Plazma tekniği ile membran yüzeyinin modifikasyonu ve membran biyoreaktörlerde uygulanması
Membrane surface modification by using plasma techniques and application to membrane bioreactors
Yazar: GÜLER TÜRKOĞLU DEMİRKOL
Danışman: PROF. DR. NEŞE TÜFEKCİ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Son yıllarda membran biyoreaktörlerin (MBR) atıksu arıtımında kullanımı yaygınlaşmıştır. Ancak bu yaygın kullanımı engelleyen en önemli nedenlerin başında membranların hızlı kirlenmesi neticesinde işletme maliyetlerinin yüksek olması gelmektedir. Bu maliyetleri azaltmak için farklı membran modifikasyon yöntemleri üzerine yapılan çalışmalarda hızlı bir artış görülmektedir. Bu modifikasyon yöntemlerinden biri de plazma ile membran yüzey modifikasyonudur. Bu tez çalışmasında hidrofobik yapıya sahip membranların plazma işlemiyle yüzey modifikasyonu yapılarak hidrofilik hale gelmesi ve bu membranların MBR'lerde kullanılması amaçlanmıştır. 
Bu kapsamda meyve suyu endüstrisi atıksularının plazma yöntemiyle modifiye edilmiş ve edilmemiş membranlar kullanılarak farklı organik yükleme ve farklı çamur yaşlarında MBR'de arıtılması araştırılmıştır. 
İlk aşamada gerçek meyve suyu atıksuyunun karakterizasyonu yapılmış ve bu atıksuyun karakterizasyonu esas alınarak deneylerde kullanılan atıksu sentetik olarak hazırlanmıştır. İkinci aşamada PS ve PVDF membranlar 1, 2.5, 5, 15 ve 30 dakika temas süresinde 20, 40, 60, 80, ve100 W güçte ayrı ayrı azot  gazı (N2) ve su buharı ile plazma işlemi gerçekleştirilmiştir.  Daha sonra modifiye edilen membranlar için temas açısı ölçümleriyle en iyi plazma şartları (PS için su buharı ile 100W güçte 15 dakika durağan modda, PVDF için su buharı ile 80W güçte 30 dakika) belirlenmiştir. Laboratuar ölçekli aerobik MBR sistemine yerleştirilen dörtlü membran modülleri ile hem modifiye edilmiş hem de modifiye edilmemiş iki farklı membran tipi (PS0, PSmod, PVDF0, PVDFmod) aynı şartlarda test edilmiştir. Son bölümde, MBR sistemi iki farklı çamur yaşında (ÇY=15 gün ve ÇY=30 gün) üç farklı organik yükleme (KOİ=500 mg/L, 1000 mg/L ve 2000 mg/L) ile çalıştırılmıştır. İşletmeye alma ve arıtılabilirlik çalışmalarında, hücre dışı polimerik madde (EPS) ve çözünmüş mikrobiyal ürün (SMP) içerikleri, mikroorganizmaların flok yapısı, yüzey özellikleri (hidrofobisite ve yüzey yükü), KOİ, çözünmüş oksijen, azot, TKN–N, NH3–N, NO2–N, NO3–N, fosfor atıksuyun viskozitesi, partikül boyut dağılımı, zeta potansiyeli ile membranların kirlenmesi arasındaki ilişki tespit edilmiştir. Membran süzüntülerinde SMP, EPS, AKM ve KOİ analizleri yapılarak arıtılabilirliği incelenmiştir. Membranların plazma ile modifikasyonundan sonra hidrofobik/hidrofilik yapısı temas açısı ile analiz edilmiş ve MBR uygulamasında membranın porlarında ve yüzeyinde oluşabilecek kirlenmeler (AFM, SEM ve FT/IR–ATR analizleri) incelenerek modifiye edilmiş ve edilmemiş durumlar karşılaştırılmıştır. Bu analizler sonucunda membranların kirlenme özellikleri ortaya çıkarılmıştır. Ayrıca akının modellenmesi suretiyle membran kirlenmesi mekanizmalarının incelenmesi sağlanmış ve membranlarda meydana gelebilecek kirlenme mekanizmalarına açıklık getirilmiştir. Membranlarda kirlenmeden kaynaklanan akı kayıpları hesaplanmıştır.
Sonuç olarak, plazma ile modifiye edilen membranlarda yüzey hidrofilik hale gelmiş ve toplam dirençler azalmıştır. Buna bağlı olarak plazma ile modifiye edilen membranların süzüntü akılarında modifiye edilmeyen membranlara göre önemli ölçüde artış olduğu gözlenmiştir. Bu çalışmada en iyi sonuçlar PVDFmod membran ile ÇY=30 gün, KOİ=2000 mg/L (KOİ=%98 giderim verimi, Jd=55 L/m2.saat süzüntü akısı) işletme şartlarında elde edilmiştir.

Abstract:
treatment. However, the most important reason that prevent widespread use of this comes to the high operating costs as a result of rapid contamination of the membranes. Studies on different membrane modification methods to reduce these costs has increased. One of these modification methods is the membrane surface modification with plasma treatment. In this thesis study, it is aimed to have the hydrofobic membranes become hydrofilic by the plasma surface modification method and to use these membranes in MBRs. 
In this study, it is aimed to treat wastewater of fruit juice industryby using plasma treatment method with modified and non-modified membranes in different organic loading and different sludge retention time at MBR. 
For this purpose, firstly the characterization of real fruit juice wastewater was made and then synthetic fruit juice wastewater was prepared. Two different UF membranes (PS and PVDF) were modified with plasma treatment methods with N2  and water vapour at different times (1, 2.5, 5, 15 and 30 min.), dose and power (20, 40, 60, 80, and 100 W).  Then the best plasma conditions of contact angle measurements for the modified membranes were determined (100W 15 min. with water vapour for PS membrane, 80W and 30 min. with water vapour for PVDF membrane). Two different types of both modified and unmodified membranes (PS0, PSmod, PVDF0, PVDFmod) were tested in the same conditions at a laboratory scale aerobic MBR system with four membrane modules. MBR system is operated with two different sludge age (SRT=15 days ve SRT=30 days)  of three different organic loading (COD=500 mg/L, 1000 mg/L ve 2000 mg/L). Operating and treatability studies showed the relationship between the contaminated membranes andcontents of extracellular polymeric substances (EPS ) and soluble microbial products (SMP ), floc structure of microorganisms, surface properties ( hydrophobicity and surface charge), COD, dissolved oxygen, nitrogen, TKN–N, NH3–N, NO2–N, NO3–N, phosphorus wastewater viscosity, particle size distribution andzeta potential. Treatability of membranes were examined in permeate by performing SMP, EPS, TSS and COD analyses. After modification with plasma membranes hydrophobic / hydrophilic structure was analyzed by contact angle and the fouling which may occur in the pores and surface of the membrane during the MBR application was examined by AFM, SEM and FT/IR–ATR analyses and modified and unmodified membranes were compared. This analysis revealed a result of membrane fouling properties. In addition, the modeling of flux provided the investigation and clarify of fouling mechanisms which may occur in the membranes. Flux losses caused by membrane fouling were calculated.
As a result, surface of the membranes which are modified with plasma treatment have become hydrofilic and total resistance have decreased. Accordingly, in the modified plasma membrane permeate flux was observed to be significantly increased compared to unmodified membrane. The best results in this study has been obtained in the following operating conditions with PVDFmod membrane SRT=30 days, COD=2000 mg/L (COD=98% removal efficiency, Jd = 55 L/m2.h permeate flux).