Effect of solvent choice on cellulose acetate membrane fabrication by phase inversion and deacetylation by alkaline hydrolysis
Tezin Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, KİMYA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2022
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: FATMA SEDEN TEKİN
Danışman: PINAR ZEYNEP ÇULFAZ EMECEN
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Bu çalışmada, çözücü seçiminin selüloz asetat membran morfolojisi ve performansı üzerindeki etkisi, faz değişim termodinamiği ve kinetiği ile ilişkili olarak araştırılmıştır. Dimetil sülfoksit (DMSO), 1:1 oranında DMSO: aseton (DA) ve DMSO: asetik asit (DHAc) karışımları üç farklı solvent sistemi olarak kullanılmıştır. Çözmeyen olarak su kullanılmıştır. Aseton ve asetik asit, Hansen çözünürlük parametrelerine göre selüloz asetat için benzer çözücü kaliteleri, fakat farklı viskoziteleri olması nedeniyle seçilmiştir. Tüm solventler selüloz asetat membran üretiminde kullanılan geleneksel solventlere kıyasla daha az zararlıdır. Sistemlerin termodinamiği, bileşenlerin ikili ve üçlü etkileşimleri ile incelenmiştir. Faz değişim kinetiği, optik mikroskopla faz değişim hızı gözlemi, ışık geçirgenliği ölçümü ve solvent sistemlerinin ve polimer çözeltilerinin reolojik analizi ile araştırılmıştır. Membranların performansları saf su geçirgenliği (PWP) ve moleküler ağırlık kesmesi (MWCO) ile karakterize edilmiş ve membran morfolojisi taramalı elektron mikroskobu ile gözlemlenmiştir. Bileşenler arasındaki termodinamik etkileşimlerin de farklı olmasına rağmen, membranların morfolojisini ve performansını belirleyen ana parametrenin faz tersinme kinetiği olduğu gözlemlenmiştir. Faz değişim kinetiği esas olarak solvent viskozitesinden etkilenmiştir. DA' nın düşük viskozitesi, daha hızlı faz değişimine ve asimetrik membran yapısına yol açarken, çözücü sistemine asetik asit eklenmesi, çözücü sisteminin daha yüksek viskozitesine ve daha yavaş faz değişimine neden olmuş ve membran yapısını gevşek, gözenekli ve simetrik hale getirmiştir. Uçucu yardımcı çözücü olarak aseton içeren polimer çözeltisine farklı süreler boyunca buharlaştırma adımı uygulanarak membran özelliklerindeki değişiklikler araştırılmıştır. Ayrıca buharlaşma banyosunda nemin varlığı da incelenmiştir. Buharlaşma süresi arttıkça membranların gözenekliliği ve gözenek boyutu azalmıştır ve saf su geçirgenliği ve MWCO değerleri düşmüştür. Ek olarak, buharlaşmanın nemli bir ortamda gerçekleştirilmesi daha gevşek bir membran yapısı ile sonuçlanmıştır. Alkali hidroliz yoluyla deasetilasyonun farklı gözenekliliğe sahip membranlar üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Alkali hidroliz sonrasında membran morfolojisinde önemli bir fark gözlemlenmemiştir. Fakat alkali hidroliz selüloz zincirlerinin sulu alkali çözeltide muhtemel kısmi bozulması sonucunda gözenek boyutunu ve membran matrisini etkilemesi nedeniyle membranların performansını değiştirmiştir. Gözeneklerin daralması, gözenekte akış mekanizmasına göre ayrım yapan membranların performansı üzerindeki baskın etki olarak kabul edilebilir. Öte yandan, gevşemiş membran matrisinin etkisi ayırmanın çözünme-yayılma mekanizmasıyla gerçekleştiği membranların performansında önemli görünmektedir. Sonuç olarak, gözenekler ve membran matrisi taşınıma kıyaslanabilir miktarlarda katkı sağladığında, su hem gözeneklerden hem membran matrisinden geçtiği fakat çözünen madde esas olarak sadece gözeneklerden geçtiği için, su geçirgenliği yükselirken MWCO azalmıştır. Çözünme-yayılma mekanizması hem çözücü hem çözünen taşınımı için baskın olduğunda, geçirgenlik ve MWCO artmıştır. Membran şeklinin membran performansı üzerindeki etkisini araştırmak için aynı polimer çözeltileri ile kuru-yaş eğirme sisteminde kavuklu elyaf membranlar üretilmiştir. Düz levha membranlarla karşılaştırıldığında, CA18-DHAc kavuklu elyaf membran, eğirme sistemindeki kesme hızı nedeniyle moleküler yönelimden kaynaklanan daha yoğun seçici katmana sahiptir. CA18-DA içi boş fiber membran benzer morfoloji ve MWCO ancak daha yüksek saf su geçirgenliği göstermiştir. Sonuç olarak, kavuklu elyaf ve düz levha yapıları, bu membranların imalatındaki farklı koşulların aynı anda etki etmesinden dolayı farklı membran özellikleri ile sonuçlanmıştır.