Polietersülfon ve poliakrilonitril polimerleri kullanılarak düz-plaka membranların üretimi ve uygulamaları

Membran proseslerin içme ve kullanma suyu üretimi amaçlı kullanımı dünyada ve ülkemizde hızla yaygınlaşmaktadır. Özellikle yüksek çıkış suyu kalitesi ve efektif alan kullanımları sayesinde membranlar hem evsel hem de endüstriyel ortamlarda kullanılmaktadır. Bu yaygınlaşma, bu sistemlerin daha ekonomik hale gelmesini sağlamaktadır. Bugün dünyada, membran prosesler ile yapılmış çok büyük ölçekli içme ve kullanma suyu arıtma sistemleri mevcuttur. Bu örnekler, gelecekte yeterli düzeyde kaliteli içme ve kullanma suyu sıkıntısı gündeme geldiğinde, hızla artacaktır. Membran proseslerde en önemli noktayı membran üretimi oluşturmaktadır. Ancak, ülkemizde şu an itibariyle ticari boyutta membran üretimi yapan firma ve merkez bulunmamaktadır. Bu bağlamda membran üretiminde de en önemli noktayı membranlarda kullanılan polimerler oluşturmaktadır. Ticari boyutta en yaygın olarak kullanılan organik polimerler: Polietersülfon, Poliakrilonitril vb. gibi polimerlerdir. Literatür incelendiğinde Polietersülfon membranlarda karşılaşılan en büyük problemin hidrofobik özellikleri olduğu görülür. Bununla birlikte Polietersülfon polimerinden üretilmiş membranlar fiziksel olarak dayanımı diğer polimerlere göre oldukça yüksektir. Diğer taraftan Poliakrilonitril polimerinden üretilen membranlar ise yüksek hidrofilik özellikleri ile öne çıkmaktadır. Poliakrilonitril polimerinden üretilen membranların yüksek hidrofilik özelliklerinin yanı sıra kimyasal aşındırmaya karşı diğer polimerlerden ayrılmaktadır. Polietersülfon polimerinin yüksek fiziksel dayanımı ile Poliakrilonitril polimerinin yüksek hidrofilik özelliklerinin birlikte kullanılmasıyla Polietersülfon/Poliakrilonitril karışım membranların üretimi yapılabilmektedir. Bu noktadan hareketle Polietersülfon ve Poliakrilonitril polimerlerden tekil ve karışımlı düz-plaka membranların üretimi çalışması bu tezin ilk amacını oluşturmaktadır. Deneyler üç aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk olarak Polietersülfon polimerinden saf membranlar % 16 ve % 20 cinsinde üretilmiştir. Devamında gözenek yapıcı kimyasal eklenti olarak Polivinilprolidon kullanılarak ikinci bir seri Polietersülfon membran üretimi yapılmıştır. Polivinilprolidon'un membran yapısında yapmış olduğu özelliklerin incelenmesi için 10 .000, 40.000 ve 360. 000 Da molekül ağırlıklarında olan türleri kullanılmıştır. Polietersülfon polimerinden hazırlanan düz-plaka membranların dökümleri koagülasyon banyosu sıcaklığının membranın karakteri üzerine olan etkilerini incelemek amacıyla 25 ve 50 oC'de yapılmıştır. Diğer bir membran olarak Poliakrilonitril polimerinden saf membranlar % 12 ve % 14 cinsinde üretilmiştir. Devamında gözenek yapıcı kimyasal eklenti olarak Polivinilprolidon kullanılarak ikinci bir seri Poliakrilonitril membran üretimi yapılmıştır. Polivinilprolidon'un membran yapısında yapmış olduğu özelliklerin incelenmesi için 10.000 ve 40.000 Da molekül ağırlıklarında olan türleri kullanılmıştır. Poliakrilonitril polimerinden hazırlanan düz-plaka membranların dökümleri koagülasyon banyosu sıcaklığının membranın karakteri üzerine olan etkilerini incelemek amacıyla 25 ve 50 oC'de yapılmıştır. Buna ek olarak saf Poliakrilonitril polimeri üzerinde koagülasyon banyosu sıcaklığının etkisini incelemek amacıyla 5, 10, 15, 20, 25 ve 50 oC'de membranların üretimi yapılmıştır. İkinci aşama olarak membranların karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. Karakterizasyon çalışmaları kapsamında geçirgenlik, viskozite, moleküler ağırlık engelleme sınırı, dinamik mekanik analiz, yüzey temas açısı, yüzey pürüzlülüğü ve taramalı elektron mikroskobu analizi yapılmıştır. Son aşama olarak ise dökümü yapılan Polietersülfon ve PAN polimerinin tekil ya da karşımından oluşturulan membranlardan en efektif ve çevre mühendisliği proseslerinde en etkin biçimde kullanılabilecek membranların belirlenmesinden oluşmaktadır. Bu aşamada üretimi ve karakterizasyonu tamamlanan PES ve PES/PAN membranlarından karşılaştırmalı olarak geçirgenlik testleri uygulanmıştır. Bu hususta PES membranlarında UF seviyesinde ya da daha düşük gözenek çaplarındaki membranlar üretilerek tamamlanmış çalışmalar literatürde bulunmaktadır. Ancak, PES/PAN polimer karışımı kullanılarak hazırlanmış göl suyu filtrasyonu üzerine çalışma bulunmaktadır. PES/PAN ile hazırlanmış karışım membranlar 25 ve 50 oC'de laboratuvar ölçeğinde üretilmiştir. Karışım olarak üretilen membranlar toplam polimer konsantrasyonu olarak % 16 ve %20 olarak seçilmiştir. Üretimi tamamlanan tekil PES, PAN ve PES/PAN karışım membranlarından göl suyu filtrasyonunda kullanılmak üzere toplamda 4 adet membran seçilmesi uygun görülmüştür. Seçilen membranlar %20 PES % 2 PVP 10.000 Da 25 oC, %20 PES % 4 PVP 10.000 Da 25 oC, % 19,7 PES %0,3 PAN %2 PVP 10.000 Da 25 oC ve son olarak % 19,7 PES %0,3 PAN %4 PVP 10.000 Da 25 oC membranlarıdır. Üretimi tamamlanmış PES/PAN karışım membranları üzerinde geçirgenlik, viskozite, moleküler ağırlık engelleme sınırı, dinamik mekanik analiz, yüzey temas açısı, taramalı elektron mikroskobu analizi gibi karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. Tamamlanan karakterizasyon çalışmalarının ardından tekil PES membranlarla PES/PAN karışım membranların yüzeysel su filtrasyon performanslarının karşılaştırmak amacıyla İstanbul Teknik Üniversitesi Maslak Kampüsünde bulunan gölden yüzeysel su numunesi alınmıştır. Deneylere başlamadan önce alınan yüzey suyu numunesi kaba filtreden geçirilerek suda bulanabilecek olan büyük partiküllerin giderilmesi amacıyla süzülmüştür ve tüm filtrasyon deneyleri sırasında aynı su numunesi kullanılmıştır. Tekil olarak hazırlanmış olan PES membranlarının saf su geçirgenlik değerleri PES/PAN karışımlı olarak hazırlanmış olan membranlara kıyasla daha yüksek olmuştur. Bunun nedeni karışımlı polimer kullanımında PAN polimeri faz inversiyonu sırasında membran matrisinin üst yüzeyinde birikmesidir. Bu noktada, PES polimerine PAN polimeri eklentisi ilk bakışta saf su geçirgenlik değerlerinde daha düşük sonuçlar verse de PES/PAN polimerinin hidrofilik özelliği tekil PES membranlara göre daha yüksek olmaktadır. Göl suyu filtrasyonunda kullanılmış olan membranlardan PES/PAN karışımlı olarak üretilmiş olan membranlar giderim performansını daha uzun süre muhafaza etmiştir. PES/PAN karışımı ile hazırlanmış membranlar tekil olarak PES polimerinden hazırlanmış olan membranlara kıyasla 4 seri göl filtrasyonu sırasında hiç kimyasal yıkamada uygulanmadan neredeyse % 50 daha iyi performans göstermiştir. Ayrıca, 4 seri filtrasyon sırasında filtrasyon ünitesinin giriş ve çıkışlarından alınmış olan numunelerde yapılmış olan Toplam Organik Karbon, UV254 ve Bulanıklık deneylerinde PES/PAN karışımı ile hazırlanmış membranlar tekil olarak PES polimerinden hazırlanmış olan membranlara göre daha yüksek giderim performansı göstermiştir.