Selenyum nanoparçacıkları içeren membranların sentezi ve atıksu arıtımında kullanım potansiyelinin incelenmesi
Membrane synthesis containing selenium nanoparticules and investigation of potential usage for wastewater treatment
Yazar: NURİ AKAR
Danışman: PROF. DR. CUMALİ KINACI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Artan nüfus ve azalan kullanlabilir su kaynkaları sebebiyle, evsel ve endüstriyel kullanımlar için temiz su kaynaklarını bulmakta zorluklar yaşanmaktadırlar. Bu zorluk nedeni ile kullanıma elverişli olmayan su kaynaklarının da kullanıma kazandırılması için birtakım çalışmalar ve araştırmalarda bulunulmuştur. Son zamanlarda içme ve kullanma suyu elde etmek için en çok ve yaygın olarak kullanılan teknoloji membran prosesleri teknolojisidir. Membran prosesleri ile su kaynaklarının kullanılabilir su üretimi konusunda nasıl yarar sağlayabileceği anlaşılmıştır.Membran üretim araştırmalarında günümüzdeki en önemli uygulamaların başında membranların yapılarına veya yüzeylerine nanopartiküllerin ilave edilmesi ile katalitik ve kendini temizleyen membranların üretilmeleri gelmektedir. Biyolojik içerik muhteva eden atıksuların filtrasyonu esnasında mikroorganizmalar ve mikroorganizmaların sentezlediği bileşikler tarafından membran yüzeyinde bir biyofilm tabakası oluşmakta ve bu tabaka membran yüzeyinde birikerek zamanla tıkanmalara sebep olmaktadır. Tıkanma ile birlikte filtrasyon akısında düşüş meydana gelmekte ve ilk tasarım akısına tekrardan ulaşabilmek için basıncın yükseltilmesi gerekmektedir. Basıncın yükseltilmesi ile birlikte enerji masraflarının artması, tıkanan ve eskiyen membranların değiştirilmesi maliyetleri ise biyolojik tıkanmaların yol açtığı problemlerin başında gelmektedir.Nanoteknoloji, var olan bilimlerin genellikle 1?100 nanometre aralığındaki boyutlarda uygulanması ve bu sayede var olan bilimlerin yeniden düzenlenmesidir. Dünya çapında gelişmiş ve gelişmekte olan birçok ülkede çeşitli alanlarda uygulamaları bulunan nanobilim ve nanoteknoloji konusunda süratle insan gücü ve maddi yatırım yapılmaktadır. Nanoteknoloji Çevre Mühendisliği alanında kirlilik önleme çalışmaları, arıtma ve remidasyon uygulamaları, kirlenme sensörleri ve ölçümleri, temiz üretim teknolojileri gibi alanlar başta olmak üzere geniş bir yelpazede kullanım alanına sahiptir. Nanoteknolojinin uygulandığı bir diğer alan ise membran proseslerdir. Son zamanlarda membran üretim teknolojisi nanoteknolojinin en önemli araştırma alanlarından biri haline gelmiştir. Membran teknolojisinin de kendine özgü bazı zor yanları vardır. Bilim insanları ve araştırmacılar mevcut olan zorlukların minimuma indirilmesi için ulusal ve uluslararası çalışmalarda bulunmaktadırlar. Özellikle son 10 yılda nanoparçacıkların kullanıldığı membranlar sentezlenmiş ve membran kirlenmesini önlemeye yönelik bilimsel çalışmalar gittikçe önem kazanmıştır. Bilindiği gibi membran kirlenmesi oldukça kompleks bir olay olup atıksudaki kirleticilerin partikül boyutu, kolloidler ve çözünen maddeler membran filtrasyon sistemlerinde kirlenme mekanizmasını güçlü bir şekilde etkilemektedir. Membranların daha uzun süreli ve efektif bir biçimde kullanılabilmesi için membran kirlenmesinin önlenmesi konusunda değişik yöntemler geliştirilmiştir. Bu yöntemlerin başında adsorbent/koagülant ilavesi, membran modifikasyonu (UV, kimyasal, enzimatik vb.) ve nanoparçacık içeren membranların sentezlenmesi sayılabilir.Bu çalışmada selenyum nanoparçacıkları glikoz indirgeme yöntemiyle sentezlenmiş ve elde edilen nanparçacıklar, X-ray difraksiyon (XRD), geçirimli elektron mikroskobu (TEM) ile karakterize edilmiştir. Saf ve selenyum nanoparçacıklı polietersülfon (PES) membranlar evre ayrışma (phase inversion) yöntemi kullanılarak hazırlanmıştır. Solvent olarak 1-N-metil-2-pirolidin (NMP) kullanılmıştır. Polimer ve solvent optimizasyonu sonucunda optimum polimer oranı %18 (w/w) ve solvent oranı da %82 (w/w) olarak bulunmuştur. Selenyum nanoparçacık için dört farklı oran belirlenmiş ve belirlenen oranlar ise %0.002, %0.01, %0.03, %0.05 olarak seçilmiştir. Saf polimerin hazırlanmasında ilk olarak PES polimeri NMP solventinin içerisinde 60 oC sıcaklıkta 6 saat karıştırılarak çözünür hale getirilmiştir. Selenyum nanoparçacıklı membran sentezinde ise nanoselenyum NMP içerisinde ilave edilmiş ve homojen karışımın sağlanması için 3 saat sonikasyon banyosunda sonike edilmiştir. Ardından bu karışıma PES polimer ilave edilmiş ve 60 oC sıcaklıkta 6 saat karıştırılarak çözünür hale getirilmiştir. Polimer filmler cam levhalar üzerine alüminyum bıçak sistemi kullanılarak 100 µm ince tabaka halinde dökülmüştür. Polimer miktarının optimizasyonu için %14, %16, %18 PES içeren polimer filmler hazırlanmıştır.Optimizasyon sonucunda %18 PES membranları seçilmiştir. Solvent buharlaştırma süresinin optimizasyonu için %18 PES içeren saf polimer filmler 0, 15, 30, 45, 60 sn süre ile solvent buharlaştırılmasına tabi tutulmuştur. İnce tabaka halinde dökülen membran su banyosuna sokulduğunda su ile polimer yer değiştirerek gözenekli membran yapısı elde edilmektedir. Koagülasyon banyosuna daldırılmadan önce polimerin buharlaşmasına izin verildiğinde su ile yer değiştirecek polimer daha az olduğu için daha küçük gözenek yapılarına sahip membranlar elde edilmiş olur. Eğer polimerin buharlaşmasına izin verilmeden hemen koagülasyon banyosuna daldırıldığı zaman su ile yer değiştirecek polimer miktarı fazla olduğu için daha gözenekli ve gözeneklerinde büyük olduğu membranlar elde edilir. Polimer filmler saf su banyolarına koagülasyon prosesi için daldırılmış ve yaklaşık 5 dakika bekletildikten sonra oluşan membranlar saf su ortamına alınarak reaksiyona girmeyen ürünlerin uzaklaştırılması için 1 gün +4 oC'de bekletilmişlerdir.Membranların yüzey yapılarının görüntüleri ve nanoselenyum parçacıklarının membran içinde nasıl dağılım gösterdiğini görmek ve aynı zamanda membranın selenyumlu noktalarında mikroorganizma inhibisyonunu görebilmek için taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır. Membran yüzeylerinin hidrofilik/hidrofobik özelliklerinin belirlenmesi için temas açısı cihazı kullanılmıştır. Membranların filtrasyon deneyleri klasik filtrasyon sisteminde gerçekleştirilmiştir. İlk olarak üretilen tüm membranlarda kullanılmadan önce membranın üç farklı bölgesinden kesilen örneklere 5 bar basınç altında saf su ile sıkıştırma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Geçirgenlik deneyleri için 0.5?1.5 bar arasındaki basınçlarda saf su akıları bulunmuştur. Sıkıştırma ve geçirgenlik deneyi her bir çalışma sistemi için 3 farklı bölgeden kesilmiş membranlarda gerçekleştirilmiş ve standart sapma hesaplanmıştır. Geçirgenlik deneyinden sonra aktif çamur numunesi ile biyokirlenme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Hem saf hem de selenyum nanoparçacıkları içeren membranlardan aktif çamur filtre edilmiş ve akı değerleri karşılaştırılmıştır. Deneyler 1 bar basınç altında oda sıcaklığında klasik filtrasyon sisteminde karıştırıcı aparatı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Süzülecek olan hacim her zaman deneyde 250 mL olarak sabitlenmiştir. Çamur filtrasyonunda, filtrasyon zamanı 2 saat olarak ayarlanmış ve çamur filtre edildikten sonra membran yüzeyi sünger ile temizlendikten sonra tekrar saf su filtre edilerek akı kayıpları karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, saf ve nanoparçacıklı membranların filtrasyon süresinin arttıkça elde edilen süzüntü hacmininde arttığını göstermiştir. Selenyumun bakterilere karşı toksik olması nedeni ile membranların yüzeyinde mikroorganizma büyümesini engellemiş ve membran kirlenmesinde yüzeydeki biyolojik tabakanın etkisini azaltmaktadır. Deneysel çalışmalarımız laboratuar ölçekte gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalarımızı gerçek ölçekli membran arıtma sistemlerinde geçekleştirilirse selenyum nanoparçacıklı membranların mikroorganizmalar üzerindeki gerçek etkisi anlaşılabilir. Membranlardaki biofouling modellerini gerçek ölçeklerde görmüş oluruz.

Abstract:
Due to the increasing population and decreasing resources usable water, clean water resources finding for domestic and industrial usage is difficult. Because of this difficulty, not convenient to use of water resources, for use in some studies and researches have been made to gain. Recently, to obtain potable water and the most widely used technology of membrane processes and technology. Membrane processes in the production of potable water and water resources is understood to be beneficial. Membranes production researchs at the beginning of today's most important applications of membrane structures , or the surfaces of nanoparticles is to manufacture, with the addition of catalytic and self-cleaning of the membranes. Biological filtration of waste water during which contain the content of microorganisms synthesize compounds by micro-organisms and a biofilm layer on the membrane surface layer on the membrane surface are formed and accumulate over time, this leads to blockages. Filtration flux decrease with clogging and flux of the first design to be raised again, the pressure to achieve. With increasing pressure to increase energy costs, the costs ageing of membranes and blockages of membranes is one of the problems caused by biological congestion.Nanotechnology existing sciences usually in the range 1-100 nm scales implementation, and thus the of existing sciences rearrangement. In many countries around the world in developed and developing applications present in various fields of nanoscience and nanotechnology in the manpower and financial investment made rapidly. Environmental Engineering in the field of nanotechnology, pollution prevention, treatment and remidasyon practices, pollution sensors and measurements, especially in areas such as clean production technologies have a wide range of application areas. Another area applied of nanotechnology is the membrane processes. Recently, membrane production technology of nanotechnology has become one of the most important areas of research. There are some difficult aspects of membrane technology of its own. Scientists and researchers to minimize the difficulties that exist are located in national and international studies. Especially in the last 10 years using nanoparticles synthesized membranes and membrane to contamination prevent became increasingly important in scientific studies. As is known, is a complex event of membrane fouling and particle size of contaminants in wastewater, colloids, and soluble substances in membrane filtration systems, a strong effect on fouling the mechanism. Membranes in the longer term, and an effective membrane for use in various methods have been developed for the prevention of pollution. At the beginning of these methods adsorbent / coagulant addition, modification of the membrane (UV, chemical, enzymatic, etc.). and synthesizing nanoparticles containing membranes. In this study, selenium nanoparticles synthesized the glucose reduction method and nanparticles obtained, X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM) and have been characterized. Pure and selenium nanoparticles polietersülfon (PES) membranes phase separation (phase inversion) method using was prepared. As a solvent for 1-N-methyl-2-pyrrolidine (NMP) was used. As a result of polymer and solvent, optimum polymer ratio found 18% (w / w) and the solvent ratio of 82% (w / w), respectively. Determined for four different ratios of selenium nanoparticles and the rates of 0.002%, 0.01%, 0.03%, 0.05% was chosen. The preparation of the pure polymer firstly at 60 ° C within the 6 hours of PES polymer mixing solvent soluble in NMP has been made. NMP was added in the synthesis of with nanoparticles selenium membrane and sonication bath for 3 hours in order to ensure a homogeneous mixture was sonicated. After then this mixture was added to the PES and the polymer was made soluble with stirring for 6 hours at 60 ° C temperature. Polymer films on glass plates using an aluminum blade system poured a thin layer of 100 µm. Optimization of the amount of polymer containing to 14%, 16%, 18% respectively PES was prepared the polymer films. 18% PES membranes were selected as a result of optimization. To optimize the solvent evaporation of 18% pure PES polymer films containing 0, 15, 30, 45, 60 second and subjected Evaporation of the solvent. Pouring a thin layer of the membrane is pushed into the water bath and the polymer with water by changing is obtained the porous membrane structure. Before submerged coagulation bath is allowed to evaporate the polymer is replaced with water to polymer is less than is obtained with membranes having a smaller pore structure. If the polymer is not allowed to evaporate immediately immersed in the coagulation bath when the water is replaced by a more porous and the pores of the polymer is greater than the amount of membranes are obtained. Polymer films were immersed in distilled water bath for about 5 minutes, after waiting for the process of coagulation of the membranes, pure water based medium for the removal of unreacted products was waited +4 oC for 1 hour. Images of the surface structures of selenium nanoparticles on membranes and how the distribution of membrane particles see and at the same time location with selenium of membrane inhibition of microbial acitivites to view points scanning electron microscope (SEM) was used. The membrane surfaces of the hydrophilic / hydrophobic properties of the device used for determining the contact angle. Membrane filtration experiments were made classic membrane filtration system. First of all membranes produced in three different regions of the membrane prior to use samples cut from compression experiments were done with distilled water at 5 bar pressure. Pure water flux for permeation experiments were found at pressures between 0.5-1.5 bar. Compression and transmission experiments to the operation of each experiment carried out three different membranes cut from the different region and standard deviation were calculated. Permeation experiments were done after biofouling experimenting with activated sludge samples. Membranes containing both pure and selenium nanoparticles were filtered, and the flux values were compared with. The experiments at room temperature under 1 bar pressure was carried out using conventional filtration system with mixer apparatus. Filtered experiment, the volume is always fixed at 250 mL. In sludge filtration, filtration time is set to 2 hours and sludge cleaning with a sponge after filtered after the membrane surface of pure water was filtered again, compared with losses of flux. The results shows that obtained pure and nanoparticles membrane the more filtrate time the more filitrate volume. Due to Selenium are toxic to bacteria, prevent the growth of microorganisms on the surface of the membranes and in membrane production, biological layer of membrane surface reduces the effect of biological pollution on the surface layer of membranes. Experimental work was carried out laboratory scale. If experimental works execute real-scale membrane treatment systems, understood the real effect of selenium on microorganisms membranes with nanoparticles. The actual scale models of biofouling membranes can be seen.