Fabrication of forward osmosis membrane and its application after membrane bioreactor
İleri osmoz membran üretimi ve membran biyoreaktör sonrası uygulanması
- Tez No: 465462
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 116
Özet
Su hayatın temelidir. Sürdürülebilir bir yaşam için güvenli, yeterli ve ulaşılabilir su temini hem modern şehirler hem de küçük yerleşim birimleri için oldukça önemlidir. Ancak, nüfus artışı and sulama, gıda üretimi ve diğer endüstriyel faaliyetler gibi insan aktiviteleri hava,su ve toprak yapısında etkiler ağırlaşan etkiler bırakmaktadır. Bir gelecek yatırımı olarak, bu çevresel etki suyun arıtılmasını ve tekrar kullanımını sağlayarak kısıtlanmalıdır.Konvansiyonel atıksu arıtım sistemleri suyun arıtılmasını sürdürülebilir olarak sağlamayabilir. Bu sürdürülebilirlik konsepti, çevresel etkiyi azaltmak için daha gelişmiş ve enerji dostu sistemler gerektirir. Bu problemin çözümünde membran filtrasyon ve membran biyoreaktörler çözüm olabilir. Ancak su NF (nanofiltrasyon), UF (ultrafiltrasyon) ve ters osmoz (RO) gibi membran sistemlerinin temel enerji gideri basınç nedeniyle olmaktadır. İleri osmos uygulaması bir basınç sürücülü system değildir ve doğal bir olay olan osmozu taklit eder. Çekme çözeltisi yüksek konsantrasyona sahip bir tuz çözeltisidir. FO sisteminde su çekme çözeltisinden besleme çözeltisine doğru yani yoğunluğu düşürülmek istenen çözeltiye doğru hareket eder. Bu hareket sırasında, membran çekme çözeltisinden beslemem çözeltisine doğru hareket etmek isteyen tuza ve aynı zamanda besleme çözeltisindeki kirleticilerin çekme çözeltisine doğru hareketine karşı koyar. Sonuç olarak kütle transferi bu sistemde tek yönlüdür. FO bir osmotik sürücülü sistemdir ve dışardan bir basınç sürücüsü gerektirmez. Bu özelliği ile enerji ihtiyacı diğer NF, RO gibi diğer sistemlere göre daha azdır. Düşük hidrolik basınç nedeniyle MBR içi kullanımında membran kirlenme problemleri azdır. Bu tez yüksek performanslı ince film kompozit elektrospun ileri osmoz membranı üretilmiş ve harici membran bioreaktör üzerinde arıtma performansı incelenmiştir. Bu tezde, yüksek FO performansı elde etmek amacıyla elektrospin memran üretim yöntemi kullanılmıştır. Sülfonlanmış polisülfon çözeltisi dimetilasetilamid çözücüsüyle hazırlanmıştır İnce film kompozit polyamid kaplama elektrospin yöntemiyle üretilen destek tabakası üzerine kaplanmıştır. İnce film kaplama tekniğinde organic çözücüde çözülmüş trimesoylchloride (TMC) ve inorganic çözücüde çözülmüş m-Phenylenediamine (MPD) çözeltisi kullanılmıştır Bu tezde, 113Y356 numaralı TUBITAK tezi doktora çalışması kapsamında üretilen ve patentlenen bir membranın üretim şartları değiştirilirek geliştirilen bir membran üreilmiştir. Membranın FO performansının belirlenmesi için karakterizasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Üretilen membranın saf su ters tuz akısını belirlemek amacıyla ileri osmoz hücresi içine membrane yerleştirilerek saf su ve 0,5 M NaCl çözeltisi kullanılarak ölçümler yapılmıştır. İleri osmoz performansının belirlenmesinde bir indikatör olarak SEM görüntelemesi, su ve ters tuz akı ölçümleri, fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ve temas açısı ölçümleri yapılmıştır. TFC FO membranın atıksu arıtma peformansının belirlenmesi amacıyla, membran bioreaktör işletilen ultrafiltrasyon (UF) membran süzüntüsü FO laboraturar ölçekli sisteminde işletilmiştir. UF süzüntüsü besleme çözeltisi olarak kullanılmıştır. MBR'de ticari UF membranı kullanılmıştır Ticari UF membrane modül haline getirilerek dahili olarak işletilmiştir. AKM/UAKM, pH, sıcaklık, ORP ve DO değerleri aktif çamur içerisindeki mikroorganizmaların faaliyetlerinin izlenmesi amacıyla SCADA sistemi ile sürekli takip edilmiş ve kaydedilmiştir. MBR yüksek kirlilikte sentetik atıksu ile beslenmiştir. Çamurun aklimasyonunu sağlamak amacıyla reaktör 6 ay öncesinden işletilmeye başlanmış ve çamur atımı yapılmamıştır. Biyoreaktör sonsuz çamur yaşıyla işletilmiştir.. UF prosesinde her bir döngü ortalama 2 saat sürmüştür. Döngü bitiminde UF çıkışından numuneler alınmıştır. Uf çıkışından alınan numuneler FO sisteminde besleme çözeltisi olarak işletilmiştir. 42500 µS/cm iletkenliğe sahip 0,5 M NaCl çözeltisi çekme çözeltisi olarak kullanılmıştr. FO sistemi 20 döngü işletilmiştir FO sisteminde her bir döngü 1L çekme çözeltisi ve 1 L besleme çözeltisi (UF çıkış suyu) ile başlatılmıştır. Her bir döngü çekme çözeltisi 1,5 L hacime gelene kadar işletilmiştir ve döngü sonlarında numuneler alınmıştır. Aynı zamanda su ve ters tuz akılarının grafikleri draw solution ağırlığı ve hem besleme hem de çekme çözeltilerinin iletkenliklerinin anlık olarak ölçülmesiyle oluşturulmuştur. Bu tez kapsamında sonuç olarak 120 L/m2/h saf su akısı ve 0,3 g/m2/h ters tuz akısına sahip FO membrane UF çıkış suyu ile çalıştırıldığında ise 92 L/m2/h su akısıve 0,6 g/m2/h ters akısına sahip ileri osmoz membrane üretilmiştir. İleri osmoz sistemine toplamda 3 kez hidrolik yıkama uygulanmıştır. İO hücresinde kullanılan membrane hidrolik yıkamadan zarar gördüğünden dolayı 1 kez değiştirilmiştir. Değişen membranın saf su ve ters tuz akısı tekrar incelenmiştir. Hem UF hem de FO çıkış sularının kalitelerini belirlemek amacıyla, kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), bulanıklık, toplam fosfor ve toplan azot değerleri ölçülmüştür. Organik madde giderimi UF çıkışında %98 olarak başarılmıştır. Çıkış değeri ortalama 21 mg/L civarındadır. İleri osmoz sistemi çıkışında ise kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) ortalama 18 mg/L olarak ölçülmüştür. Giderim verimi %14 ile sınırlı kalmıştır. Sistemin toplam KOİ giderim verimi ise %98,6 olarak belirlenmiştir. Toplam azot değeri besleme atıksuyunda ortalama 49 olarak ölçülmüştür. UF çıkışında ise bu değer 35 mg/L 'ye indirilebilinmiştir. UF sisteminin ortalama toplam azot giderim verimi %30 civarındadır. FO sisteminde ise UF ssiteminden daha yüksek bir azot giderim performansı belirlenmiştir. FO çıkışında ölçülen toplam azot (TN) değeri 5 mg/L civarındadır. Giderim verimi ise %85' tir. Sistemin toplam azot giderim verimi %93 civarındadır. Toplam kjeldahl azotu (TKN) değeri besleme atıksuyunda 41 mg/L olarak ölçülmüştür. UF çıkışında TKN değeri 0,2 mg/L 'dir. UF sisteminin TKN giderim performansı %99 civarındadır. FO çıkışında ölçülen TKN değeri ise 0,1 mg/L civarındadır. Nitrate değeri besleme atıksuyunda 0,2 mg/L olarak ölçülmüştür. Biyoreaktörde azotun nitrata çevirilmesi sonucunda UF çıkışında nitrat değeri 34 mg/L civarındadır. FO sisteminin çıkışında ölçülen nitrat değeri 4,6 mg/L civarındadır. Sistemin toplam nitrate giderim verimi %86 civarındadır. Besleme atıksuyunda ölçülen nitrit değeri 0,354 mg/L'dir. Bu değer UF çıkışında 0,036 mg/L'dir. FO çıkışında ise nitrit 0,007 mg/L olarak ölçülmüştür ve FO sisteminin nitrit giderim verimi %80 civarındadır. Toplam fosfor (TP) besleme atıksuyunda 30 mg/L olarak ölçülmüştür. UF çıkışında TP değeri 8 mg/L 'dir. UF sisteminin TP giderim verimi %77 olarak belirlenmiştir. FO çıkışında ise TP değeri 0,8 mg/L civarındadır. FO sisteminin TP giderim verimi %89 olarak , toplam sistemin TP giderimi ise %97 olarak belirlenmiştir. Besleme atıksuyunda ölçülen bulanıklık değeri 107 ntu civarındadır. UF bulanıklık gideriminde yüksek bir performans göstermiş ve UF çıkışında elde edilen bulaıklık değeri 2 ntu civarındadır. Toplam system bulanıklık değerini %99 verimle gidermeyi başarmıştır
Özet (Çeviri)
Water is vital element of life. A secure, sufficient and accessible supply of water is very crucial for the sustainable life for both modern societies. However, due to the population growth and human activities such as irrigation, excessive food production and other industrial activities are causing the environmental footprint on air, water and soil. In order to provide future investment, it is necessary to limit this environmental footprint on water consumption by treating or reusing the wastewater effluents. Conventional wastewater treatment systems would not handle this treatment phenomenon by sustainable ways. This concept is required more environmental and energy efficient treatment systems for reducing environmental footprint. Methods for treating wastewater by membranes and membrane bioreactors can be the solution for this problem. However, one of the main energy consumption for membrane treatment systems such as UF, NF and RO is pressure. Forward osmosis (FO) is a not pressure driven system and use natural phenomena osmosis for permeate water. High concentration salt solution is used as a draw solution. In FO process, water permeates through the membrane from draw solution to feed solution. During this movement, membrane rejects the salts from draw solution and contaminants from the feed solution. Consequently, mass transfer is bi-directional in this process. FO is an osmotically driven process that reduces the external pressure, energy input compared the other pressure driven process such as NF, RO. Due to the low hydraulic pressure there is no cake layer compaction in FO, and it reduces the membrane fouling problems. Fabrication of high performance thin film composite electrospun forward osmosis membrane and assayed its treatment performance on external forward osmosis membrane bioreactor is the main issue of this thesis. In order to obtain high membrane performance, forward osmosis membrane was fabricated by the electrospinning method. Thin film composite (TFC) polyamide coating was applied on the surface of support layer produced by electrospinning. Sulfonated polysulphone solution prepared by dimethylacetamide solvent. In this thesis, a patented membrane that was fabricated in the case of the doctorate studies in the TUBITAK Project with the number 113Y356 is developed. The fabrication method in the electrospinning application was modified. As indicator of membrane forward osmosis performance, membrane characterization was done. In this case, SEM investigation, water and reverse salt flux measurements, fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and contact angle measurements were done. Considering determining the wastewater treatment performance of TFC FO membrane, membrane bioreactor with ultrafiltration (UF) membrane was operated and permeating of MBR was performed in FO lab scale system. A commercial UF membrane is used in MBR. MLSS/MLVSS, pH, temperature, and ORP and DO values has been measured for optimizing the activated sludge microorganism's activity. High strength wastewater was fed to the MBR. The MBR was filled by the activated sludge that was taken from the Paşaköy Biological Treatment Plant. For acclimation of the activated sludge, MBR was started to operation 6 months before from the FO operation and there was not any sludge discharge from the MBR. UF permeate was using as the feed water in external FO system. For UF process each cycle time was 2h in average and then after completing the one cycle UF, samples has been taken from the system and the water characteristic is evaluated. 0,5 M NaCl/water solution with the 42500 µS/cm conductivity has been selected as draw solution. Every cycle in external FO process was started with the volume of 1 L draw solution and 1 L feed solution as UF permeate. The cycle was operated until the draw solution volume reached to the 1,5 L. After the cycle had been completed, sample from FO permeate was collected. Chemical oxygen demand (COD), turbidity, total phosphorus,total nitrogen, total kjehaldahl nitrogen, nitrate, nitrite experiments has done in order to evaluate the UF and FO permeate water quality and treatment performances. At the same time, water and reverse salt fluxes was measured by taken datas of weight from weighing scale and conductivity from the Hach Lange HQ40d conductivity probe. The results of the present study demonstrate that, 120 L/m2/h pure water flux and 0,3 g/m2/h reverse salt flux was measured. 92 L/m2/h and 0,6 g/m2/h reverse salt flux were measured from the UF permeate operation in the FO system. Hydrolic cleaning used 3 times in order to prevent fouling of the membrane.Since the first membrane coupon has defect, second membrane coupon installation was applied. Water and reverse salt flux determination also applied for the second coupon. Organic matter removal was achieved 98% in the UF system. UF permeate COD value was measured 21 mg/L. FO permeate COD values was measured 18 mg/L approximately. COD removal rate was limited around 14%. Total nitrogen was measured 49 mg/L in the synthetic wastewater. Total nitrogen level in the UF permeate was measured 35 mg/L. The total nitrogen removal rate of UF system was around 30%. In the FO system, TN removal rate was measured 5 mg/L and the removal rate was 85%. Total nitrogen removal rate was %93. Total kjeldahl nitrogen was measured as 41 mg/L in the synthetic wastewater. In the UF permeate TKN level was 0,2 mg/L. TKN level in the FO permeate was measured as 0,1 mg/L approximately. Nitrate value was measured as 0.2 m /L in synthetic wastewater. The nitrate value at the permeatet of UF is about 34 mg/L as a result of nitrogen conversion in the bioreactor. The nitrate value measured at the permeate of the FO system is around 4,6 mg/L. The total nitrate removal performance of the system is around 86%. The nitrite value measured in the feed wastewater is 0,354 mg/L. This value is 0,036 mg/L at the permeate of UF. In FO permeate, nitrite is measured as 0.007 mg / L and the nitrite removal rate of the FO system is about 80%. Total phosphorus (TP) was measured as 30 mg / L in feed wastewater. The TP value at the UF permeate is 8 mg / L. The UF removal rate of the UF system was determined to be 77%. The TP value is around 0.8 mg/L in the FO permeate. The TP recovery rate of the FO system was 89% and the TP recovery rate of the total system was 97%. The turbidity value measured in the feed wastewater is around 107 ntu. UF showed a high performance in turbidity removal and the turbidity value at the permeate of the UF is around 2 ntu. The total system has achieved a turbidity value of 99%.
Benzer Tezler
- Synthesis, characterization, and application of a novel thin film composite (TFC) forward osmosis (FO) membrane for seawater desalination
Deniz suyu arıtımı için yeni ince film kaplamalı ileri osmoz (İO) membranı üretimi, karakterizasyonu ve uygulanması
RAED M S ELKHALDI
Doktora
İngilizce
2018
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Fabrication of thin film nanocomposite pressure retarded osmosis (PRO) membranes using cellulose nanocrystal (CNC) and evaluation of performances in the processes
Selüloz nanokristal kullanılarak ince film nanokompozit basınç geciktirmeli osmoz (BGO) membranlarının üretimi ve proseslerde performans testlerinin gerçekleştirilmesi
MEHMET EMİN PAŞAOĞLU
Doktora
İngilizce
2021
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Halloysit katkılı hollow fiber ileri osmoz membranlarının üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of hollow fiber forward osmosis membranes with halloysite additive
AYŞE YÜKSEKDAĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Çevre MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EBUBEKİR YÜKSEL
- Biomimetic approaches for the fabrication of hollow fiber nanofiltration membranes
Biyomimetik yaklaşımlarla içi boşluklu nanofiltrasyon membran üretimi
REYHAN ŞENGÜR TAŞDEMİR
Doktora
İngilizce
2018
Biyokimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Fabrication of low temperature co-fired ceramic (LTCC)-based sensor and micro-fluidic structures
Başlık çevirisi yok
HANSU BİROL