Kompozit membranların yüzey özelliklerinin nanofiltrasyon uygulamalarında seçimlilik ve geçirgenlik üzerine etkileri
Surface properties effect of composite membranes on their permeability and selectivity in nanofiltration applications
Yazar: SERKAN ACAR
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN DELİGÖZ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Türkçe Özet: Dünya genelinde artan endüstri faaliyetleri ve nüfusa bağlı olarak temiz suya olan talep her geçen gün önem kazanmaktadır. Yenilikçi membran teknolojilerinin geliştirilmesi ve alternatif malzemelerin araştırılması, ülkemiz ve dünya için öncelikli çalışma konularından birini oluşturmaktadır.
Tez kapsamında, nanofiltrasyon (NF) uygulamalarında kullanılabilecek, yenilikçi malzemelerin hazırlanması, karakterizasyonu ve artıma performanslarının belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda, iki ayrı yaklaşım sonucunda hazırlanan ürünlerin NF uygulamalarında kullanılabilirlikleri test edilmiştir. Birinci yaklaşımda, ticari ve yaygın olarak kullanılan çeşitli termoplastik yapılı polimerlerden (PE, PA, PP, EVOH) filmler hazırlanarak bir diyaliz hücresinde sırasıyla NaCl, CaCl2, MgCl2 kullanılarak ilgili iyonların geçirgenlikleri süreye bağlı olarak araştırılmış ve elde edilen geçirgenlik değerlerinden de hazırlanan filmlerin seçimlilik faktörleri hesaplanmıştır. İkinci yaklaşımda ise, ticari NF90 ve NF270 destekleri üzerine harman yapılı anyonik polielektrolitlerden elde edilen ince film kompozit membranlar LbL (layer-by-layer) yöntemiyle hazırlanarak, çok tabakalı kompozit membranların 5-10 bar basınçta nanofiltrasyon uygulamasında akı ve Ca+2 ve Mg+2 uzaklaştırımları tespit edilmiştir. Ayrıca tez kapsamında hazırlanan tüm membranların ve filmlerin yüzey karakterizasyonları için SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu Analizi) ve Temas Açısı analizleri gerçekleştirilmiştir.
Elde edilen sonuçlarda, ticari polimerlerden hazırlanan filmlerin monovalent iyonlara divalent iyonlardan daha yüksek bariyer özellik gösterdiği, α(Na+/Ca+2) değerinin 14,9-16,8 aralığında olduğu ve PE esaslı filmin α(Na+/Mg+2) seçimlilik değerinin 28,8 olduğu belirlenmiştir. PE esaslı filmin, monovalent ve divalent iyonların ayırma işlemi için en uygun film olduğu ve literatür ile karşılaştırılabilir sonuçlar verdiği değerlendirilmiştir. Geçirgenlik ve iyon uzaklaştırım özelliklerinin ticari polimerlerden hazırlanan filmin yüzey özelliklerine ve hidrofilitesine bağlı olarak değiştiği belirlenmiştir.
60 LbL çift tabakalı kompozit membranların akı değerlerinin harman kompozisyonunda PAA artışına bağlı olarak arttığı ve NF270 üzerinde PAH/(%50 PSS-%50 PAA)60'nın 1M MgCl2 çözeltisi kullanılarak, 5 bar'da akı değerinin 5,44 LMH, 10 bar'da ise 7,1 LMH olduğu tespit edilmiştir. Kompozit yapılı membrandaki destek tabakasının türüne bağlı olarak akı değerinin belirgin oranda etkilendiği belirlenmekle birlikte tuz çözeltisi olarak 1M CaCl2 çözeltisi kullanıldığında da akı anlamında benzer sonuçlar görülmüştür. LbL harman yapılı 60 çift tabakalı kompozit membranın iyon uzaklaştırım değerlerinin oldukça yüksek olduğu ve bazı örnekler için %100 oranında gerçekleştiği tespit edilmiştir. Bu kapsamda, NF270 destek tabakası üzerine geliştirilen PVA/(%50 PSS-%50 PAA)60 ürünün Mg+2 uzaklaştırım değeri 5 bar basınç altında %100 ve hazırlanan tüm LbL 60 tabakalı harman yapılı membranların Ca+2 uzaklaştırım değerlerinin, %100 olduğu hesaplanmıştır. Harman yapısındaki PSS oranının arttırılmasının akı değerini düşürmesine karşın, 1M CaCl2 ve 1M MgCl2 çözeltisine karşı divalent iyon uzaklaştırımının 10 bar basınç altında %100 olduğu saptanmıştır.

Abstract:
Demand of clean water is gaining importance with increasing industrial activities and population in the world. Developing innovative membrane technologies and researching alternative materials is one of the priority issues for our country and the world.
In this thesis, it was aimed to prepare and characterize of  innovative materials, and to determine this purification in nanofiltration applications. The usability of the products which were prepared using two different approaches in nanofiltration applications were tested. At the first study, thin films were prepared from commercial and widely used thermoplastic polymers (i.e. PE, PA, PP, EVOH) and the permeabilities of relevant ions were investigated in the diffusion cell using NaCl, CaCl2 and MgCl2 solutions depending on time. With these results, selectivity of the thin films were founded. Second scope is to determine salt rejections and flux of the thin film composite membranes prepared from blended anionic polyelectrolytes using LbL techniques. Afterwards, Ca2+ and Mg2+ rejections of these membranes were performed at 5-10 bar. In addition, SEM (Scanning Electron Microscopy Analysis) and Contact Angle Analyzes were carried out for the surface characterization of all membranes and films prepared within the scope of the thesis.

The results showed that the monovalent barrier properties of films prepared from commercial polymers were higher than that of against divalent ions, α(Na+/Ca2+) was between 14,9-16,8 and the Na+/Mg2+ selectivity of PE based film was 28,8. It was evaluated that PE based film was the most suitable film for the separation of monovalent and divalent ions and exhibited comparable results with the literature. It was emphasized that the permeability and ion rejection properties varied depending on the surface properties and hydrophilicity of the film prepared from commercial polymers.
The flux values of 60 LbL bilayered composite membranes were increased with content of PAA in the blend composition and it was found that the flux values of using 1M MgCl2 solution of at PAH/(%50 PSS-%50 PAA)60 on NF270 were 5,44 LMH at 5 bar and 7,1 LMH at 10 bar using 1M MgCl2 solution. It was determined that the flux value was significantly affected depending on the type of the supporting layer in the composite membrane. Similar results were observed when 1M CaCl2 solution was used as salt solution. The ion rejection values of 60 bilayered blended LbL composite membrane were found to be quite high and it was found to be 100% for some samples. In this context, the Mg2+ rejection value of the PVA/(%50 PSS-%50 PAA)60 on NF270 support layer was 100% under 5 bar pressure and the Ca+2 rejection values were %100 of all prepared LbL 60 bilayered blended membranes. Although increasing the PSS ratio in the blend composition led to decay in flux value, divalent ion rejection against 1M CaCl2 and 1M MgCl2 solution was found to be 100% under 10 bar pressure.