Düz plaka polimerik membranların bisbal kullanılarak modifikasyonunun membranların performans ve biyokirlenmelerine olan etkileri

Son yıllarda yapılan çalışmalar, Membran Biyoreaktörler 'deki membran kirlenmelerinin çoğunun SMP ve EPS 'lerden kaynaklandığını göstermiştir. Membranların tıkanma problemlerinin azaltılması ve özelliklerinin arttırılması adına çeşitli maddelerin kullanımı üzerine araştırmalar yapılmaktadır. Bunlara örnek olarak; nanopartiküller ve antibiyotikler verilebilir. Kimyasal maddelerle muameleye ek olarak, membranların çeşitli metodlarla modifikasyon işlemleri de önem kazanmıştır. Bu çalışmada, bakterilerin üretmiş olduğu EPS'nin hem protein hem de polisakkarit üretimlerini inhibe ettiği yapılan araştırmalarca kanıtlanan BisBAL adı verilen antibiyotik (bizmutun 2 -3-Dimerkapto-1-Propanol ile gerçekleştirmiş olduğu şelat) kullanılarak membranlara daha iyi özellikler kazandırmak için modifikasyon işlemleri gerçekleştirilmiştir. Membranlar üç farklı modifikasyon metodu kullanılarak BisBAL'ın membran yüzeylerine fiziksel adsorpsiyonu yoluyla gerçekleştirilmiş olup, bu metodlar daldırarak kaplama (dip coating, döndürerek kaplama (spin coating, ve düşük basınç uygulanarak kaplama (low pressure-treated coating dır. Daldırma metodu ile seçilen membranlar kap içerisinde bulunan modifikasyon solüsyonuna belli bir süre daldırılmıştır. Daldırma neticesinde BisBAL'ın fiziksel olarak membran ile Van der Waals kuvvetine dayanan bağ yapması beklenmiştir. Bu yöntem için membranın solüsyon içerisindeki bekleme süresi göz önüne alınmıştır. Döndürme metotu ile, seçilen membranlar Spin Coating Cihazı ile modifiye edilmiştir. Bu operasyonda en uygun sonuç için bazı parametrelere dikkat etmek gerekmektedir. Bunlardan bazıları; solüsyon hacmi, döndürme hızı, süre gibi parametrelerdir. Düşük Basınç Uygulamalı Kaplama modifikasyon diğer yöntemlerde olduğu gibi BisBAL'ın membranın aktif kısmındaki polimerik tabaka ile yapması beklenen Van der Waals kuvvetine dayanmaktadır. BisBAL'ın membran yüzeyinde, gözeneklerde veya destek tabakasında tutunumu beklenilmiştir. Membran modifikasyonu proje kapsamında hem üretilen membranların modifikasyonu hem de satın alınan ticari membranların modifikasyonu olarak gerçekleştirilmiştir. Bu bağlamda, TÜBİTAK projesi kapsamında, daha önceki iş paketlerinde optimizasyonu gerçekleştirilen membran üretiminin sonucunda elde edilen sonuçlara dayanılarak modifiye edilmek üzere en uygun sonuç alınan PES membranın üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu membrana ek olarak, temin edilen PES ve PVDf ticari membranlarla modifikasyon işlemleri yapılmış ve gerekli görülen karşılaştırmalar yapılmıştır. Bu bağlamda, modifiye edilen membranların performans bilgilerini alabilmek adına çeşitli karakterizasyon metodları kullanılmıştır. Bu metodlar, Geçirgenlik-tıkanma analizleri, temas açısı, Bi Salınımı, Toplam Organik Karbon, yüzey yükü, Taramalı elektron mikroskobu analizleri gerçekleştirilmiştir. Aktif çamur ve Xanthan Gum ile yapılan filtrasyon çalışmalarında üretilen membranlar ticari membranlara göre daha iyi sonuç vermiştir. Bu durumun ticari membranlardaki ilave modifikasyon tabakasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Saf PES membranlarda aktif çamur filtrasyonunun ardından su filtrasyonu sonucunda ortalama %80 geçirgenlik kaybı gözlenir iken modifiye membranlarda daha düşük yüzdelerde geçirgenlik kayıpları gözlenmiştir. Geçirgenlik kayıpları daldırmalı tutunma, döndürmeli tutunma ve düşük basınç uygulamalı ile tutunma yöntemleri için sırası ile %66, %52 ve %15 olarak elde edilmiştir. Membranların modifikasyonları ile geçirgenlik kazanımları ise sırası ile %14, %36 ve %81 olarak hesaplanmıştır. Tıkanmazlık açısından en başarılı modifikasyon yöntemi düşük basınç uygulanarak kaplama ile yüzeye BisBAL tutunumu olarak bulunmuştur. Ticari PVDf ile yapılan çalışmalarda ise BisBAL'ın farklı bir polimer ve hidrofilik yapıdaki membran ile modifikasyonu gerçekleştirilmiştir. PES ve PVDf membranlar için temas açılarına bakıldığında, kirlenmeyle birlikte açı değerlerinde bir miktar azalma meydana gelmiştir. Metot farklılığına bağlı olarak temas açılarında bariz bir değişiklik meydana gelmemiştir. Kirli ve temiz membranlar arasında yapılan karşılaştırmada ise temiz membranların temas açıları kirli membranlara göre daha yüksek çıkmıştır. Bunun nedeni membran yüzeyinde toplanan organik maddenin hidrofilik yapısından dolayı bünyesinde su tutabilmesidir. Bunun da temas açısının düşmesine yol açtığı düşünülmektedir. Ayrıca, BisBAL lipofilik tiyollerin sentezinden üretilmesine karşın BisBAL suda kolayca çözünebilen bir maddedir. Buradan yola çıkarak lipofilik tiyollerin bizmut ile gerçekleştirdiği şelatın hidrofilik bir özellik kazandığı, bu durumun sonucunda gerçekleşen bir miktar açı düşüşünün BisBAL'ın yapısından kaynaklanmış olduğu düşünülmektedir. Membranların yüzey yükleri genellikle asidik koşullardan bazik koşullara doğru negatife yakınsayan, nötral koşullarda ise en yüksek negatif düzeyi veren sonuçlar göstermiştir. Organik maddelerin sahip oldukları eksi yükler göz önünde bulundurulduğunda membranlarında yüzey yükünün negatif olmaları anti biyokirlenme açısından avantaj sağlamaktadır. Taramalı Elektron Mikroskobu görüntüleri hidrolik yıkama sonrası için alınmıştır. Saf membran ve BisBAL içeren membranların yüzeyindeki kirliliğin modifikasyon çalışmaları için karşılaştırılmıştır. SEM görüntüleri ile modifikasyon çalışmasının yüzeydeki geri dönüştürülebilir tıkanmanın görsel olarak artıp artmadığı hakkında yorum yapılabilmiştir. Daldırmalı kaplama yöntemi ile modifiye edilmiş ticari PVDf membranların modifikasyon sonrası yüzeylerinde farklılık görülmüştür. Aktif çamur ve Xanthan Gum filtrasyonu sonrası gerçekleştirilen hidrolik yıkama sonrası çekilen görüntülerde az miktarda organik partikül bulunmaktadır. Sonuçlarda genellikle modifiye edilmiş membranların yüzeyinde daha az tutunma gözlemlenmiştir. Toplam Organik Karbon giderim verimleri açısından hem PES hem PVDf membranlar için daldırma, döndürme ve düşük basınç uygulamalı kaplama metotlarında TOK giderim verimliliklerinin etkilenmediği veya daha iyi giderim verimlerine ulaşıldığı bulunmuştur. Bizmut salınım sonuçları incelendiğinde, PES içerikli membranlarda daldırma metotunda herhangi bir Bi salınımı gözlenmemiş olup çıkış sularındaki bizmut konsantrasyonları minimum ölçülmüştür. Döndürmeli tutunma yönteminde ise çok düşük bizmut konsantrasyonları gözlenmiştir. Daldırma, döndürme ve LPtC yöntemi ile modifiye edilmiş ticari PVDf membranlarının süzüntü suyunda ise bizmut konsantrasyonu minimum seviyede ölçülmüştür. Son olarak, tüm membran türleri için, modifikasyon uygulamalarının neticesinde, porların kirlenmesi ve geri dönüşümsüz kirlenmelerdeki azalmalar nedeniyle membranların modifikasyonu üzerine yapılacak çalışmalar, MBR işletmelerindeki enerji tasarrufu için özgün alternatifler sunmaktadır. Buna ek olarak, kimyasal reaksiyonlara dayan BisBAL ile modifikasyon çalışmaları gelecekteki gerçek dünya uygulamaları için daha fazla fikir sahibi edecektir.