Development of innovative polymeric membranes using green approaches for water and energy sustainability

Abstract

In this thesis, innovative polymeric membranes with fast, simple, and easily scalable manufacturing procedures were developed to demonstrate the potential of membrane technology in making chemical processes more sustainable. In this scope, firstly, it was focused on minimizing the adverse chemical, environmental, and economic effects of conventional drying processes by integrating membrane technology into the production of nano/microparticles. Acid-resistant polyaniline based ultrafiltration (UF) membrane and solvent-resistant poly (ether imide sulfone) based UF membrane were developed to produce aluminum sulfate powder and silica powder, respectively. The developed high-performance and antifouling membranes made the production of powders more sustainable and environmentally friendly by enabling the recovery of the acid/solvent used in the synthesis and the reduction of energy consumption for drying. The third part of the thesis focused on biodiesel production with a high-performance, antifouling, alumina-calcium oxide catalyst-modified polyethersulfone UF membrane. Combining membrane technology with reaction engineering allowed for the elimination of the catalyst recovery step, shortened the reaction time to reach a desirable yield, and reduced energy consumption, resulting in more sustainable biodiesel production than existing production techniques. In the last part of the thesis, a high-performance, antibiofouling/antibacterial citric acid doped polyaniline based UF membrane was developed. Ensuring sustainability improvement in membrane production in all applications was the main objective of this thesis. By reducing the number of steps in membrane production, the amount of wastewater generated, and toxic waste released during membrane production was minimized, and energy consumption was significantly reduced.

Bu tezde, membran teknolojisinin kimyasal süreçleri daha sürdürülebilir hale getirme potansiyelini göstermek için hızlı, basit ve kolayca ölçeklenebilir üretim prosedürlerine sahip yenilikçi polimerik membranlar geliştirildi. Bu kapsamda öncelikle, nano/mikropartikül üretimine membran teknolojisi entegre edilerek, geleneksel kurutma proseslerinin olumsuz kimyasal, çevresel ve ekonomik etkilerinin en aza indirilmesine odaklanılmıştır. Aside dayanıklı polianilin bazlı ultrafiltrasyon (UF) membranı ve çözücülere dayanıklı poli (eter imid sülfon) bazlı UF membranı, sırasıyla, alüminyum sülfat tozu ve silika tozu üretimleri için geliştirilmiştir. Geliştirilen yüksek performanslı ve kirlenmeye dirençli membranlar, sentez aşamasında kullanılan asidin/çözücünün geri kazanımını ve kurutma aşamasındaki enerji tüketiminin azaltılmasını sağlayarak, tozların üretimini daha sürdürülebilir ve çevre dostu hale getirmiştir. Tezin üçüncü bölümünde, biyodizel üretiminde kullanılmak üzere yüksek performansa sahip, kirlenmeye dirençli, alümina-kalsiyum oksit katalizörü ile modifiye edilmiş polietersülfon UF membranı geliştirilmiştir. Membran teknolojisinin reaksiyon mühendisliği ile birleştirilmesi, katalizör geri kazanım adımının ortadan kaldırılmasını, istenilen verime ulaşmak için gerekli reaksiyon süresinin kısalmasını ve enerji tüketiminin azalmasını sağlayarak, mevcut üretim yöntemlerine göre daha sürdürülebilir biyodizel üretimi gerçekleştirilmiştir. Tezin son bölümünde ise yüksek performanslı, biyolojik kirlilik önleyici/antibakteriyel sitrik asit katkılı polianilin bazlı UF membranı geliştirilmiştir. Tüm bu uygulamalarda membran üretiminde sürdürülebilir iyileştirmenin sağlanması bu tezin temel amacı olmuştur. Membran üretimindeki adım sayısı azaltılarak, membran üretimi sırasında oluşan atık su miktarı ve açığa çıkan zehirli atık miktarı en aza indirilmiş ve enerji tüketimi önemli ölçüde azaltılmıştır.