Ters osmoz membranlarında yenilikçi aktif tabakaların geliştirilmesi

Türkiye'de membran sistemlerin uygulanması yaygın hale gelmeye başlamıştır. Özellikle ters osmoz membranları ile desalinasyon prosesi sanayiden, insani tüketime kadar her geçen gün kullanım alanını genişletmektedir. Sağladığı avantajlardan dolayı membran biyoreaktörler de kendilerine pazarda yer bulmaya başlamıştır. Bu sebeplerden dolayı ülkemizde membran teknolojileri alanında Ar-Ge yapılması büyük önem kazanmıştır. Bu doktora çalışması da bu Ar-Ge ihtiyacını karşılamak üzere atılmış adımlardan birisidir. Çalışmalar kapsamında öncelikle ülkemizde yapılan 8040 boyutlu spiral sargılı modüllerin otopsi sonuçları incelenmiştir. Bu sonuçlardan elde edilen veriler ve literatürde görülen problemler ışığında yenilikçi ters osmoz membranları için biyotıkanma ve aktif klor dayanımı yüksek ters osmoz membranlarının geliştirilmesi hedeflenmiştir. Hedeflenen membranlara ve aktif tabaka özelliklerine ulaşabilmek için öncelikle destek tabakası optimizasyonu pilot ölçekli olarak yapılmıştır. Daha sonra aktif tabaka üretme aşamasına geçilmiştir. Otopsi çalışmalarının sonuçları incelendiğinde, membran yüzeyinde bulunan toplam kirleticilerin %40 civarını silisyumun oluşturduğu görülmüştür. Silisyum ciddi anlamda problem yaratan bir kirleticidir ve gerekli önlem alınmazsa çok kısa sürede membranın ömrünü doldurmasına sebebiyet verebilir. Silisyumu takip eden elementler %14, %12 ve %8 oranları ile alüminyum, demir ve kalsiyum olmuştur. Alüminyum genelde silika ile alüminyum silikatlar halinde çökelmektedir. Yapılan otopsilerde uygulanan 10 farklı fujiwara testinden 6 tanesi pozitif çıkmıştır. Yani otopsi için gelen membranlarda %60 oranında oksitlenme görüldüğü söylenebilir. Membran yüzeyi oksitlenmesinin en çok bilinen sebebi suda bulunan serbest aktif klor iyonlarının poliamid aktif tabakayı oksitlemesidir. Bunun yanında yüksek oranda demir içeriği ve brom varlığı da oksitlenmeyi sağlayabilir. Otopsi yapılan bazı membranlara FTIR analizi uygulanmıştır. Bu analiz hem kirli hem de temizlenmiş membranlara uygulanmıştır. Membran yüzeylerinde karbonhidrat ve protein varlığına rastlanmıştır. Ters osmoz membranları öncesi her ne kadar ön arıtma yapılsa ve organik kirlilik beklenmese de çözünür mikrobiyal maddeler ve doğal organik maddeler UF filtreyi aştıktan sonra membran yüzeyinde birikebilmektedir. Otopsi için gelen 2 adet membran modülünde modül kılıfı giriş ve çıkışı arası basınç düşmesi kaynaklı kırıklar gözlemlenmiştir. Bu basınç düşmesi membran modülü tarafından absorbe edilip membran modülü üzerinde eksenel bir basınç kuvvetine çevrilmektedir. Basınç düşmesi yeterince yüksek olursa membran modülünü kırarak zarar verir. Membran otopsisi sonuçları incelenip, geliştirilmesi gereken membranlar için hedefler belirlendikten sonra bu membranların üretimine geçilmiştir. Bu kapsamda öncelikle ters osmoz membranlarının destek tabakalarının pilot ölçekli olarak üretimi amaçlanmıştır. Ters osmoz membranlarında performansı her ne kadar aktif tabaka belirlese de destek tabakasının hem performans hem de aktif tabakanın morfolojisi üzerine etkisi büyüktür. Pilot ölçekli üretim için gerekli koşulların bulunması, sürecin optimizasyonu ve çeşitli por çaplarında membranların üretimi hedeflenmiştir. Ülkemizde pilot ölçekli polisülfon ters osmoz destek membranları ilk defa bu tez kapsamında üretilmiştir. Bu çalışmada bulunan en temel sonuç lab ölçekli üretim ile pilot ölçekli üretim arasında bulunan farklar olmuştur. Lab ölçekteki şartlar ve ortam her zaman pilot ölçekli şartlar için uygulanabilir ve geçerli değildir. Yapılan bu çalışmada artan koagülasyon banyosu sıcaklığının banyo çevresindeki nemi arttırdığı ve budönemin membran yapısını etkilediği ortaya çıkarılmıştır. Yani daha fazla su molekülü polimer filmi ile temas etmekte ve oluşan nihai membran yapısını etkilemektedir. Normalde lab ölçekli çalışmalarda, soğuk çöktürme banyolarında daha yavaş faz dönüşümü ve süngerimsi bir yapı beklenmektedir. Ancak pilot ölçekli çalışmalarda tam tersi şekilde sıcaklık arttıkça süngerimsi yapının arttığı ve por çaplarının büyüdüğü görülmüştür. Çünkü çöktürme banyosuna girene kadar su buharı sebebiyle yüzeyde oluşan ince film faz dönüşümü hızını yavaşlatmaktadır. Koagülasyon banyosu sıcaklığının yanında çekme hızı ve çözelti içeriği de membranın özellikleri üzerinde etki göstermiştir. PVP konsantrasyonu azaldıkça çözeltinin viskozitesi de azalmakta ve faz dönüşümü hızı artmakta, böylece daha düşük yüzey por çaplı membranlar oluşmaktadır. Çekme hızı yavaşladıkça dökümü yapılan çözeltinin üzerinden buharlaşan solvent miktarı artmakta ve oluşan jelimsi tabaka faz dönüşümü hızını yavaşlatarak daha süngerimsi yapıların oluşmasına sebep olmaktadır. Toplamda 11 membran üretim denemesi yapılırken bunlardan 9 tanesinde kullanılabilir şekilde gözenek görülmüştür. Çok farklı morfolojide ve gözenek çapında membran üretimi başarıyla gerçekleştirilmiştir. Destek membranının da başarılı bir şekilde elde edilmesi sonrası aktif tabakaların oluşturulması aşamasına geçilmiştir. Tez kapsamında hem organik kirliliğe olan dayanımı yüksek hem de aktif klora karşı dirençli yenilikçi aktif tabakaların oluşturulması amaçlanmıştır. Bu kapsamda arayüzey polimerizasyonu ve serbest radikal polimerizasyonu simultane olarak eş zamanlı gerçekleştirilip birbirine entegre iki polimer ağı oluşturulmuştur. Bu iki polimerizasyon tekniği ilk defa simultane olarak bir arada denenmiştir. Hem DMMSA'nın hem de AA'nın antibiyotıkanma özellikleri membran aktif tabakasına kazandırılırken hem de aktif klor direnci yüksek bir membran elde edilmiştir. Ancak tüm bu olumlu gelişmelerin yanında tuz tutma ve akı oranlarında düşüşler görülmüştür. Bu doktora çalışması yeni bir metoda kapı açmıştır. Bundan sonraki çalışmalarda yeni malzeme ve farklı koşullar ile bu metodun iyileştirilebileceği düşünülmektedir.