Türker TÜRKEN, İsmail KOYUNCU, Esra Ateş GENCELİ, Gülsüm Melike ÜRPER, Reyhan ŞENGÜR TAŞDEMİR

Nanoparçacık Katkılı İnce Boşluklu Fiber Ultrafiltrasyon Membranların Üretimi ve Performans Açısından Değerlendirilmesi

Su kaynaklarının orantısız dağılımı, nüfus artışı, endüstriyel faaliyetler ve küresel ısınma, global ve ulusal ölçekte su kıtlığı problemini hissedilir hale getirmektedir ve bunun yanında su kaynaklarının kirlenmesine neden olmaktadır. İçme suyu arıtımında uygulanan membran prosesler konvansiyonel sistemlere kıyasla daha az yer kaplamaları, neredeyse hiç kimyasal ihtiyacının olmaması, daha kaliteli çıkış suyu eldesi vb. gibi avantajara sahiptir. Bu çalışmada nanoparçacık içeren membranların üretimi için polisülfon polimeri içeren katkısız membran çözeltisi içine dört farklı konsantrasyonda (% 0.01; % 0.05; % 0.2; % 0.5) TiO2 (10-30 nm dış çapında) ve çok duvarlı karbon nanotüp (ÇDKNT)(20-30 nm dış çapında) ilave edilerek dokuz farklı ince boşluklu (hollow fiber (HF)) ultrafiltrasyon (UF) membranı üretilmiştir. Üretilen membranların karakterizasyonu, SEM, yüzey pürüzlülüğü, yüzey yükü, temas açısı, mekanik dayanımı, FTIR, vizkozite ölçümleri ile performans sonuçları ise saf su geçirgenliği, protein giderimi ve antitıkanma özellikleri ile belirlenmiştir. Nanoparçacık katkısız ve katkılı membranlar aynı membran dökme parametreleri kullanılarak üretilmiştir ve kullanılan nanoparçacıkların membranların özellikle geçirgenlik, mekanik dayanım ve antitıkanma özellikleri üzerine etkisi olacağı düşünüldüğünden hem konsantrasyon hem de nanoparçacık çeşidi açısından karşılaştırılmıştır. TiO2 eklentisi her konsantrasyon için membranların ayırma performansını arttırmıştır. ÇDKNT eklentisi ise beklendiği üzere membranların mekanik dayanımlarının artmasında etkili olmuştur. Deneysel verilerin saf membrana göre değerlendirilebilmesi için geçirgenlik, Young modülü, BSA giderimi ve geri dönüştürülebilir tıkanmanın geri dönüştürülemez tıkanmaya oranı verileri kullanılarak normalize edilmiştir. Sonuçlar bir bütün olarak değerlendirildiğinde yapılan bu çalışmada saf membrana kıyasla membran performansını % 0.2 TiO2 nanoparçacık katkısı ile üretilen membranlarda 5.2 kat, % 0.05 ÇDKNT katkısı ile üretilen membranlarda ise 3.2 kata kadar arttırdığı görülmüştür.

Nanoparticle Incorporated Hollow Fiber Ultrafiltration Membrane Fabrication and Membrane Performance Determination

Water is not distributed equally throughout the world. Population growth, industrial activities and global warming result in water shortage at global and national scale as well as water pollution. Membrane technologies are advantageous to conventional drinking water treatment methods in terms of small footprint, less amount of chemical requirement, higher water discharge quality etc. In this work, nanocomposite ultrafiltration (UF) hollow fiber (HF) membranes were produced by adding TiO2 (10-30 nm outer diameter) and MWCNT (20-30 nm outer diameter) at four different concentrations (% 0.01; % 0.05; % 0.2; % 0.5) into pristine (polysulfone) dope solution. Membrane characterizations were done by SEM, surface roughness and charge, contact angle, dynamic mechanical analysis, FTIR, viscosity measurements and membrane performance were determined by pure water permeability, protein removal efficiency and antifouling experiments. Pristine and nanocomposite membranes were fabricated for comparison using the same membrane spinning parameters and due to the use of different nanoparticles having different properties, especially membrane properties of permeability, mechanical strength and antifouling properties were compared. The TiO2 additive increased the separation performance of the membranes for each concentration. The MWCNT additive has been effective in increasing the mechanical strength of the membranes as expected. Water permeability, Young's modulus, BSA removal efficiency and reversible fouling / irreversible fouling ratio data have been normalized for comparison with the pristine membranes. When the results which are obtained from this study evaluated as a whole showed that 0.2 wt.% TiO2 and 0.05 wt.% MWCNT added membranes improved membrane performance 5.2 and 3.2 times regarding pristine membrane, respectively.

PDF

___

Aslan, M., 2016.Membran Teknolojileri. T.C Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, 286.
Buonomenna, M.G., 2013. Nano-enhanced reverse osmosis membranes. Desalination, 314, 73–88.
Chou, W.L. and Yang, M.C., 2005. Effect of take-up speed on physical properties and permeation performance of cellulose acetate hollow fibers. Journal of Membrane Science, 250, 259-267.
Genceli, E.A., Sengur-Tasdemir, R., Urper, G.M., Gumrukcu, S., Guler-Gokce, Z., Dagli, U., Turken, T., Sarac, A.S. and Koyuncu, I., 2017. Effects of carboxylated multiwalled carbon nanotubes having different outer diameters on hollow fiber ultrafiltration membrane fabrication and characterization by electrochemical impedance spectroscopy. Polymer Bulletin, DOI 10.1007/s00289-017-2155-3.
Goh, P.S., Ismail, A.F. and Ng, B.C., 2013. Carbon nanotubes for desalination: Performance evoluation and current hurdles. Desalination, 308, 2-14.
Han, L.F., Xu, Z. L., Yu, L.Y., Wei, Y.M. and Cao, Y., 2010. Performance of PVDF/Multinanoparticles composite hollow fibre ultrafiltration membranes. Iranian Polymer Journal, 19 (7), 553-565.
Lee, J., Kim, M., Hong, C.K. and Shim, S.E., 2007. Measurement of the dispersion stability of pristine and surface-modified multiwalled carbon nanotubes in various nonpolar and polar solvents. Measurement Science and Technology, 18, 12,3707–3712.
Li, R., Wang, X., Ji, Z., Sun, B., Zhang, H., Chang, C.H., Lin, S., Meng, H., Liao, Y.P., Wang, M., Li, Z., Hwang, A.A., Song, T.B., Xu, R., Yang, Y., Zink, J.I., Nel, A.E. and Xia, T., 2013. Surface Charge and Cellular Processing of Covalently Functionalized Multiwall Carbon Nanotubes Determine Pulmonary Toxicity. ACS Nano,7, 3, 2352– 2368.
Loh, C.H., Wang, R., Shi, L. and Fane, A.G., 2011. Fabrication of high performance polyethersulfone UF hollow fiber membranes using Pluronic block copolymers as pore forming additives. Journal of Membrane Science, 380, 111-123.
Lonsdale, H.K., 1982. The growth of membrane technology. Journal of Membrane Science, 10, 81-181.
Mishra, A.K. and Ramaprabhu, S., 2011. Functionalized graphene sheets for arsenic removal and desalination of sea water. Desalination, 282, 39–45.
Ng, L.Y., Mohammad, A.W., Leo, C.P. and Hilal, N., 2010. Polymeric membranes incorporated with metal/metal oxide nanoparticles: A comprehensive review. Desalination, doi: 10.1016/j.desal.2010.11.033.
Pendergast, M.T.M. and Hoek, E.M.V., 2011. A review of water treatment membrane nanotechnologies. Energy Environ. Sci., 4, 1946.
Razmjou, A., Resosudarmo, A., Holmes, R.L. and Li, H., 2012. The effect of modified TiO2 nanoparticles on the polyethersulfone ultrafiltration hollow fiber membranes. Desalination, 287, 271-280.
Sengur-Tasdemir, R., Urper, G.M., Turken, T., Genceli, E.A., Tarabara, V.V. and Koyuncu, I., 2016. Combined effects of hollow fiber fabrication conditions and casting mixture composition on the properties of polysulfone ultrafiltration membranes. Separation Science and Technology, 51:12, 2070-2079.
Sengur, R., Lannoy, C.F., Türken, T., Wiesner, M. And Koyuncu, İ., 2015. Fabrication and characterization of hydroxylated and carboxylated multiwalled carbon nanotube/polyethersulfone (PES) nanocomposite hollow fiber membranes. Desalination, 359, 123–140.
Şengür, R. 2013. Fabrıcatıon and Characterization of Polyethersulfone (PES)/Multiwalled Carbon Nanotube Hollow Fiber Ultrafiltration Membranes. Istanbul Teknik Üniversitesi Yüksek lisans tezi.
Vatanpour, V., Madaeni, S. S., Moradian, R., Zinadini, S. and Astinchap, B., 2012. Novel antibiofouling nanofiltration poylethersulphone membrane fabricated from embedding TiO2 coated multiwalled carbon nanotubes. Separation and Purification Technology, 90, 69–82.
Veerababu, P., Vyas, B.B., Singh, P.S. and Ray, P., 2014. Limiting thickness of polyamide–polysulfone thin-filmcomposite nanofiltration membrane. Desalination, 346, 19–29.
Wang, J., Lang, W. Z., Xu, H. P., Zhang, X. and Guo, Y. J., 2015. Improved poly(vinyl butyral) hollow fiber membranes by embedding multi-walled carbon nanotube for the ultrafiltrations of bovine serum albumin and humic acid. Chemical Engineering Journal, 260, 90– 98.
Weyl, P.K., 1967. Recovery of demineralized water from saline waters”, US Patent,US3340186.
Yin, J., Zhu, G. and Deng, B., 2013. Multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) / polysulfone (PSU) mixed matrix hollow fiber membranes for enhanced water treatment. Journal of Membrane Science, 437, 237–248.
Yu, L.Y., Shen, H.M. and Xu, Z.L., 2009. PVDF–TiO2 Composite Hollow Fiber Ultrafiltration Membranes Prepared by TiO2 Sol–Gel Method and Blending Method. Journal of Applied Polymer Science, 113, 1763–1772.
Zhang, X., Wang, D.K., Lopez, D.R.S and Costa, J.C.D., 2014. Fabrication of nanostructured TiO2 hollow fiber photocatalytic membrane and application for wastewater treatment. Chemical Engineering Journal, 236, 314–322.
Zhu, W.P., Gao, J., Sun, S.P., Zhang, S. and Chung, T.C., 2015. Poly(amidoamine) dendrimer (PAMAM) grafted on thin film composite (TFC) nanofiltration (NF) hollow fiber membranes for heavy metal removal. Journal of Membrane Science, 487, 117-126.