İleri osmoz (FO) membran ve hidrojel kopolimerin beraberce kullanıldığı yeni bir tuz giderim yöntemi ile tuzlu sulardan tatlı su eldesi
Production of fresh water from brackish water by the use of polymer hydrogels in forward osmosis membrane-hydrogel hybrid systems
Yazar: BURCU ÜNAL
Danışman: PROF. DR. HÜSNÜ YILDIRIM ERBİL
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Tuzlu kara ve deniz sularından tatlı su eldesi konusunda endüstride kullanılmakta olan ters osmoz sistemleri, yüksek enerji maliyeti, proseste zorunlu yüksek basınç uygulaması ve basınca dayanabilen nadir membranlarda oluşan bio-kirlilik ve tıkanmalar nedeniyle ekonomik değildir. Öte yandan, bunun yerini alabilecek ileri osmoz (FO) membran prosesleri konusunda enerji ve işletim avantajları dolayısıyla yoğun çalışılmaktadır. Bu tez çalışmasında ilk aşamada selüloz asetat (CA) ve selüloz triasetattan (CTA), uygun çözücüler ve çeşitli katkılar kullanılarak FO membranların sentezlenmesi ve karakterizasyonu yapılmıştır. İkinci aşamada, bu membranların, temin edilen diğer ticari membranlar (CA, nylon, polyester, Sterlitech, ve HTI Inc.)  ile karşılaştırmalı olarak su akısı ve tuz reddi performansları, çekme çözeltisi olarak 6.0 M amonyum bikarbonat çözeltisinin kullanıldığı laboratuvar ölçekli FO sistemlerinde saptanmıştır. Üçüncü aşamada, sıcaklıkla uyarılan hidrojel sentezi için, poli-N-izopropilakrilamid ve ayrıca sülfonik grup içeren p-(AMPS)-ko-(NIPAM) kopolimer hidrojelleri sentezlenmiş ve bunların hibrid hidrojel/FO sistemi içindeki performansları tayin edilmiştir.
En başarılı FO membran ticari HTI-CTA membranı olup, bunun u-hücreli sistem, mezürlü sistem ve küçük pleksiglas sistemde su akı değerleri sırasıyla 15.73, 18.60, ve 8.87 LMH'dir. Bu membranın üç sistemdeki tuz reddi performansları %91.67, 86.8 ve 85.4'dir. Laboratuvarda sentezlenen membranlar ise %51.74 - 92.64 tuz reddi ve 1.5-3.0 LMH su akısı performansı göstermiştir. Amonyum bikarbonat çekme çözeltisinin FO membran karakterizasyonu için ilk kez kullanılması başarılı olmuştur. Son olarak ise, hibrid hidrojel/FO sistemi çalışmasında, p-(NIPAM-ko-AMPS) hidrojeli AMPS oranı arttığında şişme değerlerinde artış meydana geldiği için kullanılmıştır. Bu kopolimerin kullanıldığı FO denemelerinde membrandan geçen su ile maksimum şişmeye erişilemese de sıcaklık artışı ile hidrojelden suyun %30'u geri kazanılmıştır.

Abstract:
Reverse osmosis systems which are used in industry for the production of fresh water from salty and sea waters, are not economical due to high energy costs, high pressure application and blockages because of bio-pollution in the membranes that cannot withstand pressure. On the other hand, the energy and operating advantages of forward osmosis (FO) membrane processes which are planned to replace the RO process are being studied intensively. In the first part of this thesis, FO membranes made of cellulose acetate (CA), cellulose triacetate (CTA), were synthesized and characterized using suitable solvents and various additives. In the second part, the water flux and salt rejection performances of these membranes and other commercial membranes (CA, nylon, polyester, Sterlitech, and HTI Inc.) were determined in a laboratory-scale FO systems using 6.0 M ammonium bicarbonate draw solution. In the last part, poly-N-isopropylacrylamide and also sulfonic group-containing p- (AMPS)-co-(NIPAM) copolymer hydrogels were synthesized as temperature-sensitive hydrogels and their performances were determined in a hybrid hydrogel/FO system.
The most successful FO membrane was the commercial HTI-CTA membrane that has the water fluxes in the u-cell system, the graduated system and the small plexiglas system were 15.73, 18.60, and 8.87 LMH, respectively and salt rejection performances of these membranes in these systems were 91.67, 86.8 and 85.4%. Other membranes which were synthesized in the laboratory, resulted in a salt rejection of 51.74 - 92.64% and water fluxes of 1.5-3.0 LMH. The use of ammonium bicarbonate draw solution for the FO membrane characterization was successful. Finally, in the hybrid hydrogel/FO system, when the ratio of AMPS mole in p- (NIPAM-co-AMPS) hydrogel increased, then the swelling values increased. In the FO studies using this copolymer, 30% of the water was recovered from the hydrogel by temperature increase although the maximum swelling was not achieved while water passing through the membrane.