Synthesis, characterization, and application of a novel thin film composite forward osmosis membrane for seawater desalination

Aşırı nüfus artışı, endüstrilerin yaygınlaşması, uzun süreli kuraklık, iklim değişikliği, aşırı kullanım, kirlilik veya tuzlanma nedeniyle konvansiyonel su kaynaklarının kalitesinin ve miktarının azalmasıyla bilim adamları kendilerini, bu zorlukların aşılması için yeni teknolojilerin geliştirilmesi konusunda önemli bir sınavın önünde bulmuşlardır. Deniz suyunun tuzsuzlaştırılması son 40 yıldır su temininde önemli rol oynamıştır. Deniz suyu tuzsuzlaştırması, ilk zamanlarında termal esaslı teknolojiyle dayansa da, membran üretim tekniklerinde görülen ilerlemeler ve ve sürekli düşen uygun fiyatlarıyla günümüzde membran teknolojisine dayanmaktadır. Bu tez, Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu tarafından desteklenen 'Yeni Nesil İleri Osmoz ve Düşük Basınçlı Ters Osmoz Desalinasyon Membranlarının Üretilmesi, Modül Haline Getirilmesi ve İçme Suyu Eldesinde Kullanılması' başlıklı projenin bir parçasıdır. Proje, yenilikçi bir membran teknolojisi olarak deniz suyundan içme suyu üretimi sağlayan ekonomik, yeni nesil ve düşük basınçlı desalinasyon membranları ve membran sistemlerinin üretimini hedeflemektedir. Bu tezin konusu proje hedefleri ile uyumludur. Bir yandan yüksek su geçirgenliğine, düşük tuz geçişine, makul mekanik mukaveete ve düşük kirlenme eğilimine sahip yüksek performanslı İO membranın imalatı ve karakterizasyonu hedeflenirken, diğer yandan, bazı gerçek uygulamalar için geliştirilmiş İO membranın uygulanmasını ve özellikle deniz suyu desalinasyonunu kapsamaktadır. Bu tez, tezin dayanağını, tezin önemini ve tezin amacını, kapsamını, kendine özgü yönlerini, etkilerini ve organizasyonunu içeren bir giriş ile başlamaktadır. İleri osmoz prosesi ve elektrospinning tekniği olmak üzere literatür taramasında iki ana konu vurgulanmıştır. İleri osmoz teorisi, ileri osmoz membranı, membran karakteristik parametreleri, membran oryantasyonu, ileri osmoz uygulamaları ve çekme çözeltileri konuları ileri osmoz bölümünde sunulurken, elektrospinning tekniği uygulamaları kısmında elektrospinningin kullanıldığı çeşitli uygulamalara yer verilmiştir. Üçüncü bölüm, nanofiber membranların mekanik stabilitesini arttırmak için membran üretimi ve karakterizasyonu içeren bir ön çalışmadır. Bu bölümde nanofiber membranlar poliakrilonitril kullanılarak imal edilmiştir. Üç yüz nm çaplı poliviniliden florür nano parçacıkları, nanofiber membranların mekanik mukaveetini ve yapısall bütünlüğünü arttırmak için kullanıldı. PVDF parçacıklarının PAN nanofiberler matrisi içerisine dahil edilmesi için PAN nanofiber membranlar farklı PVDF dispersiyon konsantrasyonlarına daldırılmıştır. Daha sonra 177 C'de ısıl işlemden geçirilmişlerdir. Eriyen PVDF fiberleri ve fiberlerin birleşme noktalarını birbirine bağlayarak güçlendirme yapmıştır. Böylece fiberler daha stabil bir hale gelmiştir. PVDF ile güçlendirilmiş PAN membranları SEM, DMA ve porometre analizi ile karakterize edilmiştir. PAN ve PVDF-c-PAN membranlarının su geçirgenlikleri ölü-uç filtrasyon testi uygulanarak bulunmuştur. PVDF konsantrasyonlarının ve daldırma süresinin membranların mekanik özelliklerine etkileri araştırılmıştır. Gerilme mukaveeti ve Young modülüne göre membranların mekanik özelliklerinde iyi bir gelişme kaydedildiği görülmüştür. PAN ile karşılaştırıldığında, PVDF-c-PAN membranlarındaki Young modül ve gerilme mukaveetinin ortalama artışı sırasıyla 19.8 ve 6.63 kat olmuştur. Bununla birlikte, gerilme oranı 5.47 kat azalmıştır. PAN-c-PVDF membranları için su geçirgenliği azalma oranı% 12.7 ila% 31.7 arasında değişmiştir. PVDF-c-PAN membranı için en iyi sonuçlar % 0.01 PVDF konsantrasyonu ve bir saniye daldırma süresinde elde edilmiştir. Çekme mukaveeti ve Young'ın modül katsayısı sırasıyla 126 MPa ve 7.08 MPa olarak görülmüştür. bu teknik, nanofiber membranları güçlendirmeyi amaçlayan diğer tekniklerle karşılaştırıldığında daha basit, uygulanabilir ve zaman tasarrufu sağlayıcıdır. Dördüncü bölümdeki çalışmada su tuzsuzlaştırması için yüksek performanslı ileri osmoz ince kompozit film membranlarının üretimi amaçlanmıştır. İki farklı monomer (m-Fenilendiamin ve 1 ,3,5-trimesoylchloride arasındaki ara yüzey polimerizasyon reaksiyonu ile nanofiber destek membranının üst yüzeyinde TFC poliamid üst seçici tabaka oluşturulmuştur. Nanofiber destek tabakasının üretilmesi için belirli derecede sülfonlanmış polisülfon polimeri kullanılmıştır. Ortalama 247 nm fiber çaplı nanofiber lif ağı oluşturulmuştur. Polisülfon, sülfonlama maddesi olarak klorosülfonik asit kullanılarak heterojen yöntemle sülfonlanmıştır. Destek membranı ve TFC-FO membranları, SEM, su geçirgenliği, porometri, temas açısı, FTIR ve diğer testler ile karakterize edilmiştir. TFC aktif tabakasının karakterizasyonu SEM ve FTIR ile sınırlıdır. Karakterizasyonlarda, sPSf destek tabakasının gözenek büyüklüğü dağılımının düşük aralıklı ve oldukça gözenekli yapılı olduğu görülmüştür. FO Ticari ve yeni geliştirilen iki membranın performans değerlendirmesi, eş akımlı ve karşı akım akış şeklinde olan FO ve PRO modları kullanılarak incelenmiştir. Aktif tabaka, 17.31 A/B oranı ve % 99 .54'lük yüksek bir tuz ayrıştırma oranı ile mükemmel özellikler sunmaktadır. Yeni geliştirilen membran, 1 M NaCl çekme çözeltisi ve distile su besleme solüsyonu kullanılarak, sırasıyla 65.7 ve 313 LMH'lik bir yüksek FO ve PRO su akışına ulaşmıştır. Burada tuz akışı sırasıyla sadece 2.5 ve 5.3 gMH'dir. Su akışının ters tuz akısına oranı ile temsil edilen ters akı seçiciliği, FO ve PRO modları için 26.3 ve 58.8 L/g kadar yüksek görülebilmiştir. Bildiğimiz kadarıyla, mevcut çalışmada geliştirilmiş membranın performansı, literatürde önceden bildirilen tüm FO membranlarından daha üstündür. TFC FO nanofiber bazlı membranın sentetik/modele ve gerçek deniz suyuna karşı performans değerlendirmesi, bölüm 5'te gerçek su kullanılarak incelenmiştir. Deniz suyunun tuzdan arındırılması için 2 M NaCI çözeltisi çekme çözeltisi olarak kullanılarak çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Performans verileri, yeni imal edilmiş FO-TFC membranının, bir besleme çözeltisi olarak gerçek deniz suyu kullanıldığında sırasıyla karşı akımlı FO ve karşı akımlı PRO'da 15.1 ve 49 .4'lük bir su akışına sahip olduğunu göstermiştir. İki farklı sentetik/model deniz suyu çözeltisi (NaCl ve MgSO4), gerçek deniz suyu numunesininkine eşit bir tuz konsantrasyonuna sahip olacak şekilde, aynı çalışma koşulları altında performanslarını karakterize etmek için hazırlanmıştır. Çekme çözeltisi olarak 2 M NaCl çözeltisi kullanılan bu çalışmada da membran hem FO hem de PRO modlarında sırasıyla, sentetik model olarak % 1.1 MgSO 4 çözeltisi kullanıldığında 10.3/45. 6 LMH ve % 1.1 NaCl kulllanıldığında 8/54 v LMH su akısı sağlamıştır. SPSF ince film kompozit membranın yapısall parametresinin literatürde görülen en düşük değerlerden biri olan 125 m olduğu tahmin edilmektedir.