Geri Dön

Polyamide synthesis for reverse osmosis membrane and substrate optimization

Reverse osmosiz membranlar için polyamid ince film sentezi ve destek yüzey optimizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 854815
  2. Yazar: BÜŞRA ARSLAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. LEVENT TRABZON, DR. ÖĞR. ÜYESİ ÇİĞDEM TAŞDELEN YÜCEDAĞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 83

Özet

Büyüyen popülasyon, küresel ısınma ve artan endüstriyelleşme ile birlikte temiz su ihtiyacımız da artmaktadır. Bunun için su arıtma sistemleri ile endüstride kullanılan atık suların, kanalizasyon suları vs arıtıldığı gibi deniz suyu da arıtılarak içme suyuna dönüştürülebilir. Bir cok çeşit su arıtma sistemleri vardır. Nanofiltrasyon, mikrofiltrasyon, düz ozmoz membranlar, elektrodiyaliz ve ters ozmoz membralar bunlardan bazılarıdır. Ters ozmoz membranlar dünyada kullanılan su arıtma sistemlerinin %60'ini oluşturmaktadır. Polimerik membranlar su arıtma sistemlerinde aktif rol oynarlar. Ters ozmoz membranlar yaklasik 60 ile 100 bar arasında değişen yüksek basınçta çalışma aralığına sahiptir. Kullanilan basınç aralığının düşürülmesi tüketilecek enerji miktarını da düşürme eğiliminde olacaktır. Bu durum maliyeti düşürür. Ters osmosis prosesinde, besleme suyunda çözünmüş bileşenleri ayıran ancak suyun içinden akmasını sağlayan membranların kullanılarak suyu tuzdan arındırmak için basınç tahrikli prosedür olarak kabul edilir. Ters Ozmoziz membrane prosesinde su, çözelti-difüzyon mekanizmasıyla bir zar vasıtasıyla geçerken, çözünen maddeler kendi boyutu ve zar yüzeyinin çözünmüş iyonlarda elektrostatik etkileşimleri ile tutulur. Zardan geçen su akısı ve tuz reddi miktarı enerji tüketimi ile beraber iyileştirilmesi gereken iki önemli faktördür. Araştırmalarda su akısı ile tuz reddi arasında bir ters orantı genel olarak gözlenmiştir. Su akısı artması suyun membrane hızlı bir biçimde geçmesine sebep olur. Bu durum suyun içindeki tuz iyonlarının reddini negatif etkiler. İki parametrede optimum değerlere ulaşmak oldukça önemli bir noktadır. Ters ozmoz membranın fiziksel ve kimyasal yapısı tüketilen enerjiyi, su akısını ve tuz reddini doğrudan etkiler. Polimerik ters ozmoz membranlar üç katmandan oluşur. Polyamide ile oluşturulup üst kısımda seçici ultra ince deri polimer tabakası, ana ayırma işlemini yapar. Polysulfondan yapılan orta katman gözeneklidir ve su akışının yolunu kanalize eder. Alt tabaka dokunmamış olup, genellikle PET'den yapılmış olur ve mekanik dayanımı arttırır. Polyamide ince tabaka optimize edilmesi gereken en önemli tabakadır. Polyamide ince tabakanın kalınlığı su akısını negative etkiler. Bunun ile birlikte aromatik polyamide sentezi sırasında amin gruplarını sağlayan MPD monomeri konsantrasyonu artması ile tuz reddi iyileştirilebilir. MPD monomeri oranı artması ile polyamide katmanın kalınlığı değişecektir. Bu ve bir çok sebepten polyamide sentezi optimizasyonu önem arz eder. Polysülfon destekleyici katman elektro eğirme, üflemeli eğirme ve elektrikli üflemeli eğirme ile yapılabilir. Bu yöntemlerle yapılan destekleyici katmanın por oranı çok yüksek olur. Nanolif katmanlarının kullanılması su için daha geniş yollar sağlar. Böylece daha düşük basınçta daha yüksek akı sağlanır. Bu ters osmozda enerji tüketimini azaltacaktır. Phase inversion yöntemi ile yapılan destekleyici tabakalar por oranı düşük olmak ile birlikte por büyüklüğü diğerlerine görece küçüktür. Phase inversion metodunun avantajı ise endüstriyel üretime daha uygun olmasıdır. Elektro-üfleme eğirme yöntemi ile nanolif üretiminin seçilmesinin lif optimizasyonu işleminin görece daha kolay olması ve seri üretimde de verimli olması terhis sebepleri arasındadır. Elektro-üfleme eğirme ile lif oluşturmak için belirli parametrelere dikkat edilmesi gerekmektedir. Sistem parametreleri, çözelti parametreleri ve çevre parametreleri olmak üzere üç ana faktöre ayrılmaktadır. Sistem parametreleri kapsamında; hava basıncı, besleme hızı ve voltaj değeri optimize edildi. Çözelti parametreleri kapsamında polimerin oranı ilk optimize edildi. Bu süreçte system parametreleri optimize edilmesi ve çözeltinin polimer oranı optimize edilmesi eş zamanlı olarak yapıldı. Sistem parametreleri optimizasyonu tamamlandı ve çözelti optimizasyonuna devam edildi. Başlangıçta DMF çözücü olarak kullanılsa da çözelti optimizasyonu sırasında NMP ve DMF birlikte kullanıldı. NMP ve DMF farklı oranlarda denendi. Polimerin çözünmesine katkı sağladığı kanıtlandı. DMF ve NMP'nin birbirinden farklı kaynama noktalarına sahip olması optimizasyon sırasında NMP kullanılması ikinci avantaj olarak üretime yansıdı. NMP ve DMF oranları değiştirilerek lif oluşumu için optimum kaynama noktası elde edildi. Ortam parametreleri kapsamında nem ve sıcaklık göz önünde bulunduruldu. Ortamın nem oranı lif oluşumu için kurutucu ile dengelendi. Yazın elde edilen sonuçlar kışın farklı ortam koşullarında denendi. Ortam parametrelerini değiştirmesi sebebi ile mevsim lif oluşumunu negative etkileyen bir faktör olsa da çözücü optimizasyonu sayesinde farklı koşullarda da optimum lif atımı elde edildi. Destek katmanın nanolif karakterizasonu SEM görüntü analizi ile yapıldı. Droplet (yüzey üzerinde lif oluşturmamış yuvarlak polimer parçaları) ve lif çapları ImageJ bilgisayar program ile SEM görüntüleri kullanılarak analiz edildi. Droplet çap dağılım grafikleri origin ve excel ile çıkarıldı. Bu dağılımların sonucu ile lif optimizasyonları yapıldı. Elektro-üfleme eğilme parametrelerinin lif çapı dağılımına olan etkileri analiz edildi. Basın. 3 bar dan 4 bara çıktığında lif çapı ortalamasının düştüğü gözlemlendi. Basınç değeri 3.5 bar olduğunda bu orantının bozulduğu gözlemlendi. Besleme hızı azaldıkça ortalama lif çapının azaldığı gözlenmiştir. NMP ve DMF uygun oranda kullanıldığında dropletlerden arınmış bir yüzey elde edildiği gözlemlendi. SEM görüntüleri analizleri dışında lif yapılarının basitçe ve gözle analiz edilebilmesi için yeşil renkli meşler üzerinde lif üretimleri yapıldı. NMP oranı arttıkça çözücünün ıslak attığı, DMF oranının arttıkça is polimerin kuru attığı yani dropletlerin arttığı gözlemlendi. NMP'nin kaynama noktasının DMF'e oranla daha yüksek olması ile NMP oranı arttıkça çözelti buharlaşması zorlandı. DMF oranı arttıkça çözelti lif oluşumundan önce buharlaştı. Erken buharlaşan çözücü polimerin iğne ucunu kısa süreli tıkaması ve droplet sayısının artışı olarak sonuçlandı. Basıncın buharlaşmaya olan etkisi incelendi. Optimum solüsyon parametreleri besleme hızı ve voltaja rağmen 2 bar uyulandığında solüsyonun içerisindeki solvent buharlaşmadı. Por çapları optimize edilmesi için üretimin yarı zamanlı yön değişimi sağlandı. Böylece liflerin konumu birbirine daha çok yaklaştırıldı. Por çapı optimizasyonu için yapılan iki uygulama ise üretim süresinin optimize edilmesi ve sıcak basınç uygulama işlemidir. Sıcak basınç uygulaması sadece por çapına pozitif etkisi yoktur. Por çapı optimizasyonu dışında; elektro-üfleme eğirme yöntemi ile üretilen nanolif altlıkların mekanik dayanımı arttırılması için de sıcak basınç uygulaması yapıldı. Sıcak basınç uygulama işlemi sırasında yüzey porları liflerin genişleyip yan yana gelmeleri ile küçültür. Sıcaklık ve basıncın etkisi ile liflerin dayanımı artar. Sıcak press ile mekanik dayanımı yapılan nanolif destek katmanın yüzey hidrofilikliğinde iyileşme gözlendi. Por büyüklüğü analizi için SEM analizi alınmış destek yüzeyleri ImageJ programı ile analiz edilmiştir. Por yapıları üç boyutlu olduğu için porları temsilen lifler arasında kalan boşluklar ölçülmüş; tek bir boşluk için ölçüm farklı noktalardan ölçüm alınmış ve bir boşluk büyüklüğü için ölçümlerin ortalaması alınmıştır. Yüzeyin SEM görüntüsünde bulunan bütün boşluklar için aynı ölçüm alınmıştır. Yüzey üzerindeki boşluk dağılımları hesaplanmıştır. Bir çok parametre polyamide sentezine etki eder. Bunlar destek yüzeyin parametreleri ve sentez parametreleri olarak iki temel başlığa ayırılıp; bu parametrelerin poliamid sentezine olan etkileri incelendi. Destek yüzeyin parametreleri şunlar olarak belirlendi: yüzey hidrofilikliği, yüzey hidrofobikliği, polimer etkisi, por çapı oranı, porosity yüzdesi. Sentez parametreleri şu şekilde belirlendi: kürlenme süresi, kürlenme sıcaklığı, MPD konsantrasyonu, TMC konsantrasyonu, MPD temas süresi, TMC temas süresi, çözülerin yoğunluğu, çözücülerin sıcaklığı ve MPD ve TMC nin temas sırası. Substrate yüzeyin hidrofilikliği, por çaplarının optimizasonu direkt olarak poliamid ince tabakanın sentezine etki eden parametrelerdir. Boşluklu yapıların fazla olduğu ve sıcak basınç uygulamasının yapılmadığı destek yüzeylerinde poliamid sentezi görülmedi. Sıcak basınç işlemi ortalama boşluk büyüklüğü ve poliamid sentezinin yüzeyi kaplama oranında göre optimize edildi. Optimum sıcak basınç uygulaması ile poliamidin yüzeyi verimli bir şekilde kapladığı SEM görüntüleri ile gözlemlendi. Poliamid sentezi FTIR sonuçları ile doğrulandı.

Özet (Çeviri)

Because of growing population, global warming and increasing industrialisation, our need for clean water is growing. Water treatment systems can be used to treat industrial wastewater, sewage, etc., as well as sea water, and turn it into drinking water. There are many systems for purifying water. Nanofiltration, microfiltration, reverse osmosis, forward osmosis, and electrodialysis are the most common. 60% of the world's water purification systems are RO. In addition, the use of polymer membrane is common. In general, the RO membranes work under the press, which is able to change the pressure from 60 bar up to 100 bar. Reducing energy consumption is the most issue in RO research due to the high pressure. The cost of RO systems can be reduced by reducing the amount of pressure applied. When the amount of pressure applied is reduced, cost effectiveness is achieved. Reverse osmosis is the process by which water is desalinated using membranes that separate the dissolved components in the feed water but allow the water to pass through. In the reverse osmosis membrane process, as water passes through a membrane by the solution-diffusion mechanism, solutes are retained by electrostatic forces in their size and dissolved ions on the membrane surface. Polymeric RO is composed of three layers. The firs layer, a thin film, which is made up of polyamide separates the components like salt ions. The second layer, a porous polysulfone support layer, directs the flow of water. The final layer, a nonwoven PET layer, increases mechanical strength. Polysulfone carrier layers can be produced by electroblowing, electrospinning or solution blowing. The support layer produced by nanofiber production methods generally has a more porous structure. The nanofiber support layer leads to useful way by which the water flux conveniently pass through, contrast to other support layer types. This results in a high water flow and a reduction in the required applied pressure. This situation reduced energy concuption. The supporting layers made by the phase inversion method have a low percentage of the surface voidand the void size on the surface is relatively small compared to the others support layer types made by nanofiber production methods. The advantage of the phase inversion method is that is more suitable for industrial production. The reasons for the selection of nanofiber production by electro-blow spinning method are that the fiber optimization process is relatively easier and it is also efficient in mass production.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    39730

    Membranlarla gaz ayırma

    Gas separation by membranes

    İSMAİL BÜLBÜL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1994

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    DOÇ.DR. BİRGÜL TANTEKİN ERSOLMAZ

  2. Tez No

    510047

    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

    İngilizce

    2018

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU

  3. Tez No

    799826

    Yüksek bor ayırma kapasitesine sahip yeni nesil ince film nanokompozit membranlar

    Novel thin film nanocomposite membranes with high boron removal capacity

    SÜER KÜRKLÜ KOCAOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞERİFE BİRGÜL ERSOLMAZ

  4. Tez No

    444861

    Karbon nanotüp katkılı poliakrilonitril fiberlerin ileri ozmoz membranlarında destek tabakası olarak hazırlanması

    Preaparation of carbon nanotube doped polyacrylonitrile fibers as a support layer for forward osmosis membranes

    ÖZGÜR ÇAKMAKCI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Çevre MühendisliğiSüleyman Demirel Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. EVRİM ÇELİK

  5. Tez No

    442576

    Metal organik kafes yapılar (MOF) ile polimer nanokompozit membranların hazırlanması ve gaz ayırma performansının değerlendirilmesi

    Preperation of metal organic frameworks (MOFs) and polymeric nanocomposite membranes and evaluation of their gas permeability properties

    GÖKÇE PINAR HEKİMOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Kimya MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. SENNUR DENİZ

Geri Dön