Ters osmoz membranları için destek tabakası üretiminin pilot ölçekli sistemde optimizasyonu
Optimization in support layer production pilot scale system for reverse osmoz membranes
Yazar: ÇİSİL ERİŞ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. DERYA YÜKSEL İMER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Su, doğanın ve içerisinde barındırdığı bütün varlıkların canlılığını sürdürebilmesi için gerekli olan en önemli maddedir. Yeryüzünün  2/3'ü  sularla kaplı olmasına rağmen bu kaynakların %97,5'ini tuzlu sular, %2,5'ini ise tatlı sular oluşturmaktadır. İçilebilir su kaynakları; düzensiz kentleşme, aşırı nüfus artışı ve artan sanayileşme gibi nedenlere bağlı olarak giderek azalmaktadır. Ülkeler, yılda kişi başına düşen su miktarı bakımından su fakiri, su azlığı çeken ve su zengini ülkeler olarak üç grupta sınıflandırılır. Su stresi çeken bir ülke olarak tanımlanan ülkemizde kişi başına düşen su miktarı 1520 m3'tür. 15 yıl içinde kişi başına düşen su miktarının 1100 m3'e düşeceği ve su fakiri kategorisinde yer alan ülkelerden olacağımız öngörülmektedir. Bu veriler göz önüne alındığında ve mevcut su kaynaklarındaki azalma düşünüldüğünde son zamanlarda deniz suyunun arıtılarak içme ve kullanma suyunda kullanılması kaçınılmaz bir gerçek haline gelmiştir. 
Küresel su kaynaklarına katkıda bulunabilmek amacıyla günümüzde deniz suyunun desalinasyon ile arıtımı göze çarpmaktadır. Su kaynaklarındaki bu istatiksel veriler göz önüne alındığında her geçen gün artan su ihtiyacı desalinasyon tesislerine yönelimi zorunlu hale getirmiştir.
Desalinasyon tesislerinde en çok kullanılan membran prosesi ters osmozdur. Ters osmoz prosesinde, dinamik basınç tuz çözeltisinin osmotik basıncının üzerine çıkmak için uygulanmaktadır. Bu da, membranın tuz çözeltisi içeren tarafından temiz su içeren tarafına suyun geçmesini sağlamaktadır. Tuzlar ters osmoz membranı ile tutulmakta ve ayırım gerçekleştirilmektedir. 
Ters osmoz membranları üç kısımdan oluşmaktadır. Bunun ilki polyester tabakadır. İkinci kısım polyester tabakasının üzerine gelen destek tabakadır ve üçüncü kısım da destek tabakanın üzerine gelen aktif tabakadır. Ters osmoz prosesinde ayrım her ne kadar aktif tabakada gerçekleşse bile destek tabakasının performans üzerine önemli etkileri vardır. Destek tabakasının kimyası, içeriği, por çapı büyüklüğü, por çaplarının dağılımı, kesit morfolojisi performansı doğrudan etkilemektedir.
Bu çalışmanın amacı çözelti konsantrasyonunu, su ve ortam sıcaklığını sabit tutarak pilot ölçekli flat sheet cihazını beş farkli çekme hızına ayarlayarak çekme hızının por çapına olan etkisi ve destek tabakasının optimizasyonunu araştırmaktır.
Çalışmada düz plaka ters osmoz membranlar üretilmiş olup, destek tabaka üretimi pilot ölçekli flat sheet cihazında yapılmıştır ve ters osmoz membran elde etmek için üzerine ince film kaplanma yöntemiyle tfc yapılmıştır.
Çalışma; 15°C ve 25°C olmak üzere iki ayrı flat sheet cihazının su banyo sıcaklığı ayarlanmıştır. Membran dökümü süresince ortam 25°C sabit oda sıcaklığında tutulmuştur. Bu iki sıcaklıkta da cihazın çekme hızı beş farklı hıza ayarlanmıştır. Bu hızlar; 4m/dk, 5m/dk, 6m/dk, 7m/dk ve 7,4m/dk'dır. Böylece 5 adet 15°C'de ve 5 adet 25°C'de olmak üzere toplam 10 adet destek tabakası dökülmüştür. Destek tabakası çözeltisinde polimer olarak polisülfon, polivinilprolüdon (PVP) ve organik çözücü olarak da dimetilformamid (DMF) kullanılmıştır. Daha sonra bu destek tabakalarına temas açısı, permeabilite, optik profilometre ve SEM analizleri yapılarak por çaplarının dağılımı karakterize edilmiştir.
Çalışmanın ikinci aşamasında üretilen destek tabakalarına ince film kaplanarak ters osmoz membranları elde edilmiştir. İnce film kompozit kaplama (TFC) ile destek tabakanın üzerine aktif tabaka kaplanmıştır. 
Çalışmanın sonucunda, elde edilen ters osmoz membranların tuz tutunumuna, akısına ve SEM görüntülerine bakılarak destek tabakasının ters osmoz membranlarının performansına olan etkisi araştırılmıştır.
Sonuç olarak, bu çalışma için sıcaklık artışı ve çekme hızı artışının genellikle destek tabakasının yapısını hedeflenen parametrelerin aksi yönünde değiştirdiği için en uygun destek tabakasının 15 ℃'de ve 4 m/dk çekme hızında üretilebileceğini göstermektedir.

Abstract:
Water is the most important substance necessary for the survival of nature and of all the beings that it contains. Although 2/3 of the earth is covered with waters, 97.5 % of these resources are saline and brackish water and 2.5 % is fresh water. This limited freshwater resources shrinks by irregular urbanization, excessive population growth and increasing industrialization. Countries are classified in three groups as water-poor, water-deprived and water-rich countries in terms of the amount of water per capita per year. In Turkey which is defined as a country suffering from water stress, the amount of water is 1520 m3 per capita. It is predicted that in 15 years the amount of water per capita will fall down to 1100 m3 and we will be considered water-poor country. In order to cope this problem and tackle the freshwater shortage at the future, seawater as an alternative water resource has been considered to produce potable water. So the seawater desalination has become popular and increase day by day over the world as an efficient way to produce water from global water resources. Membrane process is the most way to practice the desalination. In the reverse osmosis process, dynamic pressure is exerted on the osmotic pressure of the salt solution. This ensures that the membrane is permeated by the salt solution containing water to the side containing clean water. Salts are trapped with reverse osmosis membrane and differentiation is carried out. Reverse osmosis membranes are composed of three parts including polyester layer as nonwoven and support layer overlying the polyester layer and the third part is the active layer overlying the support layer. Even though the separation happens on the active layer but the support layer has major effect on the membranes' performance. The chemistry, pore size, pore size distribution, cross-sectional morphology directly affect the performance of membrane. The aim of this study is to investigate the effect of the rolling speed of the membrane by machine on the pore diameter and the optimization of the support layer by setting the rolling speed and evaporation time while fixing the solution concentration, water under ambient temperature. In the study, flat sheet reverse osmosis membranes were fabricated. Support layer production was done on pilot scale flat sheet device and thin film composite (TFC) membrane was made by thin film coating method on the support layer.
For phase inversion process water bath temperature was set at 15 °C and 25 °C and the evaporation was occurred under constant room temperature of 25 °C. The rolling speed of the membrane which directly affect the evaporation time was tried at five different speeds, 4 m / min, 5 m / min, 6 m / min, 7 m / min and 7.4 m / min.  Thus a total of 10 support layers were casted, 5 membrane at 15 °C and 5 membrane at 25 °C. Polysulfones (PSf), polyvinylprolidone (PVP) and dimethylformamide (DMF) were used as the polymer in the support layer solution. Afterwards, contact angles, permeability, optical profilometry and SEM analysis were performed on these support layers to characterize the porosity distribution. In the second phase of the work, fabricated support layers were coated with polyamide (PA) thin film to obtain reverse osmosis membranes. As a result of the study, rejection, flux and SEM images of the obtained reverse osmosis membranes were investigated. As a result, for this study, it is shown that the most suitable support layer can be produced at a draw speed of 4 m / min and water with temperature of 15 °C as the increase in temperature and the increase in the draw rate usually change the structure of the support layer in a opposite direction to the target parameters.