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
- Tez No: 887683
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET EMİN PAŞAOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 161
Özet
Türkiye, 2030 yılı projeksiyonlarına göre yüksek su stresi yaşayacak ülkeler kategorisinde yer almaktadır. Yüzey sularının arıtılmaması ve/veya boyalı atık suların deşarjı, katı ve tehlikeli atıklarla insan kaynaklı etkiler nedeniyle bozulması, iklim değişikliği nedeniyle azalması ve yeraltı sularının aşırı kullanımı içme suyu kaynaklarımızı giderek azaltıyor. Dünyadaki suyun %97,5'ini barındıran deniz suyunun tuzdan arındırılarak içme suyuna uygun hale getirilmesi gündemde olan bir konu olarak karşımıza çıkmaktadır. Tuzlu suyun tuzdan arındırılmasında en çok kullanılan yöntemlerden biri membran teknolojileridir. Ancak membranlar kullanılarak tuzdan arındırma tekniğinin fayda-maliyet analizine bakıldığında verimliliği düşüktür. Bu nedenle ekonomik açıdan uygulanabilir ve atıksu standartları açısından yüksek verimli membran modifikasyonlarına yönelik çalışmalar hız kazanmaktadır. Malzeme bilimindeki yenilikler, membranların tuzdan arındırma ve boya gidermede kullanımını ekonomik olarak daha uygun hale getirmektedir. Bu çalışma kapsamında, nanofiltrasyon membranı olarak sınıflandırılan metal organik çerçeveli (MOF) ince film nanokompozit kaplı membranlar, tuzlu ve boyalı su arıtımında tuz, boya giderimi ve akı değişiminin sağlanması amacıyla deniz suyu ve boyalı su ile test edilmiştir. Bu denemelerde hem sentetik boya çözeltisi hem de sentetik deniz suyu kullanılmıştır. Bu çalışmada metal organik çerçeveler ve MOF katkılı ince film kompozit kaplı düz levha membranlar laboratuvar ölçeğinde üretilerek karakterizasyon çalışmaları ve ekonomik analizleri tamamlanmıştır. Ayrıca elektro-eğirme membranlarının üretimi gerçekleştirilmiş olup, elektro-eğirme membranlarının ortam koşullarına bağlı olarak dayanıklılık değişimleri gözlemlenmiştir. Öncelikle ZIF-8 (Zeolitik imidazolat çerçeve-8) ve UiO-66 (Oslo Üniversitesi-66) metal-organik çerçeve (MOF) literatürdeki yöntemlere uygun olarak üretilmiştir. Üretilen bu nanopartiküllerin karakterizasyonu XRD (X-ışını kırınımı), FTIR (Fourier Dönüşümü Kızılötesi), Raman spektroskopisi, Zeta potansiyeli, BET (Brunauer–Emmett–Teller), SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu) ile yapılmış ve sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Destek tabakasında kullanılmak üzere planlanmış ultrafiltrasyon membranlarının üretiminde faz dönüşümü yöntemiyle polimer olarak polisülfon (PSU), çözücü olarak N-Metil-2-pirolidon (NMP) ve gözenek oluşturucu olarak Polivinilpirolidon (PVP K30) kullanılmıştır. Daha sonra MOF türlerinden olan ZIF-8 ve UiO-66 %0,01 nispetinde eklenerek ince film kaplama nanofiltrasyon membranlar elde edilmiştir. Nanofiltrasyon membranlarının üretim yöntemlerinden birisi olan poliamid olarak ince film kaplamanın uygulanması ekseriyetle tercih edilmektedir. Ara yüzeyin polimerizasyonuyla, poliamid tabaka oluşmaktadır. Bu yöntemde esas olarak amin grubundan bir monomer ile organik asitin reaksiyona girmesi sağlanarak ara yüzey polimerizasyonu oluşur. Bu prosesin öteki ismi de ince film kompozit (TFC) yöntemidir. Literatüre göre nanomalzemelerin TFC metodunda aktif tabakada kullanılması, ince film nanokompozit (TFN) olarak isimlendirilmektedir. TFN yönteminde maksat nanomalzemenin eklenmesi ile poliamid tabakanın boya giderim ile tuz tutunum verimlerini ve akıyı arttırırken aynı zamanda geri döndürülemez tıkanmayı azaltmaktır. UF membranların karakterizasyonunda hazırlanan polimer çözeltilerinin viskoziteleri de incelenmiştir. 1,2,3 ve 4 bar basınçları altında saf su akılarına gözlenmiş ve geçirgenlikleri hesap edilmiştir. Laboratuvar ortamında üretilen nanofiltrasyon membranlarının yapısal karakterizasyon deneyleri 8 bar basınç altında saf su akıları, 7 bar altında boya giderim verimi ve akıları, 5-35 bar aralığındaki basınç altında NaCl tuz tutunumu verimleri ve akıları, FTIR (Fourier Kızılötesi Dönüşümü) analizi, Zeta potansiyel analizi, SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu) analizi, optik profilometre, temas açısı, yüzey pürüzlülük analizi ve termogravimetrik analizi yapılmıştır. Elektrospinning membranları %16,17,18,19 ve %20 PSU yüzdesel yoğunluktaki çözeltilerle farklı debilerde üretilmiştir. Üretim sırasında çözücü olarak öncelikle NMP kullanılırken yavaş buharlaşma problemi neticesinde çözelti hazırlanırken DMF solvent seçilerek üretime devam edilmiştir. Elektrospinning üretimindeki ortam koşulları kontrol edilerek daha iyi bir yapısal formasyon gözlemlenmiştir. Elektrospinning membran üretimi sırasında ortam sıcaklığı ve nem kontrolü, homojen oluşumun sağlanmasında kritik bir rol oynar. Sıcaklık arttıkça birkaç faktör devreye girer. İlk olarak, dimetilformamid (DMF) çözücüsünün yüksek sıcaklıklarda daha hızlı buharlaşması, liflerin ıslaklığının azalmasına yol açar. Bu ıslaklığın azalması, daha tutarlı membran oluşumuna katkı sağlar. Tersine, daha az uygun oda koşullarında, liflerde kalıcı DMF çözücüsü kalır ve bu da daha ince membran duvarlarına ve daha zayıf şekillendirmeye yol açar. Bu nedenle, kontrollü çevresel koşulların membran kalitesini optimize etmek için önemli olduğu söylenebilir. Katkısız PSU, ZIF-8 ve UiO-66 katkılı ince film kompozit (TFC) membranlar benzer tuz tutunumuna sahip iken UiO-66 TFC membranı, belirgin şekilde daha yüksek akıya sahiptir. ZIF-8 ve katkısız TFC membranlar her ikisi de 130 LMH akıya ulaşırken, UiO-66 TFC membranı 190 LMH akısıyla daha yüksek bir değere sahip olmaktadır. Akıda meydana gelen bu artış, UiO-66'nın benzersiz özelliklerine bağlanabilir. Ayrıca, membranlarda sentetik boya çözeltisinin geri dönüşümsüz tıkanma performansı membranların performansında kritik bir yönü oluşturur. Boyar madde giderim deneylerinde, katkısız TFC, ZIF-8 ve UiO-66 katkılı membranların hepsi benzer boyar madde giderme performansı sergilemiştir. Ancak temel fark, geri dönüşümsüz tıkanmada yatmaktadır. ZIF-8 (%20) ve UiO-66 (%10) TFC membranları, katkısız TFC membrana (%30) göre daha düşük geri dönüşümsüz tıkanma göstermiştir. Bu iyileştirme, ZIF-8 ve UiO-66 içinde bulunan metal-organik çerçevelerin (MOF) yüksek adsorpsiyon kapasitesine bağlıdır. MOF'lar, uzun vadeli geri dönüşümsüz tıkanmayı etkili bir şekilde azaltmakta ve pratik uygulamalar için umut vaat etmektedir. Membran tesislerinin yatırım getirisi (ROI), karar vericilerin membran tesisinin yatırımını yapmasında kritik bir düşünce noktasıdır. Katkısız TFC membranların kullanıldığı membran tesisi 8 yıl 5 ay sonra ROI elde edebiliyorken, ZIF-8 katkılı TFC membranı kullanılan tesise geçilmesi halinde bu süre 7 yıl 6 aya ulaşması beklenmektedir. Ancak UiO-66 katkılı TFC membran, ekonomik açıdan daha kısa bir geri ödeme süresi olan 5 yıl 6 ay ile her iki yönden de daha başarılıdır. Üç üretim yöntemi arasında en yüksek başlangıç yatırım maliyetine sahip olmasına rağmen, UiO-66 katkılı TFC membranı uzun vadede ekonomik açıdan avantajlıdır. Ekonomik olarak uygunluk ve geri döndürülemez tıkanma rejimleri göz önünde bulundurulduğunda, UiO-66 katkılı TFC membranlar en uygun seçenek olarak ortaya çıkmaktadır. UiO-66'nın yüksek performansı, olumlu ekonomik göstergelerle birleştiğinde, mükemmel bir metal organik çerçeve olarak konumlandırılır. Diğer yandan, ZIF-8 katkılı membranlar ekonomik açıdan uygun ve özellikle geri döndürülemez tıkanma üzerindeki olumlu etkisi ve genel üretim uygunluğu göz önünde bulundurulduğunda, uygun bir seçenek olarak göze çarpar. Doğru MOF'u seçmek, membran performansını maksimuma çıkarmak ve fayda-maliyet etkinliğini sağlamak için kritiktir.
Özet (Çeviri)
Türkiye is included in the category of countries that will experience high water stress according to projections for the year 2030. The degradation of surface waters due to anthropogenic impact, such as discharge of untreated and/or dyed wastewater, throwing solid and hazardous wastes into, along with their reduction due to climate change, and the overexploitation of groundwater are gradually diminishing our drinking water resources. Desalination of seawater, which holds 97.5% of the Earth's water, to make it suitable for drinking water is emerging as a hot topic. One of the most used methods for desalination of salty water is membrane technologies nevertheless the desalination technique with membranes has low efficiency when looking at the benefit-cost analysis. Therefore, studies on membrane modifications, which are economically feasible and highly efficient in terms of high-quality effluent standards, are gaining momentum. Innovations in material science are making membranes economically more feasible for use in desalination and dye removal. Within the scope of this study, metal organic frameworks (MOFs) thin film nanocomposite coated membranes classified as nanofiltration membrane were tested with seawater and dyed water to remove salt, dye, and change the flux in the treatment of salty and dyed water. Both synthetic dye solutions and synthetic seawater were used in these trials. In this study, metal organic framework and MOF-doped thin film composite-coated flat sheet membranes were produced at laboratory scale, and their characterization studies and economic analyses were completed. Additionally, the production of electrospun membranes were carried out, and the durability changes of the electrospun membranes depending on the environmental conditions were observed. First of all, ZIF-8 (Zeolitic imidazolate framework-8) and UiO-66 (University of Oslo-66) metal-organic framework (MOF) were produced in accordance with the methods in the literature. Characterization of these produced nanoparticles was made by XRD (X-ray diffraction), FTIR (Fourier Transform Infrared), Raman Spectroscopy, Zeta Potential, BET (Brunauer–Emmett–Teller), SEM (Scanning Electron Microscopy) and compared with the results in the literature. Polysulfone (PSU) was used as the polymer, N-Methyl-2-pyolidene (NMP) was used as the solvent, and polyvinylpyrrolidone (PVP K30) was used as the identity generator with the phase method that produced ultrafiltration membranes designed to be used in both pre-treatment and bed. Then, thin film-coated nanofiltration membranes were obtained by adding 0.01% of MOF types ZIF-8 and UiO-66. One of the most preferred processes in the operation of nanofiltration membranes is the thin film polyamide coating. The interfacial polymerization technique is used to form the polyamide layer. In this method, interfacial polymerization occurs simply by reacting the amine group with a monomer and organic acid. The thin-film composite (TFC) approach is an alternative term for this procedure. In the literature, the term“thin film nanocomposite”(TFN) refers to the use of nanoparticles in the active layer of the TFC technique. The aim of TFN is to reduce the durability of the polyamide layer while increasing the dye and salt removal efficiency and flux by adding nanomaterials. In the characterization of UF membranes, some of the expanded polymer solutions were separated, and the viscosity of the solution was examined. Pure water fluxes were examined under 1-2-3-4 bar pressures, and permeability was calculated. Experiments on the durability characterisation of NF membranes made in a lab include pure water fluxes (PWF) at 8 bar pressure, dye removal efficiency and fluxes under 7 bar, NaCl salt adhesion efficiencies and fluxes under pressure between 5-35 bar, zeta potential analysis, FTIR analysis, contact angle analysis, SEM analysis, surface roughness analysis with an optical profilometer, and thermogravimetric analysis. The electrospinning membrane was produced at different flow rates with solutions in the percentage distribution of 16-17-18-19% and 20% of PSU. While NMP was first used as the dissolution during production, as a result of the evaporation problem, DMF solvent was chosen to prepare the solution. A better structural formation was observed by controlling the environmental conditions of electrospinning. Electrospinning membrane formation, solvent evaporation controlled ambient temperature and humidity conditions led to more uniform membrane formation as the temperature increased. Faster evaporation of dimethylformamide (DMF) solvent at elevated temperatures resulted in reduced wetness of the fibers. Conversely, under less favourable room conditions, residual DMF solvent in the fibers led to thinner membrane walls and poorer shaping. Regarding salt rejection and permeability, the bare, ZIF-8, and UiO-66 thin-film composite (TFC) membranes exhibited similar salt rejection rates. However, the UiO-66 TFC membrane demonstrated significantly higher flux compared to the others, achieving a flux of 190 LMH (litres per square meter per hour) while ZIF-8 and bare TFC membranes had a flux of 130 LMH. In dye fouling experiments, the dye removal performance of bare TFC membrane, ZIF-8, and UiO-66 TFC membranes was comparable. However, irreversible fouling was lower in ZIF-8 (20%) and UiO-66 (10%) TFC membranes compared to bare TFC membrane (30%). This enhancement can be attributed to the high adsorption capacity of metal-organic frameworks (MOFs), which effectively mitigate long-term fouling. Economically, both ZIF-8 and UiO-66 TFC membranes are more feasible than the bare TFC membrane. The expected return on investment (ROI) for the bare TFC membrane facility is 8 years and 5 months, while the ZIF-8 TFC membrane facility is expected to achieve ROI after 7 years and 6 months. The UiO-66 TFC membrane facility is projected to achieve ROI in 5 years and 6 months. Among the three production methods, the UiO-66 TFC membrane has the highest initial investment cost but the shortest payback period. Considering economic feasibility and irreversible fouling regimes, UiO-66 is identified as the most suitable MOF for TFC membranes, while ZIF-8 is economically viable and suitable in terms of irreversible fouling and production feasibility.
Benzer Tezler
- 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
2023
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞERİFE BİRGÜL ERSOLMAZ
- Fabrication and characterization of support layer for thin film nanocomposite desalination membranes
İnce film nanokompozit desalinasyon membranları için destek tabakası üretimi ve karakterizasyonu
KADER ÖZGÜR
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET GÖKTUĞ AHUNBAY
- 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
- Nanofiltrasyon membranlarının üretimi ve tekstil endüstrisinde uygulanması
Fabrication of nanofiltration membranes and its application textile industry
TÜRKAN ORMANCI ACAR
Doktora
Türkçe
2017
Çevre Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEŞE TÜFEKCİ
PROF. İSMAİL KOYUNCU
- Fabrication of hollow fiber nanofiltration membranes: role of nanocomposites in membrane performance
İnce boşluklu (Hollow fiber) nanofiltrasyon membranlarının üretimi: membran performansında nanokompozitlerin rolü
GÜLSÜM MELİKE ÜRPER BAYRAM
Doktora
İngilizce
2019
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU