Geri Dön

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

PDF İndir

  1. Tez No: 510047
  2. Yazar: RAED M S ELKHALDI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 176

Özet

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 (TÜBİTAK) tarafından desteklenen“Yeni Nesil İleri Osmoz (İO) ve Düşük Basınçlı Ters Osmoz (TO) 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 mukavemete 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 çağlı poliviniliden florür (PVDF) nano parçacıkları, nanofiber membranların mekanik mukavemetini ve yapısal 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 (PVDF-c-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 mukavemeti ve Young modülüne göre membranların mekanik özelliklerinde iyi bir gelişme kaydedildiği görülmüştür. PAN ile karşılaştırıldığında, PVDF-c-PAN membranlarındaki Young modül ve gerilme mukavemetinin 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 mukavemeti 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 içinyüksek performanslı ileri osmoz ince kompozit film membranlarının (FO-TFC) üretimi amaçlanmıştır. İki farklı monomer (m-Fenilendiamin (MPD) ve 1,3,5-trimesoylchloride (TMC)) 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 (sPSf) 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 (Jw / Js) 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 2M 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 MgSO4 çözeltisi kullanıldığında 10.3/45.6 LMH ve % 1.1 NaCl kulllanıldığında 8/54 v LMH su akısı sağlamıştır. SPSF ince film kompozit membranın yapısal parametresinin (S) literatürde görülen en düşük değerlerden biri olan 125 µm olduğu tahmin edilmektedir.

Özet (Çeviri)

With extreme population growth, industry expansion, prolonged droughts, climate change, declining of both quality and quantity of conventional water resources due to overuse, pollution, or salinization, scientists found their selves in front of the huge challenges to develop new emerging technologies that can comply with these needs. Seawater desalination played the crucial role in providing water supply during the last 4 decades. Dominate initially with thermal based technology, sea water desalination is mainly membrane based technology nowadays, thanks to developing unique membrane fabrication techniques and processes with continuously decline and affordable prices. This thesis is a part of the Project entitled fabrication of innovative Forward Osmosis (FO) and low pressure Reverse Osmosis (RO) membranes and module development for Production of drinking water which supported by THE SCIENTIFIC AND TECHNOLOGICAL RESEARCH COUNCIL OF TURKEY (TÜBİTAK). The Project aims to the production of economic, new generation and low-pressure desalination membranes and membrane systems which enable drinking water production from seawater as a novel membrane technology. The thesis scope goes in line with the project goal. It is on one hand targeted the fabrication and characterization of high performance FO membrane that would enjoy high water permeation, low salt passage, reasonable mechanical strength, and low fouling propensity. On the other hand, its encompass the application of the developed FO membrane for some real-life applications, and in particular regard for seawater desalination. This thesis starts with an introduction that included general background, the importance of the thesis, and the thesis purpose, scope, unique aspects, impacts, and organization. Two main topics are highlighted in the literature review, which are forward osmosis process and electrospinning technique. The forward osmosis theory, forward osmosis membrane, membrane characteristic parameters, membrane orientation, forward osmosis applications, and draw solutions are presented in the forward osmosis process section where using electrospun nanofiber membrane in the different applications defined in the electrospinning technique section. Chapter three was a preliminary work on electrospinning based membrane fabrication, characterization and trail to enhance its mechanical stability. In this chapter, polyacrylonitrile (PAN) was utilized to synthesize electrospun nanofiber membranes on the top of a non-woven fabric. To increase the structural integrity and mechanical stability of the as-spun yarns web, 300 nm Polyvinylidene fluoride (PVDF) small particles were incorporated in the electrospun nano fiber web. PVDF solutions with various concentrations were prepared. Nanofiber webs flooded by and then immersed in the solutions to integrate the PVDF in its matrix. Finally, the membrane exposed to heat treatment for a certain period at about one hundred seventy grades centigrade, to fuse the PVDF particles. The fused particles function as a cement material that would join the fiber junctions and result in better membrane mechanical stability. Characterization was done to evaluate the membrane surface morphology, filtration efficiency, and mechanical stability. In particular regards, the impact of PVDF concentrations and submersion time on the membrane mechanical properties and filtration efficiency was evaluated. Results revealed enhancement of the membrane mechanical characteristics in terms of Young's modulus and tensile strength. In the PVDF-treated membranes, Young's modulus and tensile strength enhanced by approximately 6.6 and 20 folds, respectively, in comparison to as-spun membrane. While, the strain ratio reduced by 5.47 folds. Over the tested membranes, a permeability reduction of 12.7 to 31.7% registered PVDF treated membranes. The best membrane improvements can be obtained using 0.01% PVDF solution concentration for one second submersion time. The tensile strength and Young's modulus achieved by it were 126 MPa and 7.08 MPa respectively. Comparing to two different studies used other techniques to improve the membrane stability; this technique is less complex, applicable, and cost-time saving. Work in chapter four targeted fabrication of high performance Forward Osmosis Thin Film Composite (FO-TFC) Nanofibers based substrate membrane for potential application of saline water desalination. TFC polyamide top separation film was formed on the support layer of the by interfacial polymerization reaction between two different monomers (m-Phenylenediamine (MPD) and 1,3,5-trimesoylchloride (TMC)). Sulfonated polysulfone (sPSf) with definite sulfonation level was used to fabricate support layer. Tubular bedless fiber network owning scaffold-like structure with a fiber diameter of 247nm was formed. Polysulfone was sulfonated by heterogenous method using chlorosulfonic acid as a sulfonation agent. Characterization of both substrate and TFC separation layers have been done by means of SEM, water permeation flux, porometry, contact angle, FTIR as well as other tests. While the characterization of TFC separation layer restricted to SEM and FTIR. The characterization illustrates that the sPSf support layer is highly porous with a narrow pore size distribution. FO Performance evaluation of two commercial and newly developed membranes was probed using FO and PRO modes with co-current and counter-current flow scheme. The active layer presents excellent intrinsic properties with A/B of 17.31 and a high salt separation ratio of 99.54%. The newly developed membrane can achieve a high FO and PRO water flux of 65.7 and 313 LMH respectively, using a 1 M NaCl draw solution and DIO water feed solution. The corresponding salt flux is only 2.5 and 5.3 gMH. The reverse flux selectivity represented by the ratio of water flux to reverse salt flux (Jw/ Js) was able to be kept as high as 26.3 and 58.8 L/g for FO and PRO modes. To the best of our knowledge, the performance of the current work developed membrane is superior to all FO membranes previously reported in the literature. Performance evaluation of TFC –FO nanofibers based substrates membrane against synthetic/model and real seawater was investigated in chapter 5 as a real life application. Desalination of seawater performed using 2M NaCl as a draw solution. Performance data showed that the newly fabricated FO-TFC membrane have a water flux of 15.1 and 49.4 in both Co-current FO and Co-current PRO respectively when real seawater used as a feed solution. Two different synthetic/model seawater solution (NaCL and MgSO4), have a salt concentration equal to that of the real seawater sample, were prepared to characterize the performance of the fabricated membrane against them under the same operating conditions. The membrane also achieved a water flux of ̴ 8/54 LMH against 1.1% synthetic/model NaCl and 10.3/45.6 LMH against a synthetic/model 1.1% MgSO4 solution using 2 M NaCl solution as the draw solution under both forward osmosis (FO) and pressure retarded osmosis (PRO) modes, respectively. The structural parameter (S) of the sPSf thin-film-composite membrane estimated to be 125 µm Which consider one of the smallest values ever reported in the literature.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    323824

    Synthesis of 3,5-bis(perfluorobenzyloxy)benzyl acrylate containing polymers

    3,5-bis(perflorobenziloksi)benzil akrilat içeren polimerlerin sentezi

    TUBA ÇAKIR ÇANAK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İ. ERSİN SERHATLI

  2. Tez No

    642055

    Synthesis and characterization of highly branched, functional poly(arylene ether sulfone)s for water purification membranes

    Su arıtma membranları için yüksek dallanmış, fonksiyonel poli(arilen eter sülfon)ların sentezi ve karakterizasyonu

    EMİNE BİLLUR SEVİNİŞ ÖZBULUT

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    KimyaSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SERKAN ÜNAL

    PROF. DR. YUSUF ZİYA MENCELOĞLU

  3. Tez No

    355662

    PVA/kopolimer-g-PLA/organik kil/AgNO3 nanokompozitlerinin ve nanoliflerinin sentezi, karakterizasyonu ve antibakteriyel özellikleri

    Synthesis, characterization and antibacterial acti̇vi̇ti̇es of PVA/copolymer-g-PLA/organoclay/AgNO3 nanocomposites and nanofibers

    NİLUFER NAGİZADE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    BiyomühendislikHacettepe Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZAKİR RZAYEV

  4. Tez No

    387355

    Biobased/biodegradable/compostable/antibacterial polymeric mulching and food packaging films

    Biyoesaslı/biyobozunur/kompost edilebilir/antibakteriyal polimerik tarımsal örtü ve gıda ambalaj filmleri

    KOUROUSH SALİMİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    KimyaHacettepe Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERHAN BİŞKİN

  5. Tez No

    630846

    Synthesis and characterization of novel organometallic-semiconductor nanocomposit photoelectrodes

    Yeni organometalik-yarı iletken nanokompozit fotoelektrotların sentezi ve karakterizasyonu

    EMRE YUSUF GÖL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Kimyaİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Kimya Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ENGİN KARABUDAK

Geri Dön