Polimerik membran üretimi, karakterizasyonu ve ters osmoz performanslarının incelenmesi
Fabrication, characterization of polymeric membranes and investigation of reverse osmosis performances
Yazar: LAMIYA GURBANLI
Danışman: DOÇ. DR. MEHTAP ŞAFAK BOROĞLU
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Dolgu ajanları = Filler agents ; Poliamid = Polyamide ; Su arıtma = Water treatment ; Ters osmoz yöntemi = Reverse osmosis method ; İnce filmler = Thin films

Özet:
İklim değişikliği, hızlı nüfus artışı, kentleşme ve sanayileşme sonucunda tatlı suya olan talep artmaktadır. Dünya çapındaki su sorununu ele almak için tuzdan arındırma, atık su arıtma ve suyun yeniden kullanımı gibi sürdürülebilir bir su kaynağı yönetimi gereklidir. Çeşitli tuzdan arındırma teknolojileri arasında, ince film kompozit ters osmoz (TO) teknolojisi, yüksek verimliliği, düşük maliyeti ve çevresel sürdürülebilirliği nedeniyle dünya çapında lider teknolojidir. TO yalnızca su moleküllerinin geçmesine izin veren ve yüksek basınçla çalışan  bir teknolojidir. İşlenebilirlik açısından kolaylık sağladığı için su filtrasyonunda polimerik membranlar büyük önem kazanmıştır. Yüksek oranda tuz reddi sergileyebilmek için membran üretiminde kullanılan malzemeler yüksek seçicilik, yüksek geçirgenlik, uygun maliyet ve yüksek mekanik dayanım gibi birçok özelliğe sahip olmalıdır. Bu kapsamda literatürde poliamid (PA) kimyasına dayalı ince film kompozit yapılı membranlar, su arıtma ve tuzdan arındırma için ters osmoz teknolojisinde tercih edilmektedir. PA tabakasının oluşumu için gözenek boyutu, gözeneklilik, gözenek yoğunluğu ve hidrofilik olma gibi
malzeme özellikleri önemlidir. TO membranları üç kısımdan oluşmaktadır. İlki polyester tabaka ve ikinicisi polyester
tabakanın üzerine serilen polisülfon destek tabakadır. Üçüncü tabaka ise destek tabakanın üzerine yayılan PA aktif tabakadır. Çalışmamızda destek tabaka olarak ticari NF-270 polisülfon destek tabakası kullanıldı. NF-270 destek tabakası üzerine m-fenilendiamin (MPD) ve trimesoil klorürün (TMC) monomerleri kullanılarak PA aktif tabakası ince flim kaplama
yöntemiyle hazırlandı. Çalışma kapsamında dolgu KIT-6 dolgu ajanını kullanarak sentezlenen membranların su saflaştırma performansları test edilmiştir. Bu kapsamda poliamid ince film kompozit TO membran yüzeyine farklı oranlarda (%0-0,1-0,3-0,5-2,0-5,0) mezogözenekli silika KIT-6 partikülleri ilave edilerek kompozit membranlar hazırlanmış ve KIT-6 etkisi
incelenmiştir. KIT-6 mezogözenekli materyali akademik ve endüstriyel alanda büyük ilgiye sahiptir. Mezogözenekli materyaller kendilerine özgü eşsiz özellikleri ile katalizör, adsorpsiyon ve arıtma proseslerinde çokça tercih edilmektedir. KIT-6, 4-12 nm ortalama gözenek çapına sahip üç boyutlu simetrik SiO₂ yapılı nanoparçacıktır. Bu yapıyı eşsiz kılan özelliği onun yüksek yüzey alanına ve büyük gözenek hacmine sahip olmasıdır. Çalışmanın amacı su temininde ileri teknolojilerin kullanılarak, membranların özelliklerinin geliştirilmesi ve halen tümüyle dışa bağımlı durumda olduğumuz membran sistemlerinin ülkemiz koşullarında üretilebilir hale getirilmesidir. Bu amaçla KIT-6 partikülleri ve farklı oranlarda KIT-6 ilavesi ile hazırlanan polimerik membranların yapısal karakterizasyonu X-Işını Difraksiyonu (XRD) ve Fourier Dönüşümü Kızılötesi Spektroskopisi (FT-IR) analizleri, ısıl özellikleri Termogravimetrik Analiz (TGA), mikroyapısı Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), partikül büyüklüğü dinamik ışık saçılması ( DLS), KIT-6 gözenek boyutu ve yüzey alanı BET (Brauner-Emmett-Teller) ve hidrofilikliği temas açısı analizi ile karakterize edilmiştir. Membranların akı ve tuz reddi analizleri ise laboratuvar ortamında TO cihazı yardımıyla test edilmiştir. Çalışmanın sonucunda, sentezlenen kompozit membranların tuz tutunumuna ve akısına bakılarak KIT-6 partiküllerinin ters osmoz
membranlarının performansına olan etkisi araştırılmıştır. Bu amaçla 30, 40 ve 50 bar olmak üzere üç farklı basınç değerinde saf su geçirgenlik testleri yapılmış ve her bir membranın geçirgenlik değeri tespit edilmiştir. Ardından aynı basınç değerlerinde 2000 ppm'lik NaCl çözeltisi için akı, geçirgenlik ve tuz tutunumu testleri gerçekleştirilmiştir.
Çalışma sonucunda elde edilen veriler değerlendirilerek üretilen membranlar arasında en yüksek tuz tutunum oranına, yüksek basınçlara dayanıklı ve ısıl dayanıma sahip membran tespit edilmiştir. PA ve KIT-6 ilavesinin membran yapısını nasıl etkilediği incelenmiştir. KIT-6 ilavesi ile ürettiğimiz kompozit membranların etkili olarak ters osmoz sistemlerinde kullanılabileceği görülmüştür. Ayrıca son literatür çalışmaları, su geçirgenliğini ve tuz reddini
manipüle etmek için nano boşluklar içeren poliamid katmanının önemini vurgulamaktadır.

Abstract:
As a result of climate change, rapid population growth, urbanization and industrialization, the demand for fresh water is increasing. A sustainable water resource management such as desalination, wastewater treatment and water reuse is required to address the worldwide water problem. Among various desalination technologies, thin-film composite reverse osmosis (RO) technology is the leading technology worldwide due to its high efficiency, low cost and environmental sustainability. RO is a high-pressure technology that only allows water molecules to pass. Polymeric membranes have gained great importance in water filtration as they provide convenience in terms of workability. In order to exhibit high salt rejection, the materials used in membrane production must have many properties such as high selectivity,
high permeability, cost-effectiveness and high mechanical strength. In this context, thin film composite membranes based on polyamide (PA) chemistry are preferred in reverse osmosis technology for water purification and desalination in the literature. Material properties such as pore size, porosity, pore density and hydrophilicity are important for the formation of the PA layer. RO membranes consist of three parts. The first is the polyester layer and the second is the
polysulfone backing layer laid on the polyester layer. The third layer is the PA active layer that spreads over the support layer. In our study, commercial NF-270 polysulfone support layer was used as the support layer. PA active layer was prepared by thin film coating method by using m-phenylenediamine (MPD) and trimesoyl chloride (TMC) monomers on the NF-270 support layer. Within the scope of the study, the water purification performances of the membranes synthesized using the filler KIT-6 filler agent were tested. In this context, composite membranes were prepared by adding mesoporous silica KIT-6 particles at different ratios (0-0.1-0.3-0.5-2.0-5.0%) to the polyamide thin film composite TO membrane surface. effect has been studied. KIT-6 mesoporous material is of great interest in the academic and industrial field. Mesoporous materials, with their unique properties, are widely preferred in catalyst, adsorption and purification processes. KIT-6 is a three-dimensional symmetrical SiO₂ structured nanoparticle with an average pore diameter of 4-12 nm. What makes this structure unique is its high surface area and large pore volume. The aim of the study is to improve the properties of membranes by using advanced technologies in water supply and to make the membrane systems, which we are still completely dependent on foreign countries, producible under the conditions of our country. For this purpose structural characterization of polymeric membranes prepared by adding KIT-6 particles and KIT-6 in different ratios X-Ray Diffraction (XRD) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) analysis, thermal properties Thermogravimetric Analysis (TGA), microstructure Scanning Electron Microscope (SEM) ), particle size dynamic light scattering (DLS), KIT-6 pore size and surface area BET (Brauner-Emmett-Teller), and hydrophilicity by contact angle analysis. The flux and salt rejection analyzes of the membranes were tested in the laboratory with the help of the TO device. As a result of the
study, the effect of KIT-6 particles on the performance of reverse osmosis membranes was investigated by looking at the salt rejection and flux of the synthesized composite membranes. For this purpose, pure water permeability tests were carried out at three different pressure values, 30, 40 and 50 bar, and the permeability value of each membrane was determined. Then, flux, permeability and salt retention tests were carried out for 2000 ppm NaCl solution at the same pressure values. By evaluating the data obtained as a result of the study, the membrane with the highest salt
retention rate, high pressure resistant and thermal resistance was determined among the produced membranes. How the addition of PA and KIT-6 affected the membrane structure was investigated. It has been observed that the composite membranes we produce with the addition of KIT-6 can be used effectively in reverse osmosis systems. Also, recent literature studies highlight the importance of polyamide layer containing nano-voids to manipulate water permeability and salt rejection.