Halloysit nanotüp katkılı ultrafiltrasyon membran üretimi, karakterizasyonu ve boya madde gideriminde uygulaması

Su günümüzde en değerli doğal kaynakların başında gelmektedir. Artan nüfus ile birlikte değişen iklim şartları ve dünya koşulları su bakımından en zengin ülkeleri bile ilerleyen yıllar da su stresi içerisine sokacaktır. Bu nedenle endüstride ve evsel kullanımda suyun geri kazanılması ihtiyaç haline gelmiştir. Su geri kazanımında en verimli yöntem olarak bahsedebileceğimiz membran teknolojileri günümüzde deniz suyundan içme suyu eldesi, proses suyu, içme suyu ve konsantre sıvılar elde etme de endüstri ve insani amaçlı olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Endüstriyel atıksuların arıtımında klasik fizikokimyasal ve biyolojik yöntemlerin belirli kirleticilerin arıtımında sınırlı etkinliğe sahip olmalarından dolayı istenilen arıtma seviyelerine ulaşılamamaktadır. Özellikle renk, dirençli organik kirleticiler, tuzluluk gibi parametreler gittikçe önem kazanmakta ve bu kirleticilerin arıtılması için yeni, etkili, temiz teknolojiye dayanan, ekonomik çözümlere ihtiyaç duyulmaktadır. Hızla gelişmekte olan membran teknolojileri ve prosesleri bu ihtiyaçlara cevap verebilecek bir çözüm olarak öne çıkmaktadır (Bakery ve diğ., 2014). Tekstil endüstrisi proses gereği yüksek miktarda su kullanmaktadır. Proses çeşitliliği ve tekstil malzemesinin üretimi esnasında farklı proseslerden farklı özelliklere sahip atıksular ortaya çıkmakta ve arıtma prosesi sonrası deşarj edilmektedir. Bu renkli ve yüksek pH'daki atıksular geleneksel yöntemler ile biyolojik olarak arıtılabilmekte ancak renk ve tuzluluk giderimi sağlanamamaktadır. Bu tür atıksuların verildiği alıcı su ortamı kalitesi giderek kötüleşmekte ve diğer faydalı kullanım amaçları da zarar görmektedir. Bu sebeple, yasal deşarj standartları her geçen yıl sıkılaştırıldığından ve deşarj edilebilecek atıksu miktarı sınırlandığından dolayı birçok tekstil endüstrisi için atıksu arıtımı büyük bir problem haline gelmiştir (Neamtu ve diğ., 2004). Bu çalışma kapsamında; polisülfon kullanılarak ultrafiltrasyon düzeyinde düz tabaka membran üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretilen bu membranlara boya giderim verimini arttırmak amacıyla halloysit nanotüp eklenmiştir. Halloysitler, doğal nanotüp olarak adlandırılan içi boş yapıda olan, yüksek en/boy oranı ve iç ve dış yüzeyleri iyonik yükler taşıyan özgün nanoparçacıklar olup içeriğinde alüminyum, silisyum hidrojen ve oksijen çift tabakalı yapısından oluşmuş eşsiz bir kil mineralidir (Pavia ve diğ., 2008). Literatür çalışmalarına bakıldığında, nanomateryal eklenmesi sonucunda saf su akılarında artış olduğu, tutunum yapılacak çözeltinin akılarında da bir miktar da olsa artış gözlendiği ve verimlerde saf membranlara göre biraz daha fazla olduğu görülmüştür. Bu yüzden bu çalışmada hem akıyı hem de verimi arttırnak amacıyla halloysit nanotüp eklenmiştir. Deneysel çalışmalarda; endüstriyel atıksuların ön arıtımı maksadıyla faz dönüşümü yöntemi kullanılarak laboratuar ölçekte ultrafiltrasyon seviyesinde membran üretimi gerçekleştirilmiştir (Wienk ve diğ.,1993). Membran üretiminde polimer olarak polisülfon polimeri, çözücü olarak da N-Methyl-2-pyrrolidone çözücüsü kullanılmıştır. Ayrıca boya giderim veriminin artması için çeşitli oranlarda halloysit nano parçacığı de eklenerek membran üretimi gerçekleştirilmiştir. İki tip HNT kullanılmıştır. Bunlardan biri 5 m diğeri 63 m HNT'dir. Üretilen membranlar ile geçirgenlik, temas açısı, por dağılım analizi, mekanik dayanımı, SEM gibi çeşitli karakterizasyonlar yapılmıştır. Boya giderim performansları iki farklı boya ile belirlenmiştir. Bunlar Setazol Kırmızı ve Reaktif Turuncu boyalarıdır. Her bir boya standart koşullarda 100 mg/L konsantrasyonda hazırlanmış, 2 bar basınç altında 1 saat boyunca dead-end filtrasyon modülü ile membranlardan süzülmüştür. Elde edilen süzüntüler ve giriş numuneleri UV-Spectrofotometre cihazında Setazol Red için 520 nm Reaktif Turuncu için de 493 nm dalga boylarında absorbansları okutulmuştur. Okutulan absorbanslar sonucunda boya giderim verimleri hesaplanmıştır. Ardından seçilen konsantrasyonda HNT içeren membran ile HNT içermeyen membran için boyanın sıcaklık ve pH'ı değiştirilerek aynı deneyler yapılmıştır. Bu membranlar ile 2 bar basınç altında 1 saat boyunca dead-end filtrasyon modülü ile deneyler yapılmış ve boya giderim verimleriyle birlikte akılar hesaplanmıştır. Karakterizasyon testlerinin sonuçlarına göre; membranların içindeki HNT yüzdesi arttıkça viskozitelerin arttığı, geçirgenliğin arttığı, temas açısının düştüğü, mekanik dayanımın arttığı ve zeta potansiyeli sonuçlarına bakıldığında negatife doğru gittiği gözlenmiştir. Membranların olması gerektiği gibi ultrafiltrasyon membran seviyesinde olduğu görülmekte ve düzgün bir üretim gerçekleştirildiğine karar verilmiştir. Boya performans deneylerine göre;-Setazol kırmızı boya kullanıldığında boyaların moleküler ağırlığı fazla olduğu için membranların akıları düşük ama verimleri yüksek çıkmıştır.-Reaktif turuncu boya kullanıldığında boyaların moleküler ağırlığı az olduğu için membranların akıları yüksek ama verimleri düşük çıkmıştır. Ayrıca halloysit nanotüp doğal bir kil minerali olup, Türkiye'de mevcuttur. Bu yüzden de maliyet açısından bir sıkıntı oluşturmamaktadır. HNT ilavesi birçok avantaj sağlamaktadır. Aşağıda bunlar sırasıyla verilmiştir. 1 )Akının ve verim artması; UF membranlarında akılar genellikle yüksektir. İçine HNT ilave edildiğinde akılar bir miktar da olsa artmaktadır. Bunun sebebi HNT ilavesi ile birlikte membran yüzeyinin negatifliliğinin artmasıdır. Bu artış sonucunda boyalar ve membran yüzeyi aynı kutupta olup birbirlerini itmekte ve verimi arttırmaktadır. Bunun dışında sıcaklık ve pH değiştirildiğinde HNT'nin mekanik özelliklerinden dolayı akı ve verimlerde çok fazla azalma olmadığı ve membranların dayanıklı oldukları gözlenmiştir. 2 )Maliyetin fazla olmaması;Basınçlar konusunda UF membranları NF membranlara göre daha az basınçta yüksek akılar verebilmektedir.3)Tıkanma durumu;Yüzeyleri ne kadar negatifse membranın boyayı uzaklaştırması o kadar yüksek olduğundan dolayı HNT ilavesi sonucunda membranların gözeneklerinde boyalar çok fazla birikmez böylelikle de geri yıkama için gerekli olan süre miktarı uzamış olur. 4 )Kullanım durumu;Membranların kullanılması sonucunda kalan boyalı suyu direk deşarj edemiyoruz. Bunun bu sistem NF öncesinde ön arıtma amacıyla gerekli sistemlerde kullanılabilir. Böylelikle hemNF membranların yükünü azaltır hem de büyük partikülleri tutarak diğer tutulması gereken maddeleri de ortamdan uzaklaştırmış olur. Bütün bu sonuçlar incelendiğinde öncelikle 63 m ile 5 m HNT arasından 5 m HNT içeren membranlar daha iyi sonuç verdiği için seçilmiştir. Sonrasında 5 m HNT içeren membranlar arasında en iyi sonuç veren %0,63 HNT içeren membran olmuştur. Bu iki membranda suyun sıcaklığı ve boyaların sıcaklıkları ve pH'ları değiştirilerek yapılan deneylerin karşılaştırılması verilmiştir.