Zeolit nanopartikül içerikli kompozit membranların üretilmesi ve karakterizasyonu
Zeolite nanoparticles containing composites production and characterization of membranes
Yazar: MEHMET YILDIRIM
Danışman: YRD. DOÇ. DR. YILMAZ YÜREKLİ
Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Ağır metal giderimi = Heavy metal removal ; Levha malzemeler = Plate materials ; Membran filtrasyon tekniği = Membrane filtration technique ; Polimerik membranlar = Polymeric membranes ; Yapay membranlar = Artificial membranes

Özet:
Ünitelerin küçültülmesi, proses süresi ve enerjinin azaltılma gereksinimleri, daha kompakt ve fonksiyonel malzemelerin tasarımı ve geliştirilmesine sebep olmuştur. Geleneksel yöntemlerle endüstriyel atıksular içerisinde bulunan metal iyonlarının giderimi iki aşamada gerçekleşen askıdaki taneciklerin ön-filtrasyonu ve metal adsorpsiyonunu içerir. Bu çalışmada, her iki proses, kurşun ve nikel ağır metalleriyle hazırlanmış sentetik çözeltilerin arıtılması için zeolit nanotanecik aşılanmış polisülfon (PSf) membranı vasıtasıyla birleştirilmiştir. X-ışını kırınımı (XRD), elektron taramalı mikroskop (SEM) ve enerji dağılımlı X-ışını (EDX) analiz sonuçları, geleneksel hidrotermal yöntemle üretilen zeolit nanotaneciklerin, yaklaşık 170 nm boyutunda çok küçük ve düzgün tanecik yapısına sahip, Si/Al oranı 1.24 olan saf NaX olduğunu göstermektedir. 25˚C'de yapılan kesikli adsorpsiyon çalışmaları, NaX nanotaneciklerin kurşun, nikel, bakır ve gümüş katyonlarına karşı yüksek afiniteye sahip olduğunu göstermiştir. Polimer dökme çözeltisi içerisinde NaX oranının %10'a kadar artırıldığında gözenek yarıçapları 15 nm'den 40 nm'ye kadar değişen asimetrik membranlar üretilmiştir. NaX ilavesiyle artan hidrofiliklik ve gözenek büyüklüğü, 30 saniye evaporasyon süresine maruz bırakılan membranın hidrolik su geçirgenlik değerinin (Lp) 23'den 45 L/m2.h.bar'a kadar artmasına sebep olmuştur. Membran oluşum süresince evaporasyon süresinin uzatılması (300 s) veya iptal edilmesi, gözenekli membran yapısını ciddi bir şekilde değiştirmiştir ve dolayısıyla, birinci (PSf10-300) ve ikinci  (PSf10-0) membran mimari yapıları için Lp değeri sırasıyla, 0.7 ve 57 L/m2.h.bar olarak minimum ve maksimum değerlere ulaşmıştır. Dikey akışlı filtrasyon modülünde PSf10-0 membranı kullanılarak 1 bar basınçta ve 60 dakika boyunca metal çözeltilerinin filtrasyonları, başlangıç kurşun konsantrasyonunun 50 ppm'den 500 ppm'e arttırıldığında membran sorpsiyon kapasitesinin 359 mg/g'dan 681 mg/g'a arttığını göstermiştir. Nikel çözeltilerinin filtrasyonlarında, 200 ppm besleme çözeltisinde neredeyse adsorpsiyon dengesi olan 122 mg/g değere ulaşılmıştır. Deneysel adsorpsiyon izotermleri en iyi Langmuir model ile tanımlanmış ve katı fazdaki maksimum denge miktarı 790 ve 157 mg/g olarak sırasıyla kurşun ve nikel iyonları için öngörülmüştür. Çapraz akışlı filtrasyon deneyleri farklı basınç, başlangıç metal iyonu konsantrasyonu ve sıcaklıkta kurşun ve nikel katyonları için yapılmış ve hibrid membranların düşük basınç, konsantrasyon ve sıcaklıkta kullanılmaları durumlarında filtrat içindeki metal konsantrasyonlarının çevre ve sağlık örgütlerinin önerdiği limit değerlere çok daha yaklaştığı sonucuna ulaşılmıştır. Deneysel veriler çoklu değişkenli rasyonel model fonksiyonu ile analiz edilmiş ve hedef fonksiyonu tanımlamada son derece başarılı olmuştur.

Abstract:
The requirement for the reduced unit size, process time and energy leads to design and develop more compact and functional materials. Conventional processes for the removal of heavy metals in the industrial effluents consist of pre-filtration of the suspended particles and metal adsorptions which are carried out by two separated units. In this study, two processes were coupled via zeolite nanoparticles impregnated polysulfone (PSf) membrane which was used for the removal of lead and nickel cations in synthetically prepared solutions. The results obtained from X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray (EDX) analysis revealed that the synthesized zeolite nanoparticles using conventional hydrothermal method (60˚C and 4 days) was pure NaX with ultrafine and uniform particle sizes around 170 nm and Si/Al ratio of 1.24. Batch adsorption studies at 25˚C revealed that, NaX nanoparticles have high affinities against lead, nickel cations. Asymmetric membranes were fabricated with pore radius changed from 15 to 40 nm when the amount of NaX was increased to 10w% in the casting solution. The increase in pore sizes and hydrophilicity with the addition of NaX caused to increase hydraulic water permeabilities, Lp, from 23 to 45 L/m2.h.bar at which 30 seconds of evaporation time was applied for the fabrication of the membranes. Extending or neglecting the evaporation periods as 300 or 0 second during membrane formations altered the porous structure of the membranes significantly and hence Lp values were minimized as 0.7 L/m2.h.bar and maximized as 57 L/m2.h.bar for the former (PSf10-300) and latter (PSf10-0) membrane architectures respectively. Filtration of metal ion solutions through PSf10-0 membranes under 1 bar transmembrane pressure for 60 min revealed that the sorption capacity of the membranes were increased from 359 to 681 mg/g as the initial lead concentrations were increased from 50 to 500 ppm respectively. During filtration of nickel solutions, equilibrium sorption value was almost achieved as 122 mg/g at 200 ppm initial feed solution. Equilibrium sorption isotherms were best fitted to Langmuir model and the maximum equilibrium amount on the solid phase were predicted as 790 and 157 mg/g for the lead and nickel ions respectively. Cross flow filtration experiments were carried out at different pressures, initial metal concentrations and temperatures and it was achieved that under low pressures, temperatures and initial metal concentrations, the permeate concentrations are close to the limit values provided by environmental and health organizations. Experimental data were regressed by the multiple variables rational model function and successfully described the response function.