı

Abstract

Yağlı atık sular, dünya genelinde ekonomik ve ekolojik olarak kritik bir çevresel sorundur. Membran teknolojisi geleneksel teknolojilerle karşılaştırıldığında, yüksek verimlilik ve enerji tasarrufu gibi avantajlarıyla yağ-su ayrımı için en çok umut vadeden yöntem olarak kabul edilmektedir. Özellikle yüksek akı ve seçicilik değerleri özelliklerinden dolayı polimer bazlı nanolif membranlar yağlı atık su arıtımında kullanılan temel membran malzemeleridir. Mikro ve nano yapılı fiberlerin üretim yöntemlerine eriyikten eğirme, eriyikten üfleme, elektro eğirme ve çözelti üfleme yöntemleri örnek olarak verilebilir. Eriyikten üfleme ve elektro eğirme sistemlerin birleştirildiği elektro üfleme (EBS) yöntemi lif oluşumu için basınçlı havayı kullanırken aynı zamanda elektrostatik alandan da faydalanır. Tüm bunlar göz önüne alındığında EBS yöntemiyle daha küçük çaplı, düzgün gerilmiş ve homojen dağılmış nanolifler elde edilebilir. Polisülfon (PSU), kimyasal, mekanik ve termal karalılık, yüksek camsı geçiş sıcaklığına (Tg <170°C) sahip olma, belirli bir sıcaklık ve konsantrasyon aralığında asit-baz ortamlarına karşılık yüksek direnç gösteren bir polimer olması gibi özellikleri ile dikkat çekmektedir. Literatür çalışmaları, oleofobik/hidrofilik ve oleofilik/hidrofobik özelliklere sahip membran yapılarının tasarımıyla etkin bir yağ-su ayrımının sağlanabileceğini ifade etmektedir. Bu tez çalışmanın amacı, modifiye edilmiş silika nanoparçacıklar içeren dayanıklı, süperhidrofobik/oleofilik kompozit membranlar geliştirmek ve bu membranların yağ-su ayırma performansını değerlendirmektir. Hidrofilik silika nanoparçacıkları sol-gel yöntemi ile silan ajanı kullanılarak süperhidrofobik silika nanoparçacıklarına (M-SNP) modifiye edilmiştir. Nanolif membranların üretilmesi için ağırlıkça %13 PSU/DMF çözeltisi kullanılmıştır. Ağırlıkça yüzde 1, 3, 5, 7 ve 10 M-SNP katkılı eğirme çözeltileri kullanılarak nanolif membranlar EBS yöntemiyle üretilmiştir. Üretilen nihai membranlar SEM-EDX, temas açısı (WCA), çekme testi ve porozite ölçümleriyle karakterize edilmiştir.Oil-contaminated wastewater is a critical environmental issue worldwide, both economically and ecologically. Compared to traditional technologies, membrane technology stands out as the most promising method for oil-water separation due to its advantages such as high efficiency and energy savings. Particularly, polymer-based nanofiber membranes are fundamental materials in oily wastewater treatment because of their high flux and selectivity properties. Production methods for micro- and nanostructured fibers include melt spinning, melt blowing, electrospinning, and solution blowing techniques. The electro-blowing (EBS) method, which combines meltblowing and electrospinning systems, utilizes compressed air for fiber formation while also benefiting from the electrostatic field. This combination enables the production of smaller-diameter, uniformly stretched and homogeneously distributed nanofibers. Polysulfone (PSU), as a polymer, stands out due to its chemical, mechanical, and thermal stability, high glass transition temperature (Tg <170°C), and excellent resistance to acidic and basic environments within a certain temperature and concentration range. Literature studies suggest that the design of membranes with oleophobic/hydrophilic and oleophilic/hydrophobic properties can enable effective oil-water separation. The aim of this thesis is to develop durable, superhydrophobic/oleophilic composite membranes containing modified silica nanoparticles and to evaluate their oil-water separation performance. Hydrophilic silica nanoparticles were modified into superhydrophobic silica nanoparticles (M-SNP) using a silane agent through the sol-gel method. A 13 wt.% PSU/DMF solution was prepared for the production of nanofiber membranes. Spinning solutions containing 1, 3, 5, 7, and 10 wt.% M-SNP were used to produce nanofiber membranes via the electro-blowing (EBS) method. The final membranes were characterized using SEM-EDX, water contact angle (WCA) measurements, tensile testing, and porosity analysis to evaluate their structural, mechanical, and surface properties.