Fabrication and characterization of reverse osmosis membranes having antibacterial properties
Antibakteriyel özellik kazandırılmış ters osmoz membranların üretimi ve karakterizasyonu
Yazar: ŞEYMA YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. DERYA YÜKSEL İMER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Temiz ve içilebilir su kaynakları her geçen gün kirletilerek kullanılamaz hale
getirilmektedir. Bunun bir sonucu olarak Dünya üzerindeki mevcut tatlı su kaynakları 
ihtiyaçları karşılayamayacak hale gelmektedir. Alternatif su kaynaklarına ilişkin 
teknolojilere yönelinmesi su sıkıntısının etkilerinin azaltılmak için Dünya'da gittikçe 
yaygınlaşmaktadır.Dünyadaki toplam suyun % 96'dan daha fazlasını tuzlu sular 
oluşturmaktadır, tatlı su ise Dünya'daki suyun sadece %2.5'lik kısmını oluşturur ve 
bunun çoğu buzullar ve buz tabakaları içerisinde donmuş haldedir. 
Mevcut durum göz önünde bulundurulduğunda tuzlu sudan desalinasyon teknolojisi 
ile ekonomik ve güvenli bir şekilde kullanma suyu elde edilebilmesi büyük bir avantaj 
sağlamaktadır. Desalinasyon tesisleri Dünya'da 120'den fazla ülkede işletilmektedir 
ve suyun üretim maliyeti genellikle enerji tüketimi, kullanılan ekipmanın, 
membranların ve iş gücünün maliyeti ile orantılı olarak değişmektedir.
Desalinasyon tesislerinden etkin bir sonuç alabilmek için çözülmesi gereken bazı 
konular bulunmaktadır. Bunlardan birisi ve en önemlisi olan tıkanma problemleri, 
membran filtrasyon sistemlerinin işletilmesi esnasında sorun teşkil etmektedir. Bu 
problemi çözebilmek için çeşitli yollar ve yaklaşımlar geliştirilmekte ve 
denenmektedir. Ters osmoz membranlarında meydana gelen biyotıkanma temel olarak 
akıyı düşürmektedir. Akının düşmesi daha fazla enerji harcanması ve tuz tutunumunda 
azalma gibi olumsuz etkiler göstermektedir. Bu sebeple oluşmadan müdahale etmek 
biyotıkanmayı engellemek için en etkili ve iyi yol olarak düşünülmektedir. Müdahale 
çeşitli şekillerde yapılabilmektedir. Bunlardan birisi de membranların üretimi 
sırasında üretim materyallerine antibakteriyel maddelerin ilavesidir. İlave edilen 
maddeler ile membran filtrelerin daha dayanıklı ve biyotıkanmaya dirençli olmaları 
sağlanmakta, böylece kirlenme ve tıkanma oluşumunun en aza indirgenmesi 
sağlanmaktadır. 
Bu çalışma kapsamında; içme suyu eldesi amacıyla ters osmoz membran üretimi, 
karakterizasyonu ve biyokirlenme özelliğinin iyileştirilmesi çalışmaları 
gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın amacı su temininde ileri teknolojilerin kullanılarak, 
biyokirlenme performansında iyileştirme çalışmaları yapılması, membranların 
özelliklerinin geliştirilmesi ve halen tümüyle dışa bağımlı durumda olduğumuz 
membran sistemlerinin ülkemiz koşullarında üretilebilir hale getirilmesidir. Bu amaç 
doğrultusunda ters osmoz membranları üretimi yapılmıştır. Deneylerin ilk aşamasında 
destek tabakası ultrafiltrasyon düzeyinde evre dönüşümü yöntemiyle polisülfon (PSF) 
polimeri ile farklı polimer çözeltileri hazırlanarak destek tabaka üzerine dökülerek 
üretilmiştir. Membran üretiminde 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. Ardından laboratuar 
ölçekli dökme makinesinin gerekli ayarlamaları yapılarak belirlenen hızda cam 
yüzeyinde polimer film oluşturulmuştur. Bu esnada oluşturulmak istenen membranın 
özelliğine bağlı olarak polimer filmler belirli bir solvent buharlaşma süresinde 
bekletilmişlerdir. Bu çalışmada buharlaşma süresi 10 sn. olarak sabit tutulmuştur. 
Buharlaşmanın ardından polimer filmlerinin olduğu camlar destile suyun bulunduğu 
koagülasyon banyosuna daldırılmışlardır. Bu esnada en az 5 dakika membranın 
oluşması beklenmiş ve ardından oluşan membranlar destile suyun bulunduğu temiz bir 
kaba aktarılmışlardır. Biyolojik büyümenin olmaması ve reaksiyona girmeyen polimer 
veya solventin membrandan uzaklaşması için üretilen membranlar en az 1 hafta süre 
ile +40C'de soğuk odada saklanmışlardır. Üretilen bu membranlarda başta geçirgenlik 
deneyleri olmak üzere karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. Filtrasyon 
performanslarından önce ilk olarak literatürde sıkıştırma deneyi olarak isimlendirilen 
ön işleme tabi tutulmuştur. Bu işlemde, yüksek basınç altında membranların saf su ile 
yıkanması sağlanmış ve bu esnada reaksiyona girmemiş polimer/ıslatıcı/solvent 
kalıntılarının membranlardan yıkanması ve membran gözeneklerinin son halini alması 
sağlanmıştır. Bu deneyin ardından klasik filtrasyon deneyleri sırayla 
gerçekleştirilmiştir. Cihaz analizleri için membran numunelerinin hazırlanmasında 
sıkıştırma ön işlemi yapılmayan membranlar kullanılmıştır. Membranlara temas açısı, 
mekanik dayanıklılık testleri uygulanmış ve taramalı elektron mikroskobu, optik 
profilometre, porometre, elektrokinetik ölçer kullanarak yüzey morfolojileri 
tanımlanmıştır. Destek tabakası membranı olarak üretilen UF destek tabakasının
yüksek basınçlara dayanıklı olması için süngerimsi yapıda olması yapılan çalışmalarla 
optimize edilmiştir. Karakterizasyon testlerinin sonuçlarına bakıldığında %18PSF 
%4.5PVP10 %1.5 PVP40 kullanılarak üretilen membranlar aktif tabakada kullanılmak 
üzere destek tabakası olarak seçilmiştir. Deneylerin ikinci aşamasında ters osmoz 
membranı için aktif tabakası üretim çalışmaları yapılmıştır. Aktif tabaka ince film 
poliamid olarak ara yüzey polimerizasyon yöntemiyle üretilmiştir. Membranlara 
antibakteriyel özellik kazandıracak, güçlü antibakteriyel özelliğe sahip bizmut 
tiyollerden biri olan BisBAL maddesinin ilavesi aktif tabaka üretimi kısmında 
gerçekleştirilmiştir ve antibakteriyel özelliği edinmesi amaçlanmıştır.Tez çalışmasının 
son aşamasında membranların antibakteriyel özelliklerini belirlemek için İTU 
Moleküler Biyoloji-Biyoteknoloji ve Genetik Araştırmalar Merkezi' nden alınan E. 
coli suşu ile çalışmalar yapılmıştır. BisBAL ilaveli membranların üzerinde, saf
membranlara nazaran daha az büyüme görülmüştür. Antibakteriyel testler 
karşılaştırmalı olarak incelendiğinde BisBAL ilaveli membranların antibakteriyel 
özellik kazandığı ve BisBAL'ın etkili olarak ters osmoz membranlarında 
kullanılabileceği görülmüştür.

Abstract:
Day by day, clean and potable water resources are polluted and being unavailabe. As 
a result, the needs of existing freshwater resources are becoming unable to provide 
around the world. In the current situation, desalination can be solution for the water 
scarcity. Because seawater and saline aquifers constitute 97.5% of the all water 
resources on Earth, utilizing an even small amount of this resource could have a great 
impact on water scarcity. To increase the fresh water supply via desalination of 
seawater and saline aquifers is the overarching goal for the future of desalination.
Desalination plants are operated in more than 120 countries around the world. To get 
effective results from desalination plants, there are some issues, which have to be 
solved. One of them, and most important is a biofouling, which effects the performance 
of reverse osmosis (RO) essentialy. Biofouling causes some problems, such as shorter 
membrane life and it requires higher operating pressure and more frequent chemical 
cleaning. Development of antifouling RO membranes is an essential requirement for
water treatment in the future.
The main objective of this study is to investigate the preparation of an antibacterical 
surface membrane layer with the additive Bismuth dimercaptopropanol (BisBAL),
which is claimed to inhibit biofouling, and the examination of the membrane's 
characteristics and performance for desalination. The study includes preparation of the
support layer to establish selecting of a suitable support layer for active layer.
Furthermore it includes the preparation of an active layer with and without the additive 
BisBAL. Experiments to be carried out together with the membrane characterization 
and antibacterial properties achieved important results in terms of membranes 
fabrication at low biofouling characteristics. Antibacterial properties of the membranes 
were studied using with BL21 strain of E. coli, which was taken from Molecular 
Biology-Biotechnology & Genetics Research Center (MOBGAM) at ITU.
Comprehensive anti bacterial tests with E. Coli showed that BisBAL can be used 
effectively at RO membrane surface.