Hibrit seramik membran prosesiyle su arıtımı
Water treatment with hybrid ceramic membrane process
Yazar: BİLGEHAN İLKER HARMAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MEHMET BEYHAN
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Arıtma = Treatment ; Demir oksit = Iron oxide ; Hidrojen peroksit = Hydrogen peroxide ; Kaplama = Coating

Özet:
Yapılan bu tezin ana amacı, laboratuar ölçek çalışmalar yaparak demir oksit kaplı seramik membran ve hidrojen peroksit ilavesiyle katalitik oksidasyonu içeren hibrit membran prosesiyle (HSMHP) sulardan doğal organik madde (DOM) ve fenol gideriminin ve önerilen prosesin etkinliğinin tayin edilmesidir. Kullanılacak membran oksidan ilavesi ve müteakip katalitik yüzey reaksiyonları sonucu oluşacak güçlü radikallere karşı dayanımlı olması gerektiğinden HSMHP prosesinde seramik membranların kullanılması tercih edilmiştir. HSMHP prosesi hakkında literatürde spesifik bir test çalışması ya da uygulama mevcut değildir. Bu bağlamda tezde elde edilen sonuçların literatüre önemli katkılar sağlayacağı öngörülmektedir.Tez 3 ana fazda yürütülmüştür. Faz 1: HSMHP prosesi için temin edilen seramik membranların metal oksitlerle kaplanması ve kaplanmamış-kaplanmış membranların detaylı karakterizasyonu; Faz 2: Model çözeltilerde (distile-deiyonize su içinde sadece DOM ve fenol bulunduğu çözeltiler) yapılan HSMHP testleri; Faz 3: İçme suyu kaynaklarından alınan gerçek doğal su numunelerinde yapılan HSMHP testleri. Kaplanmamış ve demir oksit ile kaplanmış seramik membranlar ile yapılan testlerde en fazla DOM giderimleri yüksek SUVA değerlerine sahip DOM çözeltilerinde (model DOM çözeltilerinde) elde edilmiştir. Demir oksit kaplı seramik membranlar ile yüksek SUVA değerine sahip sularda DOM'un (özellikle de UV absorplayan kısmı) demir oksit yüzeye adsorpsiyonu sonucu DOM giderimleri artmıştır. Bu sonuç, kaplanmamış ve kaplanmış seramik membranların DOM giderim performansının DOM'un yapısıyla (hidrofobik ve/veya hidrofilik fraksiyon) doğrudan ilişkili olduğunu göstermektedir. Hem kaplanmamış hem de kaplanmış membran testlerinde fenol ve DOM'un birlikte bulunduğu model çözeltiler ve doğal ham sular ile yapılan testlerde fenol-DOM etkileşimlerinin olmadığı dolayısıyla fenol ve DOM giderimlerinin birbirinden bağımsız olduğu bulunmuştur. Fenol giderimlerinde fiziksel membran ayırma mekanizması çok az rol almıştır. Fenol gideriminin ana mekanizması çözeltinin pH değerine bağlı olarak elektrostatik itmedir. Hidrojen peroksit eklenen model çözeltiler ve doğal ham sular ile denenen HSMHP prosesi DOM gideriminde öngörülen artışı sağlayamamıştır. Ancak HSMHP prosesi membran tıkanma kontrolünde laboratuvar ölçekli çalışmalarda oldukça etkili olmuştur. HSMHP prosesinin membran akılarını artırdığı, akı azalmalarını ve tıkanma oranlarını ise azalttığı tezde yapılan testler ile kanıtlanmıştır. HSMHP prosesinin uzun süreli testindeki akı değerlerinde artış gözlenmesinin yanında DOM giderimleri ise olumsuz yönde etkilenmemiştir. Bu sonuç, HSMHP prosesinde kullanılan demir oksit ile kaplanmış seramik membranların kendi kendini rejenere edebildiğini işaret etmektedir.

Abstract:
The principal aim of this dissertation was to investigate the natural organic matter (NOM) and phenol removals in aqueous phase by the hybrid membrane process of the iron oxide coated ceramic membrane with hydrogen peroxide addition (HCMHP) and to determine the efficiency of the proposed mechanism. Ceramic membranes were used in this process (HCMHP) because the polymeric materials are non-resistant to strong radicals generated by oxidant addition and catalytic surface reactions. Based on the knowledge of the author, there is no published work on the application of hydrogen peroxide-based catalytic hybrid ceramic membrane process for water treatment. Therefore, we believe that the results of this research will contribute to water treatment and membrane application arena.This research was performed in three phases. Coating of the ceramic membranes with iron oxide and characterization of these iron oxide coated membranes and the bare membranes were conducted in the first phase of the thesis. Application of the hybrid membrane process to the model solutions such as synthetic solutions of the NOM and phenol was conducted in the second phase of the thesis. Finally, in the third phase of the thesis, the hybrid membrane process was applied to the natural water samples from the drinking water sources. The highest NOM rejection with iron oxide coated membranes and the bare membranes were observed with the NOM solutions with high SUVA values (synthetic NOM solutions). The higher rejection of the NOM with high SUVA values with iron oxide coated ceramic membrane is due to the adsorption of the NOM (especially the UV absorbing fractions) on the iron oxide layer. This result shows that the NOM rejection with iron oxide coated ceramic membranes or bare membranes are directly related to the NOM structure (hydrophilic and/or hydrophobic fractions). The rejection tests with both synthetic solutions of the NOM and phenol mixtures and natural waters showed that there is no interactions between NOM and phenol sorptions in both iron oxide coated ceramic membranes and the bare membranes. Pore size exclusion mechanism did not play a major role in the rejection of phenol with ceramic membranes. The main rejection mechanism of phenol with ceramic membranes was electrostatic repulsion depending on the pH of the solution. Addition of hydrogen peroxide in HCMHP did not show any enhancement for NOM removal. However, hydrogen peroxide addition was very effective for fouling control in the lab-scale NOM rejection tests. It was shown that hydrogen peroxide addition in HCMHP increased the flux and reduced the flux decline and fouling of the membranes. During long term membrane tests, although similar NOM removals were found for HCMHP process and uncoated membranes without peroxide addition, HCMHP process provided higher flux values compared to uncoated membranes. This result indicated that catalytically produced oxidants on iron oxide surfaces continuously removed the adsorbed NOM on iron oxide layers, thereby providing regeneration and flux enhancement ability to the process.