Grafen Oksit Nanoparçacıklarını İçeren Nanokompozit Polisulfon Membranların Üretimi, Karakterizasyonu Ve Antibakteriyel Performansları

Abstract

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 (PES), polisülfon (PS), selüloz asetat (SA) 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 mukavemeti 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 bir çok 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;(i) evre dönüşüm yönteminde, saf polimerik membranların hazırlanması ve farklı grafen oksit konsantrasyonu ile üretilmesidir, (ii) 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 (phase inversion) 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 (casting knife) 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.

The membrane technologies take an important places on the seperation applications. However, membrane filtration technologies have some disadvantages. One of most important disadvantage is the fouling which has negative effect on filtration performance. Biofouling is the accumulation of microorganisms, plants, algae, or animals on wetted surfaces. There are lots of articles about membrane biofouling and fouling problems. In these articles, there are three titles; the modification of membrane surface with physical and chemical treatment, and the production of membrane with adding nanomaterials which is then called nanocomposite membranes. The nanocomposite membrane studies have given the useful results. The nanoparticles (NPs) are defined as the particles having the size of 1-100 nm and they have unique magnetic, electrical, optical, mechanical and structural properties. Beside all of these properties, some nanoparticles have antibacterial properties and these antibacterial property gives the membrane high toxicity to a broad spectrum of microorganisms including bacteria, fungi, viruses. Membrane chemistry and antibacterial properties of nanoparticules can solve the most important problem in membrane systems. A membrane material among synthetic polymers that polysulfone (PS) has used in many research, its thermal and mechnical properties and chemical stability is desirable. However, it is not immune from biofouling problem and because of its hydrophobicility and charge interactions between membrane surface, it suffers more than other membrane materials. To help the biofouling problem, various approaches have been taken. Utilizing graphene oxide (GO) in preparing the membrane systems is from the unique properties that GO possesses owing to its functional groups such as carboxyl, epoxy, and hydroxylgroups on its basal planes and edges. The using of GO in membrane material would induce hydrophilicity, which would ensure high water permeation and impede biofouling owing to the low interfacial energy between a surface and water. This work has focused on fabrication, characterization and antibacterial performances of composite polysulfone membranes which is include graphene oxide nanoparticles. The aim of this study is to examine the production of membranes with nanomaterials and the investigation of these kind of membranes at the filtration systems. All of the experiments were performed at three stages. In the first step, membrane production were done. In the second step, the membrane characterization tests were done. Finally, the antibacterial performances of fabricated bare and nanocomposite membranes were tested.