Polimerlerle yüzeyi modifiye edilmiş membranların akı ve tuz giderim davranışları
Flux and salt removal behaviours of the surface modified membranes by polymers
Yazar: MERVE ARSLAN
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN DELİGÖZ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Membranlar =   ; Modifikasyon = Modification ; Ters osmoz yöntemi = Reverse osmosis method

Özet:
Nüfus oranının artması,yaşam standartlarının yükselmesi, endüstriyel ve tarımsal faaliyetlerin yaygınlaşması gibi nedenlerle daha fazla temiz suya ihtiyaç duyulmaktadır. Nehirlerden ve yeraltı sularından temin edilen temiz su kaynakları sınırlı olmakla birlikte hızla tükenmektedir. Bu nedenle, son dönemlerde membran arıtım yöntemlerine büyük ilgi gösterilmektedir. Günümüzde mevcut yöntemler arasında Ters Osmoz (TO), elde ettiği arıtım performansı açısından en ekonomik tuzdan arındırma işlemi olarak kabul edilmektedir. Ancak Ters Osmoz kapsamında kullanılan membranların akı ve tuz giderim davranışlarının geliştirilmesi gerekmektedir.
Bu tez kapsamında, ticari membranların (NF-90) yüzeyi polimerler ile modifiye edilerek TO arıtma performanslarının geliştirilmesi hedeflenmektedir. bu kapsamda, iki farklı yaklaşımla ticari desteğin yüzeyi modifiye edilmiştir. Birinci yaklaşımda, polivinil alkol (PVA) esaslı çapraz bağlanmış kompozit membranlar hazırlanmıştır. Çapraz bağlanma ile membranın mekanik dayanımının arttırılması, şişmesinin azaltılması, membranın seçiciliğinin geliştirilmesi ve çapraz bağlayıcı miktarına bağlı olarak yüksek akı sağlanması hedeflenmektedir.  Diğer yaklaşımda ise , pratik bir membran hazırlama yöntemi olan Layer by Layer (LbL-Çok Tabakalı Kaplama) ile polielektrolit filmler NF-90 ticari ürünün yüzeyine kaplanmıştır. Bu kapsamda, pozitif yüklü polielektrolitler olarak farklı oranlarda poli(alilamin hidroklorür) (PAH) ve kitosan (CHI) harman kaplama çözeltileri kullanılmıştır. Negatif yüklü polielektrolit çözeltileri olarak, akıyı iyileştirmek üzere kullanılan karbon nanotüp (CNT) içeren poli(akrilik asit) (PAA) veya polistiren sülfonik asit (PSS) kullanılmıştır. Her iki yöntem sonucu elde edilen kompozit yapılı membranların TO prosesinde akı ve iyon uzaklaştırımı performansları belirlenmiş olup, ısıl dayanımı ve morfolojisi ise sırasıyla TGA (Termogravimetrik Analiz), SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu) ve Yüzey Temas Açısı analizleriyle incelenmiştir.
Sonuç olarak, PVA esaslı çapraz bağlanmış kompozit membranların artan çapraz bağlayıcı miktarlarıyla akı değerlerinin orijinal ticari ürünlere göre düştüğü, buna karşın monovalent Cl- ve divalent Ca+2 ve Mg+2 iyonlarının uzaklaştırımları artarak %90 seviyelerine çıktığı tespit edilmiştir.  Tez kapsamında LbL yöntemi ile hazırlanan kompozit memranlardan (PAH50-CHI50/PAA-CNT)30 membranın en üstün arıtma performansını (akı ve iyon uzaklaştırımı) gösterdiği tespit edilmiştir. Bahsedilen membranın akı değerinin 14,5 L/m2.h (LMH)'a ve Cl- iyonu uzaklaştırımının %92,6 değerine ulaştığı belirlenmiştir. Tez kapsamında uygulanan her iki yaklaşımla da ticari destek yüzeyinin modifiye edilmesiyle hazırlanan kompozit membranların, ters osmoz uygulaması için hedeflenen 10 LMH akı değerine ve %90 üzerinde mono/divalent iyon uzaklaştırımına ulaştıkları ve alternatif membran yapıları olarak değerlendirilebilecekleri sonucuna varılmıştır.

Abstract:
More clean water is needed for reasons such as increasing population ratio, rising living standards and widespread industrial and agricultural activities. The clean water resources from rivers and spring waters are limited and are rapidly depleting. For all these reasons, there has been great interest in membrane filtration methods in recent periods. Among the methods available today, Reverse Osmosis (RO) is regarded as the most economical desalination process considering its purification performance. However, flux and salt removal behaviors of the membranes used in Reverse Osmosis are required to be improved.
In this thesis, it is aimed to improve RO purification performance by modifying the surface of commercial membranes (NF-90) with polymers. In this respect, the surface of NF-90 was modified with two different approaches. In the first approach, polyvinyl alcohol (PVA) based cross-linked composite membranes were prepared. Cross-linking is aimed to increase the mechanical strength of the membrane, to reduce swelling, to improve membrane selectivity and to provide high flux depending on the cross-linker amount. In another approach, polyelectrolyte films were coated on the surface of the commercial product NF-90 by Layer by Layer (LbL-Multilayer Coating) which is a practical membrane preparation method. Poly(allylamine hydrochloride) (PAH) and chitosan (CHI) blend coating solutions were used as positively charged polyelectrolytes at different ratios. Poly(acrylic acid) (PAA) or polystyrene sulphonic acid (PSS) containing carbon nanotube (CNT), which is used to improve the flow, was used as negatively charged polyelectrolyte solutions. Flux and ion removal performances of the composite membranes obtained by both methods and were determined in RO process. Thermal resistance and morphology were investigated by TGA (Thermogravimetric Analysis), SEM (Scanning Electron Microscopy) and Surface Contact Angle analyses, respectively.
As a result, it has been found that the flux values of PVA based crosslinked composite membranes were lowered compared to the original commercial products with the increament in the of cross-linker amont, whereas the removal of monovalent Cl- and divalent Ca+2 and Mg+2 ion removals increased up to 90% levels. Within the scope of the thesis, (PAH50-CHI50/PAA-CNT)30 membrane prepared by the LbL method showed the highest purification performance (flux and ion removal) among the composite membranes. It was determined that the flux value of this membrane reached 14.5 L/m2.h (LMH) and 92.6% of the Cl- ion removal. In both approaches, the composite membranes prepared by modifying the commercial support surface reached 10 LMH flux value for reverse osmosis application and reached mono/divalent ion removal of over 90%, and they were evaluated as alternative membrane structures.