Ultrafiltrasyon ve nanofiltrasyon membranları ile boyar madde giderimi
Dye removal by ultrafiltration and nanofiltration membranes
Yazar: SEVDE KORKUT
Danışman: PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Atık su arıtma = Waste water treatment ; Nanofiltrasyon = Nanofiltration ; Ultrafiltrasyon = Ultrafiltration

Özet:
Bu çalışma kapsamında yüksek sıcaklık ve alkali koşullarda boyama yapılan pamuklu tekstil endüstrisi sularının arıtımı için fotokatalitik ön arıtma ile birlikte ultrafiltrasyon ve nanofiltrasyon membranları ile konfigürasyonlar denenmiştir. Bu denemelerde hem sentetik boya çözeltisi hem de ham tekstil atıksuyu kullanılmıştır. Ardından yine gerçek atıksuda yüksek akı, yüksek boyar madde ve divalent tuz giderimi sağlayacak NF membranları test edilmiştir.
Bu amaç doğrultusunda laboratuvar ortamında ultrafiltrasyon ve nanofiltrasyon membranları üretilmiştir. NF membranlarının üretilmesinde en çok tercih edilen yöntemlerden birisi poliamid olarak ince film kaplamanın uygulanmasıdır. Poliamid tabaka ara yüzey polimerizasyonu prosesi kullanılarak oluşturulmaktadır. Bu yöntemde basit olarak amin grubu bir monomer ile organik asit reaksiyona sokularak ara yüzey polimerizasyonu gerçekleşir. Bu işlemin bir diğer adı da ince film kompozit (TFC) yöntemidir.
Nanomalzemelerin TFC yönteminde aktif tabakada kullanılması literatürde ince film nanokompozit (thin film nanocomposite-TFN) olarak adlandırılmaktadır. Bu dönemde TFN ile NF membran üretiminde 5 μm boyutundaki HNT'ler kullanılmıştır. Büyük boyuttaki HNT'lerin destek tabakasında yarattığı bazı problemler nedeniyle TFN'de daha düşük boyuttaki HNT'ler tercih edilmiştir. TFN'deki amaç nanomalzeme ilavesiyle poliamid tabakanın boya giderim verimlerini ve akıyı arttırmaktır.
Parmaksı yapıda üretilen UF ön artıma membranlarından en iyi performansı gösteren %0,625 HNT içeren %16 PSf polimerin NMP'de çözülerek elde edilen membrandır. Bunun yanında %60 S-DADPS- %40 PİP monomerleri karıştırılarak elde edilen TFC-NF membranı ve %0,04 HNT içeren TFN-NF membranı en iyi performasnları göstereren membranlar olarak ele alınmıştır. Dolayısıyla bu membranlar ile konfigürasyon çalışmaları yapılmıştır. Kendi içlerinde değerlendirmenin daha anlaşılır olması amacıyla da UF membranlardan saf PSf ile üretilen membran ve NF membranlardan saf TFC yöntemi ile üretilen membranlar da bu konfigürasyonlarda yer almıştır. Fotokatalitik reaktör + UF; fotokatailik reaktör + NF konfigürasyonları denenmiştir. Deneme önce 100 ppm reaktif orange boyası ile yapılmıştır. Sonra tekstil fabrikasından gelen dipsers ve empirme prosesinden çıkan atıksu ile yapılmıştır.
Proje kapsmaında üretilen TFC ve TFN membranlardan en iyi performans gösteren %80 S-DADPS TFC, %0,02 HNT TFN, Cyclo %0,04 HNT TFN ve %80 S-DADPS %0,01 HNT TFN membranlarının karakterizasyon ve performans değerleri verilmiştir. Ayrıca tekstil fabrikasından gelen empirme atıksuyu ve fotokatalitik reaktör çıkış suyu ile 9 barda filtrasyon yapılmıştır. KOİ giderim verimi, TOK giderim verimi, boyar madde giderim verimi, iletkenlik giderim verimi ve tuz giderim verimi değerleri grafiklerle ifade edilmiştir.
S-DADPS, PİP'den daha gevşek bir yapıya sahiptir ve su akışını daha fazla desteklemektedir. Sonuçlar da incelendiğinde aktif tabakadaki S-DADPS oranı arttıkça beklenildiği üzere akı performansı artmıştır. Ancak en iyi akı performansı saf TFC'nin akısından 6 kat daha fazla olan mor bar grafiği ile gösterilmiş %60S-DADPS-%40PİP ile elde edilen membrandır.
HNT'nin eklenmesi genel olarak akı performansını arttırmıştır ancak. %0.06 HNT oranında tekrar akıda düşme gözlenmiştir. Bu da oluşan aglomerasyonu göstermektedir. Yüksek oranlarda iyi dağıtılamayan HNT membranda tıkanmaya neden olmuştur. En iyi akı performansı da %0,04 HNT oranında elde edilmiştir. Bu değer saf TFC'nin 2.5-3 katı kadar olmaktadır. Bu çalışmada %0,04 HNT oranı içeren NF membranı optimum değer olarak kabul ediliştir. HNT katkısının akıyı arttırmasının yanında giderim verimini de önemli ölçüde değiştirmediği görülmüştür. Farklı barlarda %1 oranında akıyı ya arttırmış ya da düşürmüştür. Bunun da deneysel sapmalar olduğu düşünülürse verimi değiştirmediği de söylenebilir.
Konfigürasyonlarda fotokatalitik reaktörde reaktif orange boyanın tamamı arıtılmış olup NF membrana bir arıtma yükü kalmamıştır. Bu konfigürasyonda deneyler iki set halinde yapılmıştır. İlk sette NF membrandan beklenile performans alınamadığı için membran yüzeyinde hasarlar oluştuğu düşünülmektedir. Bu yüzden literatürde bu hasarları kapatmak için kullanılan polivinil alkol (PVA) çözeltisi kullanılmıştır. 2000ppm olarak hazırlanan her bir PVA 9 barda 1 saat her bir NF membranından filtre edilmiştir. NF membranlar bu filtrasyondan sonra tekrar UF çıkışında kullanılmıştır. Sonuçlar incelendiğinde UF membranın giderim verimine neredeyse hiç katkısının olmadığı görülmektedir.

Abstract:
In the scope of this study, photocatalytic treatment, ultrafiltration and nanofiltration membranes and configurations have been tried for the treatment of cotton textile industry waters which have been dyed in high temperature and alkaline conditions. In these experiments, both synthetic dye solution, crude tex- tile wastewater and photocatalytic reactor effluent were used. Then NF membranes were again tested to provide high flux, high stain and divalent salt removal in real wastewater.
One of the most preferred methods of producing NF membranes is the application of a thin film coating as the polyamide. The polyamide layer is formed using the interfacial polymerization process. In this method, the amine group is reacted with a monomer and an organic acid to effect the interface polymerization. Another name for this process is the thin film composite (TFC) method.
Membrane obtained by dissolving 16% PSf polymer containing 0.625% HNT in NMP, which exhibited the best performance from the UF pre-growth membranes produced in the fingertip structure. TFN-NF membranes obtained by mixing 60% S-DADPS-40% PIP monomers and TFN-NF membranes containing 0.04% HNT were considered as membranes showing the best performances. Therefore, configuration studies have been made with these membranes. Membranes produced by pure PSF from UF membranes and membranes produced by pure TFC from NF membranes are also included in these configurations in order to make the evaluation within themselves more understandable. Photocatalytic reactor + UF; photocatalytic reactor + NF configurations have been tried. The experiment was carried out with 100 ppm reactive orange dye. It is then made with dipsers from the textile mill and wastewater from the impregnation process.
The characterization and performance values of the best performing 80% S-DADPS TFC, 0.02% HNT TFN, Cyclo 0.04% HNT TFN and 80% S-DADPS 0.01% HNT TFN membranes were given from the TFC and TFN membranes produced in the project . In addition, 9 bottles of filtration were made with the extraction wastewater from the textile mill and the effluent from the photocatalytic reactor. COD removal efficiency, TOC removal efficiency, stain removal, conductivity recovery, and salt removal efficiency values are expressed in graphs.
S-DADPS has a looser structure than PIP and supports water flow more. When the results are examined, as the S-DADPS ratio in the active layer increases, the flux performance increases as expected. However, the best flux performance is obtained with 60% SODPPS-40% PIP indicated by the purple bar graph, 6 times more pure TFC.
The addition of HNT generally improved flux performance. A fall of 0.06% HNT was observed again. This shows the agglomeration that occurs. HNT membranes, which can not be well distributed at high rates, cause blockage. The best flux performance was achieved at 0.04% HNT. This value is 2.5-3 times that of pure TFC. In this study, NF membrane containing 0.04% HNT was considered to be the optimum value. It has been found that the HNT addition does not significantly alter the recovery efficiency as well as the flow increase. At different bars, 1% flow increased or decreased. It can also be said that this does not change the yield if it is thought to be experimental deviations. In the configurations, the reactive orange dye is completely purified in the photocatalytic reactor and there is no purification load on the NF membrane. In this configuration, experiments were performed in two sets. In the first set, damage to the membrane surface is thought to occur because the expected performance of the NF membrane can not be obtained. Therefore, polyvinyl alcohol (PVA) solution is used in the literature to cover these damages. Each PVA prepared at 2000 ppm was filtered through each NF membrane for 1 hour at 9 bars. NF membranes were used again at the exit of UF after this filtration. When the results are examined, it appears that almost no contribution of the UF membrane to the removal efficiency appears.