Geri Dön

Thin film composite (TFC) nanofiltration membranes for water softening

Su yumuşatma amaçlı kullanılan ince film kompozit nanofiltrasyon membranları

PDF İndir

  1. Tez No: 485319
  2. Yazar: TUTKU NUR MEMİÇ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ŞERİFE BİRGÜL ERSOLMAZ, DR. SİMGE TARKUÇ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 107

Özet

Toprak üzerindeki toplam su kaynaklarının % 97'si deniz suyu iken, sadece% 0.5'i içilebilir, tatlı sudur. Son zamanlarda tatlı su kaynaklarındaki giderek artan kıtlık insanları okyanus suyu gibi farklı alternatifleri kullanmak üzere araştırma yapmaya itmiştir. Bundan dolayı, deniz suyunun ve tuzlu akuferlerin tuzdan arındırılması, su arıtımı için umut vaat eden bir yöntem haline gelmiştir. 1960'lı yıllarda yüksek performanslı sentetik membranların geliştirilmesi ile membranlar su ve atık su arıtımında kullanlabilecek malzemeler olarak ortaya çıkmıştır. Zamanla yeni malzemelerden çeşitli çeşitli konfigürasyonlarda daha gelişmiş membranlar üretilmiş ve membranların önemi giderek artırmaya devam etmiştir.1970'lerde ise membranlar desalinasyon amacıyla kullanılmaya başlanmıştır. Saf suyun tuzlu sudan başarılı bir şekilde elde edilmesinden sonra membran prosesi buharlaştırmaya dayalı ısıl teknolojilere alternatif uygulama haline gelmiştir. Ancak arıtılmış su standartlarının zamanla sıkılaştırılmasıyla membran teknolojisi de zaman zaman buna cevap vermekte zorlanmıştır. Membranlar iki faz arasındaki seçici bariyer olarak bilinmektedir. Gaz saflaştırma ve ayırma uygulamalarının yanında membran prosesleri, su ve atık sulardan katı partiküllerin, bakteri ve virüslerin ve diğer istenmeyen moleküllerin uzaklaştırılması için oldukça etkili bir uygulama olarak kabul edilmektedir. Günümüzde membran prosesleri su ve atık su arıtımının yanı sıra tekstil, hamur ve kâğıt, ilaç, madencilik, süt, gıda ve içecek ve biyoteknoloji endüstrilerinde büyük oranda kullanılmaktadır. Membranlar polimerik ve inorganik olarak iki sınıfta toplanmıştır. Polimerik membranlar gözenek oluşturma mekanizmaları, yüksek esneklik, düşük maliyet ve daha az alan gerektirmeleri sebebiyle inorganik membranlara oranla daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak yaygın olarak kullanılmasına rağmen membranların seçicilik-geçirgenlik ödünleşimi ve kirlenme problemleri bulunmaktadır. Dolayısıyla, bilim ve iş dünyasında yüksek geçirgenlik ve seçicilik özelliğine sahip uzun ömürlü membranların üretimi üzerine çalışmalar yürütülmektedir. Polimerik membranlar morfolojilerine göre izotropik ve anizotropik olarak sınıflandırılmaktadır. İzotropik membanlar gözenekli veya gözeneksiz veya elektriksel yüklü olabilmektedir ve membran kesiti boyunca aynı kompozisyon ve yapıya sahiptirler. Anizotropik membranlar ise asimetrik membranlardır. Kompozit membranlar ve sıvı destekli membranlar anizotropik membran yapısına sahiptir. Gözenekli membranlarda ayırma boyutsal eleme şeklinde olurken gözeneksiz (yoğun) membranlar çözücü ve çözünen madde arasındaki çözünürlük veya difüzivitedeki farklılıklara bağlı olarak molekülleri ayırır. Nitto Denko Corp., Koch, Toray Industries, GE Osmonics, Dow/FILMTEC günümüzün en iyi bilinen membran üreticileridir. Günümüzde su ve atıksu arıtımında, mikrofiltrasyon (MF), ultrafiltrasyon (UF), nanofiltrasyon (NF) ve ters osmoz (RO) olarak sınıflandırılan basınçlı membran prosesleri kullanılmaktadır. Mikrofiltrasyon membranları en büyük gözenek boyutuna sahiptir ve tipik olarak büyük tanecikleri, mikroorganizmaları ve kolloidleri reddetmekle beraber emülsiyonların ayrımında kullanılmaktadır. Ultrafiltrasyon membranları ise yaygın olarak emülsiyon haline getirilmiş yağların, askıda kalmış katıların ve yaklaşık 0.01-0.1 um partikül boyutu aralığındaki molekülleri ayırmak için kullanılmaktadır. Bunun yanında, NF membranlar özellikle suyun sertliğinin azaltılması ve sudan renk giderimi amacıyla kullanılırken, deniz suyundan ve acı sudan tuz giderilmesi RO membranlarının uyugulama alanıdır. Proses esnasında uygulanması gereken basınç mikrofiltrasyondan ters osmoza gittikçe artmaktadır. Çünkü membran gözenek boyutları mikrofiltrasyondan ters osmoza gittikçe küçülmekte ve kütle transfer direnci artmaktadır. Selüloz asetat ve poliamid türevleri ise RO ve NF'de en çok kullanılan polimerik membran malzemelerdir. Kalsiyum (Ca), magnezyum (Mg) ve diğer bazı metal katyonları suda sertliğe neden olmaktadır. Sudaki sertlik evsel ve endüstriyel su sistemlerinde kireç oluşumu, kirlilik ve galvanik korozyon gibi birçok soruna yol açar. Ayrıca, desalinasyon proseslerinde membran ömrünün kısalmasına sebep olmaktadır. Diğer yandan, sert su, içinde bulundurduğu Ca ve Mg iyonlarının ısıyla beraber tesisattaki metalik bileşiklerle ve deterjan gibi kimyasal ajanlarla reaksiyona girmesi nedeniyle hemen hemen tüm temizlik görevlerinin etkinliğini azaltır. Bu sebeple su yumuşatma evsel ve endüstriyel su temini ve tuzlu su ve deniz suyu tuzdan arındırma sistemi için hayati önem taşıyan bir işlemdir. Kireç soda yöntemi ve iyon değiştirici reçineler halen kullanılmakta olan geleneksel su yumuşatma yöntemleridir. Nanofiltrasyon membranları ile su yumuşatma yüksek yumaşatma performansı, düşük operasyon maliyeti sebebiyle günümüzde bu konvansiyonel yöntemlere mükemmel bir alternatif haline gelmiştir. Nanofiltrasyon membranları performans açısından ultrafiltasyon ve ters osmoz arasında etkinlik göstermektedir ve özellikle sudan iki değerli ve çok değerlikli iyonların uzaklaştırılmasında kullanılmaktadır. Sodyum ve klor gibi tek değerlikli iyonları ise kısmi olarak ayırabilmektedirler. Günümüzde çoğu ticari nanofiltrasyon membranı ince film kompozit düz levha membranlardır. İnce film kompozit nanofiltrasyon membranları genellikle, bir gözenekli destek tabakası üzerinde negatif yüklü kimyasal gruplardan oluşan çapraz bağlı poliamid polimer tabakasından meydana gelmektedir. İnce film kompozit membranlar için yaygın olarak kullanılan destek malzemeleri polisülfon (PSf), polietersülfon (PES), poliviniliden florür (PVDF), poliakrilonitril (PAN) ve polyether ether keton (PEEK)'dur. İnce film kompozit membranlar plazma-başlatmalı polimerizasyon, foto başlatmalı polimerizayon, foto-graftlama, elektron ışınlaması, daldırma kaplama ve ara yüzey polimerizasyonu gibi yöntemlerle üretilmektedir. Fakat arayüzey polimerizasyonu ince film kompozit membranların üretiminde en çok kullanılan yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu çalışmada, polisulfon destek membranı üzerinde ara yüzey polimerizasyonu ile poliamid tabaka oluturularak ince film kompozit nanofiltrasyon membranları hazırlanmıştır. Ara yüzey polimerizasyonu işleminde piperazin (PIP) ve trimesoil klorür (TMC) sırasıyla sulu faz ve organik faz monomerleri olarak kullanılmıştır. Hem poliamid tabaka hem de destek membranı kimyasal özelliklerine ve morfolojik yapılarına göre karakterize edilmiştir. Membran yüzeyinin kimyasal yapısı Fourier dönüşümlü infrared spektrometre (FTIR-ATR) ile incelenirken membranların yüzey ve kesit morfolojileri alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FESEM) altında incelenmiştir. Membranların yüzeysel hidrofilikliği ise temas açısı ölçer ile karakterize edilmiştir. Ayrıca, hazırlanan NF kompozit membranların su akısı ve tuz reddi oranı (MgSO4) çapraz akışlı su filtrasyon deneyi ile karşılaştırılmıştır. Uygun polimerizasyon koşullarının belirlenmesi için reaksiyon süresi, organik faz monomer konsantrasyonu ve monomer temas süresi gibi parametreleri değiştirilerek ve asit alıcısı katkı maddesi eklenerek membranlar hazırlanmıştır. Asit alıcısının sulu PIP çözeltisine eklenmesinin, TFC membranının başarılı bir şekilde oluşturulması için gerekli olduğu anlaşılmıştır. TMC konsantrasyonunun % 0.15'den % 0.1'e düşürülmesi ve reaksiyon süresinin 60 saniyeden 20 saniyeye indirilmesi, PSf destek membranı üzerinde oluşan poliamid (PA) tabakasının çapraz bağlanma yoğunluğunu azaltmıştır. Ayrıca, reaksiyon süresinin 60 saniyeden 120 saniyeye yükseltilmesi, oluşan PA katmanının çapraz bağlanma yoğunluğunun arttırılmasına ve dolayısıyla tuz ayırma performansının artmasına yol açmıştır. En yüksek performans gösteren membranın MgSO4 reddetme oranı % 67, su akısı ise 17 LMH olarak bulunmuştur.

Özet (Çeviri)

An increasing scarcity in fresh water sources has driven the search for different alternative resources such as ocean water. 97 % of the total water sources on earth is seawater while only 0.5 % is potable, fresh water. Accordingly, desalination of seawater and saline aquifers has become the most promising and significant method for water purification. Membranes came out as an applicable water and wastewater treatment method in the 1960s with the development of high performance synthetic membranes. Since then, more advanced membranes have been produced from new materials and employed in various configurations. In the 1970s, membranes are started to be used for water desalination. After successful production of purified water from salt water, membranes become an applicable alternative to evaporation based technologies. Purified water standards have become stiffer over time and encouraged the use of membrane technology. Membrane known as a selective barrier between two phases should be always associated with its application. Membrane processes are recognized as a great option for water and wastewater treatment to remove solids, viruses, bacteria and other unwanted molecules effectively. Besides water and wastewater treatment, membrane processes are largely used now in the textile, pulp and paper, pharmaceutical, semi-conductor, mining, electroplating, dairy, food and beverage processing, and biotechnology industries. Polymeric membranes are the most widely used membrane type for water treatment due to its evidential pore forming mechanism, higher flexibility, smaller required area for installation, and lower cost contrary to inorganic membranes. However, there is an inherent trade-off between permeability and selectivity, and fouling is a major problem despite its widespread use. Therefore, efforts to produce membranes with high permeability and rejection and high antifouling property continues so that membranes are applicable in terms of energy efficiency and cost effectiveness. The polymeric membranes are classified as isotropic and anisotropic in accordance with membrane morphologies. Isotropic membranes having a uniform composition structure throughout the membrane cross section, which can be nonporous dense, microporous or electrically charged, while anisotropic membranes consist of asymmetric membranes, composite membranes and supported liquid membranes. Separation mechanism in porous membranes is based on sieving, straining, or size exclusion. On the other hand, nonporous (dense) membranes separate molecules depending on the differences in solubility or diffusivity between the solvent and the solute in the membranes. Nitto Denko Corp., Koch, Toray Industries, GE Osmonics, Dow/FILMTEC are the best-known membrane manufacturers today. In water and wastewater treatment, pressure driven membrane processes which are classified as microfiltration (MF), ultrafiltration (UF), nanofiltration (NF) and reverse osmosis (RO) are employed. Microfiltration membranes have the largest pore size and typically reject large particles and various microorganisms like colloids, suspensions, microorganisms and emulsions. Ultrafiltration membranes are commonly utilized to eliminate emulsified oils, emulsions, dispersed material, suspended solids, and other large molecular weight materials in the particle size range of about 0.01-0.1 µm, and NF membranes are primarily used for hardness removal, pesticide elimination and color reduction in water treatment while seawater and brackish water desalination is the common application of RO. The required applied pressure increases from microfiltration to reverse osmosis as the pore sizes of the membrane gets smaller due to the increase of the mass transfer resistance of the membrane. Cellulose acetate and polyamide derivatives are most widely used materials in RO and NF membranes. The existence of calcium (Ca) and/or magnesium (Mg) and some other metal cations in water causes water hardness and it leads to several problems in household or industrial water supply systems such as formation of lime-scale, fouling of plumbing and stimulation of galvanic corrosion. Also, it causes membrane scaling which is one of the significant problems in seawater desalination. Hard water reduces the effectiveness of almost all cleaning tasks because of the reaction of calcium and magnesium ions in water with heat, metallic compounds of plumbing and chemical agents like detergents. Water softening is a process to remove water hardness from raw water stream, crucial for domestic and industrial water supply and brackish water and seawater desalination systems. Lime-soda ash treatment and use of ion exchange resins are conventional water softening methods that are still in use. However, membrane softening with nanofiltration technology become a promising alternative to conventional methods in terms of effectiveness and operating costs, primarily for the effective removal of hardness from raw water. NF exhibits performance between RO and UF membranes and it aims to remove divalent and multivalent ions. They are unable to completely separate monovalent ions such as sodium and chloride. Most commercial NF membranes are thin film composite (TFC) flat sheet membranes. Thin film composite NF membranes consist of crosslinked polyamide layer generally with negatively charged chemical groups formed on a substrate. Polysulfone (PSf), polyethersulfone (PES), polyvinyledene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile (PAN), and polyether ether ketone (PEEK) are commonly used substrate materials for thin film composite membranes. Thin film composite membranes are fabricated via plasma initiated polymerization, photo-initiated polymerization, photo-grafting, electron beam irradiations, dip-coating, and interfacial polymerization (IP). Interfacial polymerization is the mostly used method for preparation of composite polyamide membranes. In this work, thin film composite nanofiltration membranes were successfully prepared via interfacial polymerization of piperazine (PIP) and trimesoyl chloride (TMC) on polysulfone support membranes. Both the polyamide layer and underlying substrate were characterized with respect to chemical and morphological structures. The chemical structure of membrane surface was studied by attenuated total reflectance infrared spectroscopy (ATR-IR) and surface and cross-section morphologies were observed using scanning electron microscopy equipped with field emission gun (FESEM). Surface hydrophilicity of the membranes was characterized by contact angle goniometer. Furthermore, the water flux and salt (MgSO4) rejection rate of the prepared NF composite membranes were measured on a cross-flow filtration apparatus. Parametric studies were conducted by varying interfacial polymerization parameters such as reaction time and monomer concentration in organic phase and effect of acid acceptor addition in PIP solution was investigated in order to optimize the polymerization conditions. It was shown that addition of acid acceptor to aqueous PIP solution was necessary for the successful formation of TFC membrane. Decreasing the TMC concentration from 0.15 % to 0.1 % and decreasing reaction time from 60 seconds to 20 seconds resulted in less cross-linked PA layer on PSf substrate. In addition, increasing reaction time from 60 seconds to 120 seconds lead to increased cross-linking density of the PA layer resulting in improved separation performance. However, the best MgSO4 rejection rate and water flux obtained were only 67 % and 17 LMH, respectively. More work is needed to improve these values

Benzer Tezler

  1. Tez No

    639400

    An investigation of the effect of diamine type on the structure and water softening performance of polyamide nanofiltration membranes

    Diamin tipinin poliamid nanofiltrasyon membranlarının yapı ve performansı üzerine etkisinin incelenmesi

    GİZEM DENİZKUŞU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞERİFE BİRGÜL ERSOLMAZ

    DR. SİMGE TARKUÇ

  2. Tez No

    784383

    Preparation and characterization of aliphatic cyclopolymer derived membranes for water treatment

    Su arıtımı için alifatik siklopolimer türevli membranların hazırlanması ve karakterizasyonu

    NİHAN BİRGÜN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Polimer Bilim ve TeknolojisiSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SERKAN ÜNAL

    DR. SELDA ERKOÇ İLTER

  3. Tez No

    492573

    Development of nanofiltration membranes through surface modification of polysulfone based ultrafiltration membranes

    Polisülfon bazlı ultrafiltrasyon membranlarından yüzey modifikasyonu ile nanofiltrasyon membranlarının geliştirilmesi

    CANBİKE BAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SACİDE ALSOY ALTINKAYA

  4. Tez No

    887683

    Fabrication of thin film nanocomposite membranes using metal organic frameworks, experimental performances and economical analysis on desalination and dye removal

    Metal organik çerçeveler kullanılarak ince film nanokompozit membranların üretimi, desalinasyon ve boya gideriminde deneysel performansı ve ekonomik analizi

    HAMZA BAKAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET EMİN PAŞAOĞLU

  5. Tez No

    557682

    Reinforced hollow fiber nanofiltration membrane production for the removal of natural organic matter

    Güçlendirilmiş ince boşluklu nanofiltrasyon membran üretimi ve yüzeysel sulardan doğal organik madde giderimi

    TÜRKER TÜRKEN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU

Geri Dön