İnce film kompozit membranların su arıtımında kirlenme özelliklerinin QCM-D tekniği ile araştırılması
Investigation of fouling properties of thin film composite membranes by QCM-D technique in water purification
Yazar: EDA HAZAL BARAN
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN DELİGÖZ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Dünyada su kıtlığı konusu önem kazandıkça deniz suyunun arıtılması yoluyla tatlı su eldesi prosesi önem kazanmaktadır. Bu amaçla kullanılan proseslerin içerisinde membranla arıtma yöntemleri son yıllarda öne çıkmaktadır. Deniz suyundan tatlı su eldesi için Elektrodiyaliz (ED) ve Ters Osmoz (TO), çoğunlukla uygulanmakta olup tez kapsamında Ters Osmoz prosesi ele alınmıştır. Membran kullanımında önemli bir problem olan membran kirlenmesini (fouling) minimize etmek amacıyla son yıllarda elektrostatik etkileşimle bir membran destek üzerinde aktif tabaka oluşturan tabakalı kaplama (LbL) yöntemi kullanılmaktadır.  Tabakalı kaplama yöntemi ile aktif tabaka hazırlamak için Kuartz Kristal Mikrobalans-Dissipasyon (QCM-D) cihazı kullanılmıştır.  
Tez kapsamında, tabakalı kaplama (Layer-by-Layer/LbL) yöntemi ile katyonik ve anyonik saf polielektrolitlerden elde edilen çok tabakalı fonksiyonel ince filmlerin hazırlanması ve bu aktif filmlerin tuz adsorpsiyon ve tuz çözelti kararlılıklarının incelenmesi hedeflenmiştir. Denemelerde katyonik polielektrolitler olarak Poli(alilamin hidroklorür) (PAH), Poli(vinilamin hidroklorür) (PVA), Polietilenimin (PEI) ve anyonik polielektrolitler olarak ise; Poli(4-stiren sülfonik asit) sodyum tuzu (PSS), Poli(vinil sülfat) potasyum tuzu (PVS) ve Poli(akrilik asit) (PAA), kullanılmıştır. Bununla birlikte, hazırlanan aktif tabakaların viskoelastik özellikleri belirlenmeye çalışılmıştır. Elde edilen aktif tabakaların tuz dayanımı ve tuz adsorpsiyonunu incelemek üzere farklı tuz tipleri ve konsantrasyonlarının yanı sıra uzun süreli tuz çözeltisi dayanım testleri yapılmıştır.  Ayrıca, cam destek ve NF-90, NF-270 kodlu ticari membran desteklerin üzerine tabakalı kaplama yöntemi ile oluşturulan ince film kompozit membranların UV-Vis analizleri, Yüzey Temas Açısı (Tensiyometre) ölçümleri ve SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu) analizleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca tez kapsamında ticari membran destek ve kompozit membranların ev yapımı TO sisteminde akı değerleri hesaplanarak elde edilen ön sonuçlar rapor edilmiştir. 
QCM-D cihaz sonuçlarından kullanılan polielektrolitlerden çok tabakalı filmlerin başarıyla hazırlanabildiği ve kullanılan polielektrolit türüne bağlı olarak tuz adsorpsiyon ve tuz çözeltisi dayanımlarının kontrol edilebildiği tespit edilmiştir. Genel olarak, PAA'nın kullanıldığı çok tabakalı aktif filmlerin tuzu daha fazla adsorplamasına karşın çok tabaka kararlılıklarının PSS'ten hazırlanan ürünlere göre yüksek olduğu saptanmıştır.  TO sonuçlarından uygulanan basıncın artmasıyla akı değerinin arttığı ve kompozit membranların ticari membran desteklere göre daha düşük akı değerine sahip olduğu gözlenmiştir. 
Sonuç olarak, tez kapsamında gerçekleştirilen çalışmalarda, arıtım amaçlı tuz dayanımı ve kararlı TO akısına sahip membranların hazırlanması için yenilikçi ekonomik ve pratik bir yaklaşım olan LbL tekniği önerilmiştir. Ayrıca tezde, ince film kompozit ürünlerin membran uygulamalarında arıtım performansını önemli oranda düşüren membran kirlenmesinin (fouling) belirlenmesi için yenilikçi olarak QCM-D tekniğinin kullanımı sunulmuştur. Aktif tabaka oluşumu ve tuza dayanımı QCM-D tekniğiyle takip edilerek kontrol edilebilen özelliklerde film hazırlanması ve realize ters osmoz uygulaması için yeterli akı değerini sağlaması nedeniyle elde edilen sonuçlar ümit verici olarak değerlendirilmiştir.

Abstract:
The purification of sea water for obtaining fresh water has gained great importance considering the water scarcity in the world. Among the processes that can be used for this purpose, the purification methods with membrane has attracted more attension in the last years. Electrodialysis (ED) and reverse osmosis (RO) processes are commonly used in the obtaining of fresh water from seawater. In this thesis RO process has been focused. In the recent years, Layer-by-Layer (LbL) method, which forms an multilayer active layer on the support is used to minimize the fouling problem which is one of the important properties restricting the membrane usage in purification. Quartz Crystal Microbalance-Dissipation (QCM-D) device has been used for the preparation of  multilayer via LbL method. 
In the thesis, it has been targeted that the preparation of multilayer functional thin films from cationic and anionic polyelectrolytes by LbL technique and the investigation of salt adsorption and stability to salt solution of these films. In the experiments, poly (allylamine hydrochloride) (PAH), poly (vinylamine hydrochloride) (PVA), polyethyleneimine (PEI) are used as cationic polyelectrolytes and poly (4-styrene sulfonic acid) sodium salt (PSS), poly (vinyl sulfate) potassium salt (PVS) and poly (acrylic acid) (PAA)are used as the anionic polyelectrolytes. Moreover, it has been studied to determine the viscoelastic properties of prepared active layers. In addition to salt adsorption and salt solution stability tests of the obtained active layers depending on different types of salt and concentration, long term tests have also been carried out. Also, UV-Vis analysis, surface contact angle (Tensiometer) measurements and SEM (scanning electron microscope) analysis of the UV suprasil glass support and the composite membranes obtained from NF-90 and NF-270 coded different supports have been performed. Furthermore, the flux values of commercial membrane support and composite membranes have been calculated using a new home-made reverse osmosis system and the obtained primary results have been reported in this thesis.
From QCM-D results, it has been found that multilayered films can be successfully prepared from the used polyelectrolytes and salt adsorption and salt solution stability of the prepared films can be controlled depending on the polyelectrolyte types used in this thesis.  Generally, it has been determined that the multilayer stability of PAA based films are higher than that of PSS based products although PAA based active films adsorb more salt. From TO results, it has been observed that the fluxes were improved with applied pressure and the composite membranes had lower flux values than that of the commercial membrane support.
Consequently, in this thesis, the LbL method which is an economical and innovative approach has been offered for the preparation of membranes with having multilayer stability to salt solutions and steady RO flux. In addition, the use of QCM-D technique as an innovative approach has been reported for the following of membrane fouling which decreases the membrane performance a considerable amount, the QCM-D technique is suggested as an innovative approach to determine membrane fouling which decreases the purification performance significantly. The obtained results have been evaluated as promising in accordance with the preparation of active films having controllable properties and providing sufficient flux values for realized RO application.