Fabrication of hollow fiber nanofiltration membranes: role of nanocomposites in membrane performance

Çevre ve sağlığın önemi, insan yaşamı için çok önemli olduğundan birbirinden ayrılamazlar. Ve bu konular ile ilgili yaşanan sorunlar insan yaşamını olumsuz etkilemektedir. Bu nedenle, çevre sorunları çevre dostu ve düşük maliyetli arıtma yöntemleri ile çözülmelidir. İçme suyu arıtımında membran teknolojileri kullanımı; artan yasal standartlar ve azalan su kaynakları ile birlikte günden güne artmaktadır. Konvansiyonel sistemlere göre çevre ile uyumlu ve yüksek çıkış suyu kalitesi avantajları nedeniyle tercih edilen membranların ise en önemli dezavantajı ise tıkanmadır. Tıkanma ile birlikte kullanım süresi azalmakta, işletme ve enerji maliyetini arttırmaktadır. Bu nedenle yapılan araştırmalar tıkanma problemini çözmeye, yüksek akı ve seçiciliğe sahip membranlar geliştirmeye yönelmiştir. Son zamanlarda nanoteknolojinin gelişmesiyle birlikte nanokompozit konsepti ile membranların üretilmesi yaygınlaşmıştır. Karbon nanatüp, titanyum, silika, gümüş gibi farklı nanoparçacık kullanımıyla birlikte yüksek su geçirgenliğine ve seçiciliğine sahip, daha düşük kirlenme özelliklerinde, ve yüksek mekanik dayanıma sahip membranların üretiminde gelişmeler yaşanmıştır. Su kalitesinin iyileştirilmesinde ileri arıtma yöntemi olarak membran sistemlerin kullanımı son yıllarda yaygınlaşmıştır. Tuzluluk gidermede iyon değiştirme ve buharlaştırma gibi geleneksel yöntemlerin yerine membran sistemlerin kullanımı verimi ve etkinliği ile ön plana çıkmıştır. Basınç sürücülü olarak çalıstırılan nanofiltrasyon ve ters osmoz membran prosesleri tuz uzaklaştırmada yaygın olarak kullanılan sistemlerdir. Nanofiltrasyon membranları küçük gözeneklere sahip olması yanı sıra ters osmoz ile ultrafiltrasyon prosesleri arasında kalan ayrılma karakteristiklerine sahiptir. NF membranları 200 Da'dan büyük molekül ağırlıklı molekülleri tutabilir, bu sebeple de yüksek kalitede çıkış suyu elde edilir. NF membranları, ters osmoz membranlarına göre daha düşük giderim verimine sahiptir. Fakat tek değerlikli iyonlar ve solventler için yüksek geçirgenlik elde edilir. Bu sebeplerden dolayı NF membranlarında yüksek seçicilik, yüksek solvent geçirgenliği ve düşük enerji tüketimi sağlanır. NF membranları sertlik gidermede, içme suyu arıtımında, evsel ve endüstriyel atıksu ıslahında, kimyasal ve ilaç endüstrisinde ayırma amaçlı durumlarda sıklıkla kullanılır. NF membranlarını üretmek için sıklıkla kullanılan yöntem ise ara yüzey polimerizasyonudur. Hali hazırda üretilen NF membranları genel olarak düz plaka veya spiral sargılı şekildedir. Hollow fiberla yapılmış çalışmalar çok fazla olmasa da hollow fiber NF membranları, düz plaka membranlardan daha fazla yüzey alanına sahip oluşu, boşluk yapıcılara ihtiyaç duymaması, ön arıtma ve bakım gerektirmemesi bağlamında daha avantajlıdır. Bu tez TÜBİTAK destekli 'Nanokompozit İçi Boşluklu Fiber Nanofiltrasyon Membranlarının Üretimi ve İçme Suyu Arıtımı İçin Uygulanması' isimli 1003 projesinin alt iş paketi olarak tasarlanmıştır. Çalışmalar oldukça kapsamlı olarak gerçekleştirilmiştir. Membranların performanslarının arttırılması için nanopartikül gibi eklentilerin yanı sıra mekanik özelliklerinin geliştirilmesi içinde destek tabakaları kullanılmaktadır. Proje kapsamında iki farklı ultrafiltrasyon seviyesinde içi boşluklu fiber membran üretilip, optimize edilmiştir. Daha sonra ultrafiltrasyon seviyesindeki membranlar kullanılarak arayüzey polimerizasyon metoduyla nanofiltrasyon membranları üretilmiştir. Tez kapsamında UF destek tabakası üretimleri verilmemistir. Sadece optimize edilen membranlar kullanılmıştır. Tez çalışmasında, ilk olarak detaylı bir literatür taraması yapılmıştır. Nanofiltrasyon membranlarının seçici tabaka üretiminde kullanılan ince film kompozit/nanokompozit metotu ve destek tabakası üretiminde kullanılan faz inversiyonu metotu detaylı ve kapsamlı olarak açıklanmıştır. Faz inversiyonu yöntemi ve arayüzey polimerizasyon yöntemi ile üretilen HF NF membranlarının saf su akıları, tuz giderim verimleri ve uygulama alanları detaylı olarak verilmiştir. Nanofiltrasyon membran üretiminde arayüzey polimerizasyon metodu kullanılmıştır. Polimerik ve nanokompozit olarak 2 farklı Ultrafiltrasyon destek tabakası kullanılmıştır. İkinci çalışmada, polimerik destek tabakası, üçüncü çalışmada ise nanokompozit destek tabakası kullanılarak yapılan çalışma sonuçları verilmiştir. Polimerik ve nanokompozit UF destek tabakası faz inversiyon metotuyla üretilmiştir. Ultrafiltrasyon membranlarının optimizasyon çalışmaları yapıldıktan sonra optimum membran 45 C'de, 360 kDa moleküler ağırlıklı PVP kullanılan ve 0 cm hava boşluğu şartlarında üretilen membran olarak bulunmuştur. Nanokompozit ve polimerik içi boşluklu fiber membranları proje kapsamında üretilmiş olup, üretim optimizasyonları tez kapsamında verilmemiştir. Tez kapsamında kullanılan nanokompozit destek tabakasında % 0.01 konsantrasyonunda çok duvarlı karbon nanotüp kullanılmıştır. İki farklı destek tabakası kullanılarak yüzeyine arayüzey polimerizasyon metoduyla seçici tabaka olan Poliamid tabakası üretilmiştir. PA tabakası %0, % 0 .01, %0.05 ve % 0.2 konsantrasyonlarında titanyum dioksit (TiO2) eklentisi yapılarak toplamda 8 adet membran üretilmiştir. Üretilen tüm membranların geçirgenlik, yüzey morfolojisi, yüzey yükü, çift ve tek değerlikli tuz giderimi ve organik madde giderimi testleri yapılmıştır. Ayrıca nanokompozit katkılı destek tabakası kullanılarak üretilen NF membranların elektro impedans ölçümleri yapılmıştır. Tez kapsamında organik madde ve tuz içeren yüzey sularının arıtılmasında üretilen membranların laboratuvar ve pilot ölçekte performanslarının değerlendirilmesi yapılmıştır Yapılan karakterizasyon ve performans testleri sonucunda en iyi performansı polimerik destek tabakası üzerine yapılan kontrol ve % 0.01 TiO2 konsantrasyonundaki membranlarda elde edilmiş olup bu iki membran pilot ölçekte üretilip performans testleri yapılmıştır. Pilot ölçek çalışmalarında nanokompozit katkılı NF membranı, kontrol membranından 2 kat daha fazla akı elde edilmiştir. Ve uzun süreli işletmede kirlenmeye karşı daha dirençli olduğu görülmüştür. Aynı zamanda üretilen tüm nanokompozit katkılı NF membranlarının organik madde filtrasyonunda zamana bağlı olarak akılarda düşüşü TiO2 konsantrasyon artışı ile azalmıştır. Tez kapsamında yapılan diğer deneysel çalışmada nanoparçacık eklentisinin Poliamid yani seçici tabakadaki morfoloji ve performans etkisini daha net gözlemlemek amacıyla poliamid polimeri sentezlenmiştir. Sentezlenen polimer ile faz inversiyonu metotuyla 4 farklı konsantrasyonda aynı boyutlarda titanyum dioksit (TiO2) (10- 20 nm) ve silika (SiO2) (15 nm) eklentisiyle 9 farklı membran üretilmiştir. Ve bu membranların performansları geçirgenlik, çift - tek değerlikli tuz giderimi ve organik madde giderimi testleri ile ölçülmüştür. Yüzey karakterizasyonları ise SEM, yüzey yükü ve temas açısı kullanılarak yapılmıştır. Akı kontrol membranına göre; silika eklentisiyle 3.2 kat, titanyum eklentisiyle ise 1.3 kat artış göstermiştir. Organik madde testlerinde titanyum eklentisi olan membranlarda tıkanma neredeyse hiç gözlemlenmemiştir. Saf su geçirgenliği, seçicilik ve tıkanmaya karşı direnç parametreleri kıyaslandığında en iyi entegrasyonu sağlayan titanyum eklentisi olmuştur.