Innovative reverse osmosis membrane manufacturing with green and nanocomposite carbon quantum dots for desalination purposes
Desalinasyon amaçlı yeşil ve nanokompozit karbon kuantum noktaları ile yenilikçi ters osmoz membranı üretimi
- Tez No: 942760
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Çevre Mühendisliği, Chemical Engineering, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- 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: 154
Özet
Sanayileşmenin ilerlemesi ile iklim değişiminin hızlanması su arzında ciddi kayıplara sebep olmuştur. Dünya üzerinde temiz suya erişemeyen nüfusun yanında tatlı su kaynakları azalan da önemli bir poplülasyon bulunmaktadır. Membran prosesleri tuzluluğu yüksek sulardan veya kısmi arıtılmış sulardan su temini sağlamak için kullanılan yenilikçi ayırma teknolojilerinden biridir. Ters osmoz prosesi ise sürücü kuvvet olarak basıncın kullanıldığı polimerik yapıda yarı geçirgen membranların rol aldığı bir prosestir. Ters osmoz membranları ince film kaplama (İFK) tekniğiyle üretilir ve genellikle üç katmanlı bir yapıdan oluşur. 90 µm kalınlığa sahip non-woven şeklinde adlandırılan ilk tabakanın üstü polimerik bir yapıyla kaplanır. Burada kullanılan yaygın polimerler polisülfon, polietersülfon, ve polieterimiddir. İkinci tabakanın üzeri ise arayüzey polimerizasyonunun gerçekleştiği ince film kaplama (İFK) yapılarak poliamid tabakası elde edilir ve yüzey seçiciliği yüksek bir yapıya kavuşur. Ters osmoz (TO) prosesi işletilirken bazı problemlerin meydana gelmesi kaçınılmazdır. Bunlardan ilki kirlenme problemidir. Besleme suyunun içeriğine bağlı olarak organik, inorganik, ve biyolojik kirleticiler membranın yüzeyinde birikerek ayırma performansını düşürür. Bunu çeşitli temizleme prosedürleri ile gidermek veya geciktirmek mümkün olabilmektedir. Ancak ilave su ve kimyasal malzeme sarfı oluşur. İkinci problem ters osmoz membranların üst tabakasında bulunan poliamid kaplamanın aktif klora karşı dayanıksız olmasıdır. Dezenfeksiyon sebebiyle sularda bulunan aktif klor membranla temas edince poliamid tabakasındaki çeşitli fonksiyonel grupların bağlanmaya açık uçlarına tutunur. Bu durum poliamid tabakasının zarar görmesine ve membranın seçicilik performansının düşmesine yol açar. Üçüncü problem ise desalinasyon sırasında ortaya çıkan ve deniz suyunda yaklaşık 5 mg/L konsantrasyonda bulunan borik asitin membran ile tutulamamasıdır. pH nötr iken deniz suyunda bulunan baskın bor bileşiği iyonik formda olmayan borik asittir ve moleküler boyutu (2,573 Å) hidrojen bağlı su moleküllerine (2,7 Å) yaklaşır. Sonuç olarak, TO membranları genellikle %90'ın altında olmak üzere düşük bor giderme verimi sergiler ve bor içeriğini 0,5 mg/L'nin altına düşüremez. Bu tezin amacı ters osmoz membranlarına kirlenmeye ve klorlanmaya karşı direnç kazandırarak membran performansını iyileştirmek ve kullanım ömrünü uzatmaktır. Tezin kapsamında ters osmoz membranın üretim şartlarından non-woven tabakası, destek tabakası polimer konsantrasyonu ve ince film kaplama formülasyonunun optimizasyonu yer almaktadır. Sonrasında iki farklı kuantum noktanın ince film kaplama tabakasına entegre edilmesi ile üretilen yenilikçi membranların performanslarının incelenmesi bulunmaktadır. Yenilikçi nanomalzemelerin membran yapısına kazandırılması ters osmoz membranların kronik problemlerinin çözümü olarak literatürde etkinliği kanıtlanmış bir iyileştirme adımıdır. Karbon bazlı kuantum noktaları (KKN), 2013 yılından bu yana karbon nanomalzemeleri arasındaki üstün özellikleri nedeniyle membran uygulamalarında ön plana çıkmıştır. Kuantum noktalar, nanometre ölçeğinde (genellikle 1-10 nanometre arasında) yapay yarı iletken kristallerdir. Boyutları çok küçük olduğundan, kuantum mekaniği etkileri gösterirler. Bu noktaların en önemli özelliği ışık emilimi ve yayılımı yeteneklerinin boyutlarına bağlı olarak değişebilmesidir. Karbon kuantum noktalar çeşitli fonksiyonel gruplar taşıması, karbon temelli üretilebilmesi, kolay sentezlenmesi, yüksek dispersiyon yeteneği ve çoğunlukla biyobozunur olması sayesinde membran teknolojilerinde kendine geniş bir araştırma alanı bulmuştur. Tezin ilk bölümünde, literatürdeki KKN'ların basınç, konsantrasyon, sıcaklık ve elektrik potansiyeli gibi farklı sürücü kuvvetler ile çalışan membran uygulamalarında kullanım şekilleri derlenmiştir. İlk olarak, grafen KN'lar, karbon nanodotlar, karbonize polimer noktalar ve karbon noktalar gibi farklı türdeki KKN'ların sentez yöntemleri ve aralarındaki farklar anlatılmıştır. Ardından, üretiminde veya modifikasyonunda KKN kullanılan membran uygulamalarında elde edilen sonuçlar proses temelli olarak tartışılmıştır. KKN zincirine farklı elementler veya bileşikler eklenerek oluşturulan nanokompozit yapıların etkisi de dikkate alınmıştır. Bölümün sonunda KKN içeren membranların gelecekte geniş çaplı kullanımını kısıtlayabilecek geliştirilmesi gereken yönleri vurgulanmış ve yeni araştırmalara kapı açılmıştır. İkinci bölümde ters osmoz membran üretiminde non-woven tabakanın performansa etkisi incelenmiştir. Üç farklı non-woven tabaka seçilerek her birinden önce ultrafiltrasyon (UF) sonra TO membranı üretilmiştir. NW1, NW2 ve NW3 için gözeneklilik sırasıyla %15,3, %16,2 ve %10,5 olarak bulunmuştur. NW3 ile üretilen UF membranı en yüksek akıyı sağlarken, TO membranı hem saf su akısında hem 2000 ppm NaCl çözeltisi ile yapılan performans testlerine göre tuz gideriminde diğerlerine göre daha yüksek başarı göstermiştir. NW3 optimum tabaka seçilerek ardından UF destek tabakasının konsantrasyonu %16 ila %19 arasında değiştirilerek optimize edilmiştir. Bunun yanında membran üretimi esnasında NW3 solvent ile ıslatılarak ıslak formda üretim yapılmış ve kuru NW3 ile üretilen membranlar kıyaslanmıştır. Bu noktada, bilindiği üzere, viskozite arttıkça UF ve TO membranlarında saf su ve tuzlu su akılarında azalma olmuştur. Islak ve kuru formlar kıyaslandığında ıslak formda üretilen membranların akıları daha düşük bulunmuştur. Bunun için denilebilir ki non-woven tabakanın üretim esnasında doldurulması daha kalın bir polimer tabakası üretilmesine yol açmıştır. Bununla beraber TO membranlarında tuz giderim verimi ıslak formda üretilen membranlarda daha yüksek bulunmuştur. Bu da elde edilen destek tabakanın ve ince film kaplamanın homojen ve stabil olmasını sağlamıştır. Üçüncü bölümde hidrotermal reaksiyon yoluyla bir nanokompozit olan TiO2-QD/C-dot (TQD/C-dots) sentezlenmiş ve tuz giderme, kirlenme önleme ve klor direnci performansını geliştirmek amacıyla TO membranını modifiye etmek için kullanılmıştır. Optimum performansa sahip membran, 6,57 L/m²⋅sa⋅bar saf su akısı ve %98,1 NaCl giderme oranı ile %0,01 TQD/C-dots (Q0,01) olmuştur. Aynı zamanda, bor giderim oranı %17'lik bir artış göstererek %59'a ulaşmıştır. Ayrıca, Q0,01 kodlu modifiye TO membranı, 50 mg/L hümik asit çözeltisi ile yapılan 24 saatlik kirlenme testlerinden sonra %86 oranında akıyı koruyarak mükemmel bir stabilite göstermiştir. Membranlar hem statik hem dinamik klor dayanımı testlerinin ardından 4000 ppm.sa klor maruziyetine karşılık %1,5 oranında tuz gideriminde kayıp yaşanmıştır. Katkısız membranda ise bu oran %3,2 olmuştur. Bu çalışma, kirlenmeye ve klorlanmaya dayanıklı seçiciliği ve geçirgenliği gelişmiş bir TO membranı tasarlamak için yeni bir malzeme sağlamaktadır. Dördüncü bölümde hidrotermal yöntem ile başlatıcısı doğal bir malzeme olan carvacrolden KKN (Car-KKN) sentezlenmiştir. Ardından TO membranının ince film kaplama tabakasına ilave edilmiştir. Yüzeyin hidrofilikliğini arttırması ve yüzeye daha fazla negatif yük kazandırması ile hem geçirgenliği hem seçiciliği geliştirmiştir. Sonuçlara bakıldığında tuz gideriminde \%98.8 oranında başarı elde edilmiştir. Son bölümde tezin genel çıkarımları ve gelecek önerileri yer almaktadır.
Özet (Çeviri)
The accelerating rate of climate change in tandem with the progression of industrialization has resulted in substantial losses in water supply, with a consequent increase in the global population facing water scarcity. In addition to those already lacking access to potable water, a significant proportion of the global population is facing a decline in available freshwater resources. Membrane processes represent a class of innovative separation technologies employed to ensure the provision of water from high salinity waters or partially treated waters.The reverse osmosis process involves the utilisation of semi-permeable polymeric membranes under pressure as a driving force. Reverse osmosis membranes are typically composed of a three-layer structure. The first layer, designated as non-woven, possesses a thickness of 90 µm and is covered with a polymeric structure. The most commonly employed polymers in this layer include polysulfone, polyethersulfone, and polyetherimide. The second layer is covered with a thin film coating, resulting in the formation of a polyamide layer characterised by high surface selectivity. It is inevitable that certain problems will occur during the operation of the reverse osmosis process. The primary issue is fouling, which is the accumulation of organic, inorganic, and biological contaminants on the surface and pores of the membranes, resulting in a reduction in separation efficiency. Various cleaning procedures may be used to address this issue, though it should be noted that these methods result in additional water and chemical material consumption. Secondly, the polyamide coating on the top layer of reverse osmosis membranes is not resistant to active chlorine. When the active chlorine in the water due to disinfection comes into contact with the membrane, it adheres to the binding ends of various functional groups in the polyamide layer, causing damage to the polyamide layer and decreasing the selectivity performance of the membrane. Thirdly, boric acid, a by-product of desalination and a constituent of seawater (5 mg/L), is not retained by the membrane due to its non-ionic nature at neutral pH (2.573 Å). This is in close proximity to the hydrogen bonded water molecules (2.7 Å). Consequently, reverse osmosis (RO) membranes generally exhibit low boron removal percentages (below 90%) and are incapable of reducing the boron content below 0.5 parts per million (ppm). The integration of innovative nanomaterials within the membrane structure has been identified as a significant advancement in addressing the persistent challenges associated with reverse osmosis membrane performance, as evidenced by a substantial body of research.Quantum dots, defined as artificial semiconductor crystals with a nanometer scale dimension (typically ranging from 1-10 nanometers), exhibit quantum mechanical effects due to their minute size. The properties of these dots, particularly their capacity for light absorption and emission, exhibit a high degree of variability depending on their dimensions. Due to their diverse functional groups, their capacity for facile synthesis based on carbon, their high dispersion ability, their widespread biodegradability, and their integration with membrane technologies, quantum dots have emerged as a subject of considerable research interest. The main aim of this thesis is to enhance the performance of reverse osmosis membranes and extend their lifespan by imparting resistance to fouling and chlorination.The scope of the thesis encompasses the optimization of the manufacturing parameters of reverse osmosis membranes, including the non-woven layer, the support layer, the polymer concentration, and the thin film coating formulation.Subsequently, the efficacy of innovative membranes produced by integrating two distinct quantum dots into the thin film coating layer is examined.
Benzer Tezler
- Yenilikçi üretim şekilleri ile ileri osmoz membranı yapısında yüksek performanslı membranların üretimi ve basınç destekli ileri osmoz hibrid prosesi ile membran biyoreaktörlerde dâhili olarak işletilmesi
Manufacturing of high-performance membranes with forward osmosis membrane structure through innovative manufacturing methods and its operation internally in membrane bioreactors with pressure-assisted forward osmosis hybrid process
SERKAN ARSLAN
Doktora
Türkçe
2022
Çevre MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EBUBEKİR YÜKSEL
- Biyolojik arıtmadan elde edilen atık suyun endüstriyel proseslerde kullanımı
Use of waste water recovered from biological treatment in industrial
KEREM KARA
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
BiyomühendislikYıldız Teknik ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YASEMİN KILINÇ
- Ters osmoz membranlarında yenilikçi aktif tabakaların geliştirilmesi
Development of novel active layers in reverse osmosis membranes
SERKAN GÜÇLÜ
Doktora
Türkçe
2019
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- 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
2018
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Lbl ince film membranların ters osmoz performanslarının incelenmesi
Investigation of the reverse osmosis performances of lbl thin film membranes
AYÇA ERGÜN O
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Kimya Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN DELİGÖZ