Lbl ince film membranların ters osmoz performanslarının incelenmesi
Investigation of the reverse osmosis performances of lbl thin film membranes
Yazar: AYÇA ERGÜN O
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN DELİGÖZ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Son yıllarda, hem endüstriyel sürdürülebilir üretim yaklaşımının kabul görmesi hem de temiz su kaynaklarının kısıtlı olması nedenleriyle membran arıtım prosesleri büyük ilgi çekmektedir. Bu prosesler arasında; Ters Osmoz, bilinen ve endüstriyel boyutta uygulanan bir prosestir. Ters Osmoz uygulamalarında kullanılan membranların kirlenme problemlerinin yanı sıra, yüksek akı ve tuz uzaklaştırımı özelliklerinin geliştirilmesi gerekmektedir.
Tez çalışmaları kapsamında, tabakalı kaplama (LbL) tekniği kullanılarak anyonik ve katyonik harman yapısındaki polielektrolit çiftlerinden NF 90 ve NF 270 ticari destekler üzerine 60 çift tabakalı kompozit membranlar hazırlanmıştır. Öncelikle kompozit membranların aktif tabakasının karakterizasyonu için Kuartz Kristal Mikrobalans-Dissipasyon (QCM-D) tekniği kullanılarak 10 çift tabaka oluşturulmuş ve polielektrolit çiftlerin adsorpsiyonu ve viskoelastisite davranışlarının yanı sıra uzun süreli sentetik deniz suyu dayanımları araştırılmıştır. Takiben hazırlanan LbL kompozit membranların Ters Osmoz performansları kapsamında akı ve Na+/Cl- uzaklaştırımları incelenmiştir. Ayrıca hazırlanan membranların yüzey morfolojileri ve hidrofilitelerinin karakterizasyonu, sırasıyla SEM ve temas açısı ölçümleri ile gerçekleştirilmiştir.
Tez çalışmasında QCM-D sonuçlarında, yumağımsı konformasyona sahip Poli(akrilik asit) (PAA) ve düşük yük yoğunluklu Kitosan (CHI) kullanılarak hazırlanan LbL çok tabakasının yüzeyde daha fazla adsorplandığı, buna karşın yüksek yük yoğunluklu Poli(vinilamin hidroklorür) (PVA) ve kuvvetli bir polielektrolit olan Poli(4-stiren sülfonik asit) sodyum tuzu (PSS)'ndan hazırlanan LbL çok tabakalı aktif filmlerin ise yüzeyde daha düşük oranda adsorplandığı tespit edilmiştir. Ticari NF 90 ve NF 270 destekleri üzerinde geliştirilen membranların akı davranışlarını etkileyen başlıca etkinin aktif tabaka kalınlığı olduğu sonucuna varılmıştır. Bununla birlikte, hazırlanan kompozit membranın iyon uzaklaştırım özelliğinin aktif tabakanın kalınlığına ve Donnan Diyaliz yaklaşımına göre, LbL tabakanın final film kompozisyonundaki yük yoğunluğu ve türüne bağlı olarak kontrol edilebildiği gösterilmiştir. Aynı kompozit membranın NF 90 veya NF 270 destek üzerinde geliştirilmesi durumunda, NF 270 üzerinde geliştirilen kompozit membranların akı değerlerinin belirgin oranda yüksek olmasına karşın, Na+ ve Cl- uzaklaştırımlarının açık şekilde belirlenmiştir. Diğer taraftan, hazırlanan kompozit membranların, yüzey hidrofilitesinin çoğunlukla yüksek olduğu ve LbL çok tabakalı filmlerin yüzeyde farklı morfolojilerde oluştuğu saptanmıştır. 60 çift tabakalı LbL kompozit membranın aktif tabaka kalınlığının 200nm-1μm arasında değiştiği belirlenmiştir.
Sonuç olarak, tez kapsamında hazırlanan 60 çift tabakalı LbL kompozit membranlardan Na+ iyon uzaklaştırımının en yüksek %85,2 ve Cl- iyonu uzaklaştırımının %89 değerine ulaştığı tespit edilmiştir. Monovalent iyonların uzaklaştırımı için kabul edilebilir bu değerlere sahip kompozit membranlarda elde edilen en yüksek akı değeri ise 6,7 L/m2h (LMH) olarak tespit edilmiştir. Ticari Ters Osmoz membranlarıyla karşılaştırılabilir sonuçlar veren ve kontrol edilebilir özelliklere sahip bu yenilikçi kompozit membranların, iyon uzaklaştırım performansından ödün vermeksizin, akı değerlerinin 10 LMH seviyesine yükseltilmesiyle endüstriyel kullanım potansiyeli geliştirilebilir.

Abstract:
In recent years, membrane purification processes are gaining much interest due to both the acceptance of industrial sustainable production approach and the shortage of clean water resources. Amog these purification processes, Reverse Osmosis (RO) is a very well known and industrial applicable process. Beside the membrane fouling problem of membranes used in RO applications, flux and salt rejection properties have to be improved.
In thesis, 60 bilayered composite membranes were prepared on commercial NF 90 and NF 270 support using Layer-by-Layer (LbL) technique from anionic and cationic polyelectrolyte couples in blend composition. First, 10 bilayers of active layer were formed using Quartz Crystal Microbalance-Dissipation (QCM-D) technique to characterize them and the adsorption of polyelectrolyte couples, the viscoelasticity behavior and the long-term stabilty against synthetic seawater were investigated. Then Na+/Cl- rejections of the prepared LbL composite membranes were studied in terms of RO performance tests. Also surface morphology and hydrophility of the prepared membranes were characterized by SEM analysis and contact angle measurements, respectively.
In thesis, it was found from QCM-D results that the use of polyacrylic acid (PAA) which has loopy conformation and chitosan (CHI) with low charge density in the preparation of LbL multilayers led to much adsorption of polyelectrolytes on the surface, contrarily, LbL active multilayered films obtained from poly (vinylamine hydrochloride) (PVA) having high charge density and poly (4-styrene sulfonic acid) sodium salt (PSS) which is a strong polyelectrolyte adsorbed on the surface in lower amount. It was concluded that the main reason affecting flux behavior of the prepared membranes on commercial NF 90 and NF 270 support was the thickness of active layer. Besides, it was demonstrated that the ion rejection properties of the composite membranes can be controlled depending on the thickness of active layer and charge density and charge type of the final film composition according to Donnan Dialysis approach. If the composite membranes were prepared in the same conditions on commercial NF 90 and NF 270, it was emphasized that the flux valves of NF 270 based membranes were significantly higher while their Na+ and Cl- rejections were reduced obviously. On the other hand, it was established that the surface hydrophilicity of the composite membranes were mostly high and LbL multilayered films formed on the surface in different morphologies. The active layer thicnesses of 60 bilayered LbL composite membranes were found to be in the range of 200nm- 1μm.
In conclusion, it was determined that the highest Na+ and Cl- rejections reached to 85.2% and 89.0% for 60 bilayered LbL composite membranes prepared in the thesis. Further the greatest flux valve was found to be 6.7 L/m2h (LMH) for these composite membranes with acceptable ion rejection especially for monovalent ion prepelling. The industrial application potantial of these innovative LbL composite membranes which have controllable properties and comparable to commercial RO membranes can be improved by increasing flux valve to 10 LMH level without sacrificing ion rejection performance.