Ticari ters ozmoz membranlarının plazma teknolojisi ile yüzey modifikasyonu
Surface modification of commercial reverse osmosis membranes by plasma technology
Yazar: MERYEM AKBAŞ
Danışman: DOÇ. DR. PELİN ONSEKİZOĞLU BAĞCI
Trakya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Meyve suyu konsantresi üretiminde çok aşamalı vakum evaporatörlerin kullanılması üründe yüksek sıcaklıkların etkisiyle kalite kayıplarına neden olmaktadır. Bu doğrultuda, meyve sularının ısıl olmayan konsantrasyonu için ters ozmoz (TO) uygulamaları son yıllarda ön plana çıkmaktadır. Ancak, TO prosesinde, membran kirlenmesinin etkilerinin hızla görülmesi ve yüksek ozmotik basınç sınırlamasıyla beraber permeat akısının kabul edilemez seviyelere düşmesi, meyve suyu konsantrasyonunda önemli bir engel oluşturmaktadır. Bu çalışma kapsamında plazma uygulamaları ile membran kirlenmesinin azaltılarak, konsantrasyon performasının iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, poliamid ve selüloz asetat yapıdaki TO membranları farklı sistem parametreleri kullanılarak azot, argon ve oksijen gazı öncülüğünde, atmosferik basınç ve düşük basınç plazma sistemleri ile modifiye edilmiştir. 
Plazma etkinliğinin belirlenmesinde yüzeyin temas açısı ölçümleri alınmıştır. Bulunan temas açısı verileri, Van Oss yaklaşımı ile Asit-Baz denkliğinde kullanılarak yüzeylerin yüzey serbest enerjisi (YSE) bileşenleri ve ΔGiwi değerleri hesaplanmıştır. Plazma modifikasyonu sonucunda membran yüzeylerinin kimyasal ve fiziksel özelliklerinde meydana gelen değişimler sırasıyla FTIR-ATR spektrumları ve SEM yardımıyla karakterize edilmiştir. Membran yüzeylerinin YSE bileşenlerindeki değişimler ile ileri karakterizasyon analizleri toplu olarak değerlendirilerek, her membran için en uygun plazma parametreleri seçilmiştir. Çalışma kapsamında ayrıca, model ortam olarak belirlenen nar suyunun, seçilen koşullar kullanılarak modifiye edilen ticari TO membranları ile konsantrasyonu sürecinde elde edilen permeat akıları ve konsantrasyon düzeyleri ticari membranlarla erişilen değerlerle karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir.
Poliamid membran yüzeyler için, atmosferik basınç plazma modifiye membranlar başlangıç akısında yaklaşık %11'lik artışa sebep olurken, düşük basınç plazma modifiye membranlar yaklaşık 3 kat değerinde artış sağlamıştır. Selüloz asetat membran yüzeyler için ise atmosferik basınç plazma modifiye memranlar başlangıç akısında herhangi bir değişime neden olmazken, düşük basınç plazma modifiye membranlar başlangıç akısını 2 kat arttırmıştır. Sonuç olarak her iki membran için de düşük basınç azot plazma uygulaması atmosferik plazmaya göre daha etkili bulunmuştur. Nar suyunun ters ozmoz ile konsantrasyonu sürecinde aynı koşullar altında poliamid membranların, selüloz asetat membranlara kıyasla daha yüksek akı ve konsantrasyon derecesine ulaşmaya olanak sağladığı gözlenmiştir.

Abstract:
The use of multi-stage vacuum evaporators in the production of fruit juice concentrate causes quality losses due to high temperatures. In this direction, reverse osmosis (RO) applications for the non-thermal concentration of fruit juices have come to the fore in recent years. However, rapid reduction of permeate flux due to membrane fouling and high osmotic pressure limitation are major drawbacks of reverse osmosis process, in the concentration of fruit juices. In this study, it is aimed to improve the concentration performance by reducing the membrane fouling by plasma applications. For this purpose, RO membranes of the polyamide and cellulose acetate structures were modified with atmospheric pressure and low-pressure plasma using nitrogen, argon, and oxygen gas precursors at different system parameters. 
For determination of the plasma activity, contact angles of the surfaces were measured. The surface free energy (SFE) components and ΔGiwi values of the surfaces were calculated by using Acid-Base equations according to Van Oss approach. The alterations in physical and chemical characteristics of the membrane surfaces with the effect of plasma modifications were characterized by FTIR-ATR spectrums and SEM images, respectively. The most effective plasma parameters were selected for each membrane by evaluating the alterations in the YSE components of the resulting membrane surfaces and further characterization analyzes, collectively. The permeate fluxes and concentration levels obtained during the concentration of pomegranate juice, selected as a model medium, by plasma-modified and by commercial plain reverse osmosis membranes were also evaluated comparatively in the study. 
For polyamide membrane surfaces, atmospheric pressure plasma modified membranes resulted an increase of about 11% in the initial flux, where low-pressure plasma modified membranes increased by about 3 times. For cellulose acetate membrane surfaces, atmospheric pressure plasma modified membranes did not induce any change in the initial flux, while low-pressure plasma modified membranes resulted a 2 fold increase in the initial flux. Eventually, low-pressure nitrogen plasma application was found to be more effective than atmospheric plasma. It was observed that polyamide membranes allow to reach higher fluxes and concentration ratios compared to the cellulose acetate membranes during concentration of pomegranate with reverse osmosis under the same conditions.