Halloysit nanotüp katkılı ultrafiltrasyon membran üretimi, karakterizasyonu ve boya madde gideriminde uygulaması
Fabrication of additive halloysite nanotube ultrafiltration membrane, characterization and dye removal application
Yazar: BAŞAK KESKİN
Danışman: PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Endüstriyel boyar madde = Industrial dystuff ; Hidrofilik membran = Hydrophilic membrane ; Reaktif boyar maddeler = Reactive dyestuffs ; Ultrafiltrasyon = Ultrafiltration

Özet:
Su günümüzde en değerli doğal kaynakların başında gelmektedir. Artan nüfus ile birlikte değişen iklim şartları ve dünya koşulları su bakımından en zengin ülkeleri bile ilerleyen yıllar da su stresi içerisine sokacaktır. Bu nedenle endüstride ve evsel kullanımda suyun geri kazanılması ihtiyaç haline gelmiştir. Su geri kazanımında en verimli yöntem olarak bahsedebileceğimiz membran teknolojileri günümüzde deniz suyundan içme suyu eldesi, proses suyu, içme suyu ve konsantre sıvılar elde etme de endüstri ve insani amaçlı olarak yaygın olarak kullanılmaktadır.
Endüstriyel atıksuların arıtımında klasik fizikokimyasal ve biyolojik yöntemlerin belirli kirleticilerin arıtımında sınırlı etkinliğe sahip olmalarından dolayı istenilen arıtma seviyelerine ulaşılamamaktadır. Özellikle renk, dirençli organik kirleticiler, tuzluluk gibi parametreler gittikçe önem kazanmakta ve bu kirleticilerin arıtılması için yeni, etkili, temiz teknolojiye dayanan, ekonomik çözümlere ihtiyaç duyulmaktadır. Hızla gelişmekte olan membran teknolojileri ve prosesleri bu ihtiyaçlara cevap verebilecek bir çözüm olarak öne çıkmaktadır (Bakery ve diğ., 2014).
Tekstil endüstrisi proses gereği yüksek miktarda su kullanmaktadır. Proses çeşitliliği ve tekstil malzemesinin üretimi esnasında farklı proseslerden farklı özelliklere sahip atıksular ortaya çıkmakta ve arıtma prosesi sonrası deşarj edilmektedir. Bu renkli ve yüksek pH'daki atıksular geleneksel yöntemler ile biyolojik olarak arıtılabilmekte ancak renk ve tuzluluk giderimi sağlanamamaktadır. Bu tür atıksuların verildiği alıcı su ortamı kalitesi giderek kötüleşmekte ve diğer faydalı kullanım amaçları da zarar görmektedir. Bu sebeple, yasal deşarj standartları her geçen yıl sıkılaştırıldığından ve deşarj edilebilecek atıksu miktarı sınırlandığından dolayı birçok tekstil endüstrisi için atıksu arıtımı büyük bir problem haline gelmiştir (Neamtu ve diğ., 2004). 
Bu çalışma kapsamında; polisülfon (PSf) kullanılarak ultrafiltrasyon düzeyinde düz tabaka (flat sheet) membran üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretilen bu membranlara boya giderim verimini arttırmak amacıyla halloysit nanotüp (HNT) eklenmiştir. Halloysitler, doğal nanotüp olarak adlandırılan içi boş yapıda olan, yüksek en/boy oranı ve iç ve dış yüzeyleri iyonik yükler taşıyan özgün nanoparçacıklar olup içeriğinde alüminyum, silisyum hidrojen ve oksijen çift tabakalı yapısından oluşmuş eşsiz bir kil mineralidir (Pavia ve diğ., 2008). 
Literatür çalışmalarına bakıldığında, nanomateryal eklenmesi sonucunda saf su akılarında artış olduğu, tutunum yapılacak çözeltinin akılarında da bir miktar da olsa artış gözlendiği ve verimlerde saf membranlara göre biraz daha fazla olduğu görülmüştür. Bu yüzden bu çalışmada hem akıyı hem de verimi arttırnak amacıyla halloysit nanotüp eklenmiştir.
Deneysel çalışmalarda; endüstriyel atıksuların ön arıtımı maksadıyla faz dönüşümü yöntemi kullanılarak laboratuar ölçekte ultrafiltrasyon (UF) seviyesinde membran üretimi gerçekleştirilmiştir (Wienk ve diğ.,1993). Membran üretiminde polimer olarak polisülfon (PSf) polimeri, çözücü olarak da N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) çözücüsü kullanılmıştır. Ayrıca boya giderim veriminin artması için çeşitli oranlarda halloysit nano parçacığı (HNT) de eklenerek membran üretimi gerçekleştirilmiştir. İki tip HNT kullanılmıştır. Bunlardan biri 5µm diğeri 63µm HNT'dir. Üretilen membranlar ile geçirgenlik, temas açısı, por dağılım analizi, mekanik dayanımı, SEM gibi çeşitli karakterizasyonlar yapılmıştır.
Boya giderim performansları iki farklı boya ile belirlenmiştir. Bunlar Setazol Kırmızı ve Reaktif Turuncu boyalarıdır. Her bir boya standart koşullarda 100 mg/L konsantrasyonda hazırlanmış, 2 bar basınç altında 1 saat boyunca dead-end filtrasyon modülü ile membranlardan süzülmüştür. Elde edilen süzüntüler ve giriş numuneleri UV-Spectrofotometre cihazında Setazol Red için 520 nm Reaktif Turuncu için de 493 nm dalga boylarında absorbansları okutulmuştur. Okutulan absorbanslar sonucunda boya giderim verimleri hesaplanmıştır. 
Ardından seçilen konsantrasyonda HNT içeren membran ile HNT içermeyen membran için boyanın sıcaklık ve pH'ı değiştirilerek aynı deneyler yapılmıştır. Bu membranlar ile 2 bar basınç altında 1 saat boyunca dead-end filtrasyon modülü ile deneyler yapılmış ve boya giderim verimleriyle birlikte akılar hesaplanmıştır. 
Karakterizasyon testlerinin sonuçlarına göre; membranların içindeki HNT yüzdesi arttıkça viskozitelerin arttığı, geçirgenliğin arttığı, temas açısının düştüğü, mekanik dayanımın arttığı ve zeta potansiyeli sonuçlarına bakıldığında negatife doğru gittiği gözlenmiştir. Membranların olması gerektiği gibi ultrafiltrasyon membran seviyesinde olduğu görülmekte ve düzgün bir üretim gerçekleştirildiğine karar verilmiştir.
Boya performans deneylerine göre;
-	Setazol kırmızı boya kullanıldığında boyaların moleküler ağırlığı fazla olduğu için membranların akıları düşük ama verimleri yüksek çıkmıştır.
-	Reaktif turuncu boya kullanıldığında boyaların moleküler ağırlığı az olduğu için membranların akıları yüksek ama verimleri düşük çıkmıştır.
Ayrıca halloysit nanotüp doğal bir kil minerali olup, Türkiye'de mevcuttur. Bu yüzden de maliyet açısından bir sıkıntı oluşturmamaktadır. HNT ilavesi birçok avantaj sağlamaktadır. Aşağıda bunlar sırasıyla verilmiştir. 
1)	Akının ve verim artması; 
UF membranlarında akılar genellikle yüksektir. İçine HNT ilave edildiğinde akılar bir miktar da olsa artmaktadır. Bunun sebebi HNT ilavesi ile birlikte membran yüzeyinin negatifliliğinin artmasıdır. Bu artış sonucunda boyalar ve membran yüzeyi aynı kutupta olup birbirlerini itmekte ve verimi arttırmaktadır.  
Bunun dışında sıcaklık ve pH değiştirildiğinde HNT'nin mekanik özelliklerinden dolayı akı ve verimlerde çok fazla azalma olmadığı ve membranların dayanıklı oldukları gözlenmiştir. 
2)	Maliyetin fazla olmaması;
Basınçlar konusunda UFmembranları NF membranlara göre daha az basınçta yüksek akılar verebilmektedir.
3)	Tıkanma durumu;
Yüzeyleri ne kadar negatifse membranın boyayı uzaklaştırması o kadar yüksek olduğundan dolayı HNT ilavesi sonucunda membranların gözeneklerinde boyalar çok fazla birikmez böylelikle de geri yıkama için gerekli olan süre miktarı uzamış olur. 
4)	Kullanım durumu;
Membranların kullanılması sonucunda kalan boyalı suyu direk deşarj edemiyoruz. Bunun bu sistem NF öncesinde ön arıtma amacıyla gerekli sistemlerde kullanılabilir. Böylelikle hemNF membranların yükünü azaltır hem de büyük partikülleri tutarak diğer tutulması gereken maddeleri de ortamdan uzaklaştırmış olur. 
Bütün bu sonuçlar incelendiğinde öncelikle 63µm ile 5µm HNT arasından 5µm HNT içeren membranlar daha iyi sonuç verdiği için seçilmiştir.  Sonrasında 5 µm HNT içeren membranlar arasında en iyi sonuç veren %0,63 HNT içeren membran olmuştur. Bu iki membranda suyun sıcaklığı ve boyaların sıcaklıkları ve pH'ları değiştirilerek yapılan deneylerin karşılaştırılması verilmiştir.

Abstract:
Water is one of the leading natural resource nowadays. With the increasing population; changing climate conditions and world circumstances in the forthcoming years even water-rich countries will become water scarce. Because of this reason, water recycling became a necessity in industrial and domestic usage. In the water recycling process the best efficient system is membrane technology which has uses on commonly desalination, process water, drinking water treatment processes, by this way one can obtain concentrate liquids and intended for human consumption. 
Classic physicochemical and biological methods have limited efficacy in the treatment of certain pollutants because of that reason it cannot achieve the desired level of treatment for the treatment of industrial wastewater. Especially color, resistant organic pollutants, salinity and the other parameters are becoming more important. Some economical solution like as new, efficient, based on clean technology are needed for treatment of these pollutants so that rapidly developing membrane technologies and processes emerge as a solution that could respond to these needs (Bakery et all., 2014).
According to process of the textile industry uses high amount of water. Wastewaters are emerging with different characteristic because of process variety and different processes during the production of textile materials and the wastewater is discharged after the treatment process. The wastewater that is colourful and has high pH can be purify by conventional methods as biological but the color removal and desalination is not provided. Receiving water environments quality is getting worse because of this wastewater and other useful purpıseare to see the damage. Therefore, the legal discharge standards were made more difficult with each passing year and the amount of wastewater that is discharged were limited. Because of that reason, the wastewater treatment in textile industry has become a major problem. (Neamt et al., 2004).
As scope of this study, the flat sheet ultrafiltration membrane was produced by using polysulfone (PSf). Halloysite nanotube (HNT) was added into the membrane solution to increase color removal efficiency. Halloysite are named natural nanotubes. It is hollow structure. It's width /lenth ratio is high and it's internal and external surfaces has ionic charge. Halloysite is a original nanoparticles and includes aluminum, silicium. It is a unique clay mineral which formed of the hydrogen and oxygen doluble layer structure. (Pavia et al., 2008).
According to literature; as a result of the addition of nanomaterials, the pure water flux can insrease. The solution flux which is removal of something and the efficiency are increased by using nanomaterials. Because of that reason, the halloysite nanotube were added into the solution of membrane to increase flux and efficiency. 
In experimental studies; the ultrafiltration membrane which is used as a pre-treatment of industrial wastewater was produced by using phase inversion method(Wienk et all.,1993). In production of membrane; polysulfone (PSf) and N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) were used as a polymer and solvent. Also halloysite in different consentration was used to increase the coefficient of color removal. Two types of HNT was used for production of membrane. One of them is 5µm and the other one is  63µm HNT. After production of membrane some characterization was made such as permeability, contact angle, pore size analysis,mechanical strength and Scanning Elektron Microscope (SEM).
Two types of dyes which are Setazol Red and Reactive Orange were used for performance of dyes removal.  The both of dyes were prepared same concentration which is 100 mg/L. They were filtered by using dead-end filtration module during 1 hour under 2 bar pressure. The samples absorbances which are feed and permeate samples absorbances were though by using the spectrophotometer. Setazol Red's wavelenght is 520 nm and reactive orange's wavelenght is 493 nm. After this procedure, the color removal efficiency was calculated. 
Moreover, two membranes was choosen. One of them is without HNT and the other one is containing selected concentration HNT. The temperature and pH of dyes were changed and experimentals procedure were same. The both of dyes were prepared same concentration which is 100 mg/L. They were filtered by using dead-end filtration module during 1 hour under 2 bar pressure. The samples absorbances which are feed and permeate samples absorbances were though by using the spectrophotometer.
According to characterization results; when the concentration of HNT increases, viscosity, permeability and mechanical strenght increase, contact angle decreases and zeta potential goes to negative site. As it should be observed that the membranes in the ultrafiltration membrane and it was decided that a production performed uniform.
According to dyes performance experiments; Setazol Red dyes have a high molecular weight so that permeability is less than Reactive Orange's permeability and the efficiency of color removal is higher than Reactive Orange's efficiency of color removal. Reactive Orange dyes have a low molecular weight so that permeability is higher than Setazol Red's permeability and the efficiency of color removal is less than Setazol Red's efficiency of color removal. 
Also halloysite nanotube is a natural clay mineral and available in Turkey. Therefore it doesn't constitute a problem in terms of cost. HNT provides some additional advantages. These are given below. 
1)	Increasing of flux and efficiency;
Usually UF membrane's flux is higher than NF membrane's flux. When HNT is added into membrane solutions, the flux can increase slightly. The reason of this, Negativity of membrane surface is increased with the addition of HNT. Dyes and membrane surface are negatively charge and they pushes each other so that the efficiency can increase. 
Otherwise when the temperature and pH changed, the flux,efficiency and strength can not decrease due to the mechanical properties of HNT. 
2)	Not high cost;
UF membrane's pressure lower than NF membrane's pressure nevertheless the flux of UF membrane is higher than the flux of NF membrane. 
3)	Fauling of membrane;
According to the negativity of membrane surface, the efficiency of dye removal can be changed to remove the varrying dyes. Because of this reason, dyes can not accumulate into membrane pore and the fauling of membrane can be decreased. The time required for backwashing is increased. 
4)	Usage Area
The containing dye water after UF membrane filtration can not be discharge directly. UF membranes can be used in pre-treatrement before NF membranes. This type of usage has some advantages. First of all, the workload of NF membrane can be decreased by using UF membrane. The other one is that, the other substances large particles are kept by UF membrane filtration system to keep away from the media. 
When all the results are examined, firstly the membrane which contains 5 µm HNT was selected through membranes which contain 63 and 5µm HNT. Because most of characterization results and dye performans tests results were better than membrane which contains 63 µm HNT. After that part, the concentration of HNT was selected. The best result was showed 0,63% HNT concentration. Moreover the results of experiments were compared with two membranes when the temperature and pH of dyes was changed.