Plazma tekniği ile membran yüzeyinin modifikasyonu ve membran biyoreaktörlerde uygulanması

Son yıllarda membran biyoreaktörlerin atıksu arıtımında kullanımı yaygınlaşmıştır. Ancak bu yaygın kullanımı engelleyen en önemli nedenlerin başında membranların hızlı kirlenmesi neticesinde işletme maliyetlerinin yüksek olması gelmektedir. Bu maliyetleri azaltmak için farklı membran modifikasyon yöntemleri üzerine yapılan çalışmalarda hızlı bir artış görülmektedir. Bu modifikasyon yöntemlerinden biri de plazma ile membran yüzey modifikasyonudur. Bu tez çalışmasında hidrofobik yapıya sahip membranların plazma işlemiyle yüzey modifikasyonu yapılarak hidrofilik hale gelmesi ve bu membranların MBR'lerde kullanılması amaçlanmıştır. Bu kapsamda meyve suyu endüstrisi atıksularının plazma yöntemiyle modifiye edilmiş ve edilmemiş membranlar kullanılarak farklı organik yükleme ve farklı çamur yaşlarında MBR'de arıtılması araştırılmıştır. İlk aşamada gerçek meyve suyu atıksuyunun karakterizasyonu yapılmış ve bu atıksuyun karakterizasyonu esas alınarak deneylerde kullanılan atıksu sentetik olarak hazırlanmıştır. İkinci aşamada PS ve PVDF membranlar 1, 2.5, 5, 15 ve 30 dakika temas süresinde 20, 40, 60, 80, ve 100 W güçte ayrı ayrı azot gazı (N2) ve su buharı ile plazma işlemi gerçekleştirilmiştir. Daha sonra modifiye edilen membranlar için temas açısı ölçümleriyle en iyi plazma şartları (PS için su buharı ile 100W güçte 15 dakika durağan modda, PVDF için su buharı ile 80W güçte 30 dakika) belirlenmiştir. Laboratuar ölçekli aerobik MBR sistemine yerleştirilen dörtlü membran modülleri ile hem modifiye edilmiş hem de modifiye edilmemiş iki farklı membran tipi (PS0, PSmod, PVDF0, PVDFmod) aynı şartlarda test edilmiştir. Son bölümde, MBR sistemi iki farklı çamur yaşında (ÇY= 15 gün ve ÇY=30 gün) üç farklı organik yükleme (KOİ= 500 mg/L, 1000 mg/L ve 2000 mg/L) ile çalıştırılmıştır. İşletmeye alma ve arıtılabilirlik çalışmalarında, hücre dışı polimerik madde ve çözünmüş mikrobiyal ürün içerikleri, mikroorganizmaların flok yapısı, yüzey özellikleri, KOİ, çözünmüş oksijen, azot, TKN N, NH3 N, NO2 N, NO3 N, fosfor atıksuyun viskozitesi, partikül boyut dağılımı, zeta potansiyeli ile membranların kirlenmesi arasındaki ilişki tespit edilmiştir. Membran süzüntülerinde SMP, EPS, AKM ve KOİ analizleri yapılarak arıtılabilirliği incelenmiştir. Membranların plazma ile modifikasyonundan sonra hidrofobik/hidrofilik yapısı temas açısı ile analiz edilmiş ve MBR uygulamasında membranın porlarında ve yüzeyinde oluşabilecek kirlenmeler incelenerek modifiye edilmiş ve edilmemiş durumlar karşılaştırılmıştır. Bu analizler sonucunda membranların kirlenme özellikleri ortaya çıkarılmıştır. Ayrıca akının modellenmesi suretiyle membran kirlenmesi mekanizmalarının incelenmesi sağlanmış ve membranlarda meydana gelebilecek kirlenme mekanizmalarına açıklık getirilmiştir. Membranlarda kirlenmeden kaynaklanan akı kayıpları hesaplanmıştır. Sonuç olarak, plazma ile modifiye edilen membranlarda yüzey hidrofilik hale gelmiş ve toplam dirençler azalmıştır. Buna bağlı olarak plazma ile modifiye edilen membranların süzüntü akılarında modifiye edilmeyen membranlara göre önemli ölçüde artış olduğu gözlenmiştir. Bu çalışmada en iyi sonuçlar PVDFmod membran ile ÇY=30 gün, KOİ= 2000 mg/L (KOİ=% 98 giderim verimi, Jd=55 L/m2. saat süzüntü akısı) işletme şartlarında elde edilmiştir.