Fabrication of hollow fiber nanofiltration membranes: role of nanocomposites in membrane performance
İnce boşluklu (Hollow fiber) nanofiltrasyon membranlarının üretimi: membran performansında nanokompozitlerin rolü
- Tez No: 557597
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 148
Özet
Çevre ve sağlığın önemi, insan yaşamı için çok önemli olduğundan birbirinden ayrılamazlar. Ve bu konular ile ilgili yaşanan sorunlar insan yaşamını olumsuz etkilemektedir. Bu nedenle, çevre sorunları çevre dostu ve düşük maliyetli arıtma yöntemleri ile çözülmelidir. İçme suyu arıtımında membran teknolojileri kullanımı; artan yasal standartlar ve azalan su kaynakları ile birlikte günden güne artmaktadır. Konvansiyonel sistemlere göre çevre ile uyumlu ve yüksek çıkış suyu kalitesi avantajları nedeniyle tercih edilen membranların ise en önemli dezavantajı ise tıkanmadır. Tıkanma ile birlikte kullanım süresi azalmakta, işletme ve enerji maliyetini arttırmaktadır. Bu nedenle yapılan araştırmalar tıkanma problemini çözmeye, yüksek akı ve seçiciliğe sahip membranlar geliştirmeye yönelmiştir. Son zamanlarda nanoteknolojinin gelişmesiyle birlikte nanokompozit konsepti ile membranların üretilmesi yaygınlaşmıştır. Karbon nanatüp, titanyum, silika, gümüş gibi farklı nanoparçacık kullanımıyla birlikte yüksek su geçirgenliğine ve seçiciliğine sahip, daha düşük kirlenme özelliklerinde, ve yüksek mekanik dayanıma sahip membranların üretiminde gelişmeler yaşanmıştır. Su kalitesinin iyileştirilmesinde ileri arıtma yöntemi olarak membran sistemlerin kullanımı son yıllarda yaygınlaşmıştır. Tuzluluk gidermede iyon değiştirme ve buharlaştırma gibi geleneksel yöntemlerin yerine membran sistemlerin kullanımı verimi ve etkinliği ile ön plana çıkmıştır. Basınç sürücülü olarak çalıstırılan nanofiltrasyon ve ters osmoz membran prosesleri tuz uzaklaştırmada yaygın olarak kullanılan sistemlerdir. Nanofiltrasyon (NF) membranları küçük gözeneklere sahip olması yanısıra ters osmoz (TO) ile ultrafiltrasyon (UF) prosesleri arasında kalan ayrılma karakteristiklerine sahiptir. NF membranları 200 Da'dan büyük molekül ağırlıklı molekülleri tutabilir, bu sebeple de yüksek kalitede çıkış suyu elde edilir. NF membranları, ters osmoz membranlarına göre daha düşük giderim verimine sahiptir. Fakat tek değerlikli iyonlar ve solventler için yüksek geçirgenlik elde edilir. Bu sebeplerden dolayı NF membranlarında yüksek seçicilik, yüksek solvent geçirgenliği ve düşük enerji tüketimi sağlanır. NF membranları sertlik gidermede, içme suyu arıtımında, evsel ve endüstriyel atıksu ıslahında, kimyasal ve ilaç endüstrisinde ayırma amaçlı durumlarda sıklıkla kullanılır. NF membranlarını üretmek için sıklıkla kullanılan yöntem ise ara yüzey polimerizasyonudur. Hali hazırda üretilen NF membranları genel olarak düz plaka veya spiral sargılı şekildedir. Hollow fiberla yapılmış çalışmalar çok fazla olmasa da hollow fiber NF membranları, düz plaka membranlardan daha fazla yüzey alanına sahip oluşu, boşluk yapıcılara ihtiyaç duymaması, ön arıtma ve bakım gerektirmemesi bağlamında daha avantajlıdır. Bu tez TÜBİTAK destekli“Nanokompozit İçi Boşluklu (Hollow) Fiber (HF) Nanofiltrasyon (NF) Membranlarının Üretimi ve İçme Suyu Arıtımı İçin Uygulanması”isimli 1003 projesinin alt iş paketi olarak tasarlanmıştır. Çalışmalar oldukça kapsamlı olarak gerçekleştirilmiştir. Membranların performanslarının arttırılması için nanopartikül gibi eklentilerin yanı sıra mekanik özelliklerinin geliştirilmesi içinde destek tabakaları kullanılmaktadır. Proje kapsamında iki farklı (katkılı ve katkısız) ultrafiltrasyon seviyesinde içi boşluklu fiber membran üretilip, optimize edilmiştir. Daha sonra ultrafiltrasyon seviyesindeki membranlar kullanılarak arayüzey polimerizasyon metoduyla nanofiltrasyon membranları üretilmiştir. Tez kapsamında UF destek tabakası üretimleri verilmemistir. Sadece optimize edilen membranlar kullanılmıştır. Tez çalışmasında, ilk olarak detaylı bir literatür taraması yapılmıştır. Nanofiltrasyon membranlarının seçici tabaka üretiminde kullanılan ince film kompozit/nanokompozit metotu ve destek tabakası üretiminde kullanılan faz inversiyonu metotu detaylı ve kapsamlı olarak açıklanmıştır. Faz inversiyonu yöntemi ve arayüzey polimerizasyon yöntemi ile üretilen HF NF membranlarının saf su akıları, tuz giderim verimleri ve uygulama alanları detaylı olarak verilmiştir. Nanofiltrasyon membran üretiminde arayüzey polimerizasyon metodu kullanılmıştır. Polimerik ve nanokompozit olarak 2 farklı Ultrafiltrasyon (UF) destek tabakası kullanılmıştır. İkinci çalışmada, polimerik destek tabakası, üçüncü çalışmada ise nanokompozit destek tabakası kullanılarak yapılan çalışma sonuçları verilmiştir. Polimerik ve nanokompozit UF destek tabakası faz inversiyon metotuyla üretilmiştir. Ultrafiltrasyon membranlarının optimizasyon çalışmaları yapıldıktan sonra optimum membran 45°C'de, 360 kDa moleküler ağırlıklı PVP kullanılan ve 0 cm hava boşluğu şartlarında üretilen membran olarak bulunmuştur. Nanokompozit ve polimerik içi boşluklu fiber membranları proje kapsamında üretilmiş olup, üretim optimizasyonları tez kapsamında verilmemiştir. Tez kapsamında kullanılan nanokompozit destek tabakasında % 0.01 konsantrasyonunda çok duvarlı karbon nanotüp kullanılmıştır. Iki farklı destek tabakası kullanılarak yüzeyine arayüzey polimerizasyon metoduyla seçici tabaka olan Poliamid (PA) tabakası üretilmiştir. PA tabakası %0, % 0.01, %0.05 ve % 0.2 konsantrasyonlarında titanyum dioksit (TiO2) eklentisi yapılarak toplamda 8 adet membran üretilmiştir. Üretilen tüm membranların geçirgenlik, yüzey morfolojisi, yüzey yükü, çift ve tek değerlikli tuz giderimi ve organik madde giderimi testleri yapılmıştır. Ayrıca nanokompozit katkılı destek tabakası kullanılarak üretilen NF membranların elektro impedans ölçümleri yapılmıştır. Tez kapsamında organik madde ve tuz içeren yüzey sularının arıtılmasında üretilen membranların laboratuvar ve pilot ölçekte performanslarının değerlendirilmesi yapılmıştır Yapılan karakterizasyon ve performans testleri sonucunda en iyi performansı polimerik destek tabakası üzerine yapılan kontrol ve % 0.01 TiO2 konsantrasyonundaki membranlarda elde edilmiş olup bu iki membran pilot ölçekte üretilip performans testleri yapılmıştır. Pilot ölçek çalışmalarında nanokompozit katkılı NF membranı, kontrol membranından 2 kat daha fazla akı elde edilmiştir. Ve uzun süreli işletmede kirlenmeye karşı daha dirençli olduğu görülmüştür. Aynı zamanda üretilen tüm nanokompozit katkılı NF membranlarının organik madde filtrasyonunda zamana bağlı olarak akılarda düşüşü TiO2 konsantrasyon artışı ile azalmıştır. Tez kapsamında yapılan diğer deneysel çalışmada nanoparçacık eklentisinin Poliamid (PA) yani seçici tabakadaki morfoloji ve performans etkisini daha net gözlemlemek amacıyla poliamid polimeri sentezlenmiştir. Sentezlenen polimer ile faz inversiyonu metotuyla 4 farklı konsantrasyonda aynı boyutlarda titanyum dioksit (TiO2) (10-20 nm) ve silika (SiO2) (15 nm) eklentisiyle 9 farklı membran üretilmiştir. Ve bu membranların performansları geçirgenlik, çift - tek değerlikli tuz giderimi ve organik madde giderimi testleri ile ölçülmüştür. Yüzey karakterizasyonları ise SEM, yüzey yükü ve temas açısı kullanılarak yapılmıştır. Akı kontrol membranına göre; silika eklentisiyle 3.2 kat, titanyum eklentisiyle ise 1.3 kat artış göstermiştir. Organik madde testlerinde titanyum eklentisi olan membranlarda tıkanma neredeyse hiç gözlemlenmemiştir. Saf su geçirgenliği, seçicilik ve tıkanmaya karşı direnç parametreleri kıyaslandığında en iyi entegrasyonu sağlayan titanyum eklentisi olmuştur.
Özet (Çeviri)
The importance of environment and health is inseparable for human life. The problems related with these two issues will negatively affect human life. Therefore, environmental problems should be solved with environmentally friendly and cost-efficient methods. The use of membrane technology in the drinking water treatment; increasing day by day with increasing legal standards and decreasing water resources. According to the conventional systems, membranes have very critical advantages which are compatible with the environment and preferred because of the high effluent water quality. The most important disadvantage of the membranes is the fouling. It decreases the usage time and increases the cost of operation and energy. For this reason, researches have aimed to solve the fouling problem and to develop membranes with high flux and selectivity. Recently, with the development of nanotechnology, nanocomposite concept has produced improvements in the fabrication of membranes with high permeability and selectivity, low pollution characteristics, and high mechanical strength with the use of different nanoparticles such as carbon nanotubes, titanium, silica and silver. The research presented in this thesis aims to conduct a very comphrehensive study on the development of hollow fiber nanofiltration membranes with added TiO2 to selective layer and to understand how TiO2 and SiO2 addition affects on the polyamide structure. In the thesis study, a detailed literature review was done first. Thin-film composite / nanocomposite and phase inversion methods used in hollow fiber nanofiltration fabrication are explained in detail and comprehensively. In nanofiltration membrane, 2 different support layers were used as polymeric and nanocomposite. In the second study, the results of the study using the nanocomposite support layer were given. And using these different support layers, 8 different membranes were fabricated by adding different concentrations of titanium dioxide (TiO2) to the polyamide (PA) layer which is the selective layer by the interface polymerization method. Support layer were fabricated within the scope of the TUBITAK project and production optimizations were not included in the thesis. Permeability, surface morphology, surface charge, mono- and di-valent salt removal and organic matter removal tests were performed for all membranes fabricated. As a result of the characterization and performance tests performed, the best performance was obtained on the polymeric support layer and the membranes at a concentration of 0.01% TiO2 and, these two membranes were fabricated on pilot scale and performance tests were performed. In the pilot scale studies, it was observed that the nanocomposite added membrane had 2 times more flux and more resistance to contamination than the control membrane. In order to observe the morphology and performance effects of the nanoparticle addition on the polyamide (PA) ie selective layer, polyamide polymer was fabricated and 9 different membranes were produced with different concentrations of titanium dioxide (TiO2) (10-20 nm) and silica (SiO2) (15nm) at the same dimensions. Permeability, surface morphology, surface charge, double and monovalent salt removal and organic matter removal tests were carried out. While the flux was increased 3.2 times and by 1.3 times with the silica and the titanium addition, respectively. The fouling in the membranes with the titanium addition was hardly observed. With the titanium addition, pure water permeability, selectivity and resistance parameters against fouling has provided the best integration.
Benzer Tezler
- 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
- 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
- Fabrication of polyethersulfone hollow fibers for ultrafiltration
Ultrafiltrasyon için polietersülfon kovuklu elyaf üretimi
GÜLÇİN KALTALI
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. PINAR ZEYNEP ÇULFAZ EMECEN
PROF. DR. HALİL KALIPÇILAR
- Fabrication and characterization of hollow fiber membrane with bisbal additive: Membrane bioreactor (MBR) application
Bısbal ilaveli hollow fiber membran üretimi ve karakterizasyonu: Membran biyoreaktör (MBR) uygulaması
FATMA NUR ŞEYMA YAVUZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Fabrication of helical polymeric hollow fiber membranes and characterization of their fouling behaviours
Kıvrımlı kovuklu polimerik elyaf üretimi ve kirlenme davranışlarının incelenmesi
HAZAL YÜCEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ PINAR ZEYNEP ÇULFAZ EMECEN