Geri Dön

Metal-organik çerçeve (MOÇ) katkılı ince film nanokompozit (İFN) membran geliştirilmesi ve gübre tahrikli ileri osmoz (GTİO) uygulaması

Development of metal–organic framework (MOF)-enhanced thin-film nanocomposite (TFN) membranes and their application in fertilizer-drawn forward osmosis (FDFO)

PDF İndir

  1. Tez No: 944960
  2. Yazar: DUYGU OSMAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU, DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET EMİN PAŞAOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 97

Özet

Yeryüzündeki suların büyük çoğunluğunun tuzlu su olduğu uzun zamandır bilinen bir gerçektir. Ancak kullanılabilir tatlı su miktarına odaklandığımızda, bu sınırlı kaynağın yarısından fazlasının tarım sektöründe tüketildiği görülmektedir. Artan dünya nüfusu, genişleyen gıda talebi, sanayileşme ve iklim değişikliğinin etkileri mevcut tatlı su kaynakları üzerinde ciddi bir baskı yaratmış ve küresel ölçekte su kıtlığı endişelerini gündeme getirmiştir. Bu nedenle, tuzlu suların arıtılması ve kullanılabilir suya dönüştürülmesi, son yıllarda araştırmaların ve teknolojik gelişmelerin merkezinde yer almaktadır. Tuzdan arındırma yöntemleri arasında, membran teknolojileri düşük enerji gereksinimleri, yüksek ayırma verimliliği, kolay işletim ve sistemsel düzenlilik gibi avantajları nedeniyle oldukça yaygın hale gelmiştir. Mikrofiltrasyon (MF), Ultrafiltrasyon (UF), Nanofiltrasyon (NF) ve Ters osmoz (TO) gibi basınçla çalışan geleneksel membran prosesleri, tuz ve diğer kirleticilerin gideriminde başarılı sonuçlar sunmaktadır. Ancak bu teknolojiler, özellikle büyük ölçekli uygulamalarda yüksek enerji tüketimi, işletme maliyetleri ve membran kirlenmesi (fouling) gibi sorunlarla karşı karşıya kalabilmektedir. Bu sınırlamaları aşmak amacıyla, ileri osmoz (İO) (forward osmosis-FO) prosesi alternatif bir çözüm olarak ortaya çıkmıştır. Basınçlı sistemlerden farklı olarak, İO süreci iki çözeltinin—yüksek konsantrasyonlu çekme çözeltisi (draw solution) ve düşük konsantrasyonlu besleme çözeltisi (feed solution)—arasındaki doğal osmotik basınç farkını kullanarak suyun yarı geçirgen bir membran üzerinden geçmesini sağlar. Dışarıdan basınç uygulanmasına gerek olmadığı için, bu yöntem enerji açısından çok daha verimli ve potansiyel olarak çok daha sürdürülebilir kabul edilmektedir. İO prosesleri özellikle tarımsal uygulamalarda artan bir ilgi görmektedir. Bu kapsamda geliştirilen“Gübreyle Tahrikli İleri Osmoz (GTİO)”(fertilizer-drawn forward osmosis - FDFO) sistemi, çekme çözeltisi olarak gübre çözeltisinin kullanılmasıyla tuzlu ya da atıksulardan suyun geri kazanılmasını sağlar. Bu yöntem, sulama için uygun nitelikte su elde ederken aynı anda gübreleri de istenen konsantrasyona seyrelttiğinden çift yönlü bir fayda sunmaktadır. Bu nedenle, suyun yeniden kullanımı ve tarımsal üretimin sürdürülebilirliği açısından önemli bir çözüm olarak öne çıkmaktadır. Ancak, bu tür İO sistemlerinin yaygınlaşmasının önündeki en büyük engellerden biri, yaygın olarak kullanılan ince film kompozit (İFK) (thin film composite-İFK) membranların performans sınırlamalarıdır. Bu membranlar genellikle düşük su akısı (flux) ve yüksek ters tuz akısı (reverse salt flux - RSF) gibi sorunlarla karşılaşmaktadır. Ters Tuz Akısı, sadece proses verimliliğini düşürmekle kalmaz, aynı zamanda geri kazanılan suyun kalitesini de olumsuz etkilemektedir. Bu sorunları aşmak için araştırmacılar, yeni malzemeler ve gelişmiş membran üretim tekniklerine yönelmişlerdir. Bu kapsamda dikkat çeken yenilikçi malzemelerden biri de Metal-Organik-Çerçeve (MOÇ) (Metal-Organic Frameworks-MOF)'lerdir. Yüksek yüzey alanı, ayarlanabilir gözenek yapısı ve kimyasal kararlılığı ile bilinen MOÇ'lar, membran yapısına dahil edildiğinde su geçirgenliğini artırma, tuz difüzyonunu azaltma ve kirlenmeye karşı direnç sağlama gibi özellikler sunmaktadır. Bu çalışmanın amacı, özellikle GTİO proseslerinde kullanılmak üzere, zirkonyum bazlı bir MOÇ olan UIO-66 içeren yeni bir MOÇ-katkılı ince film nanokompozit (İFN) membran geliştirmektir. UIO-66, suyla uyumluluğu, kimyasal ve termal kararlılığı nedeniyle seçilmiş ve membran performansını artırma potansiyeli ortaya koyulmuştur. Geliştirilen İFN/UIO-66 membranlar, laboratuvar ölçekli bir GTİO sisteminde test edilmiştir. Deneysel sistemde yüksek çözünürlüğe sahip inorganik gübreler çekme çözeltisi olarak kullanılmış, bu gübreler yüksek osmotik basınç üretme kapasiteleri ve doğrudan gübreleme için uygunlukları nedeniyle tercih edilmiştir. Membran konfigürasyonu, akış hızı ve diğer operasyonel parametreler gerçek saha koşullarına benzer şekilde ayarlanmıştır. Sistem boyunca su akısı, ters tuz geçişi ve tuz tutma verimi gibi performans göstergeleri izlenmiş, aynı zamanda membranların yüzey morfolojisi, kimyasal yapısı ve hidrofilik özellikleri çeşitli karakterizasyon yöntemleriyle analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, gübre bazlı çekme çözeltilerin geleneksel tuzlu sulardan çok daha yüksek osmotik potansiyel üretebildiğini göstermiştir. Ayrıca, İFK membran matrisine UIO-66 MOÇ'un eklenmesi, su akısını artırmış, ters tuz geçişini azaltmış ve tuz geri tutma oranını iyileştirmiştir. Bu gelişmeler, MOÇ parçacıklarının membran yapısına sağladığı gözeneklilik, yüzey pürüzlülüğü gibi avantajlarla desteklenmiştir. Ayrıca, geliştirilen MOÇ-katkılı membranlar, gerçek besleme çözeltileriyle karşılaşıldığında oluşabilecek membran kirlenmesine karşı daha dirençli davranmış ve bu da sistemin uzun süreli kullanımını mümkün kılmıştır. Bu bağlamda, çalışmada elde edilen bulgular MOÇ-katkılı İFK membranların sürdürülebilir tarımsal su yönetimi açısından ciddi bir potansiyel taşıdığını ortaya koymuştur. Sonuç olarak, bu çalışmaMOÇ katkılı İFN membranların, GTİO sistemlerinde yüksek verimle kullanılabileceğini ortaya koymaktadır. Geliştirilen membranlar, klasik İFN membranlara kıyasla daha yüksek su akısı ve daha düşük ters tuz geçişi sağlayarak, GTİO sistemlerinin tarımsal uygulamalarda daha verimli ve sürdürülebilir hale gelmesine katkı sağlamaktadır. Bu sistem, yalnızca tarımsal sulamada alternatif bir su kaynağının kullanımını mümkün kılmakla kalmaz, aynı zamanda kullanılan gübrenin doğrudan sulama suyuna entegre edilmesini sağlayarak doğru ve kontrollü gübreleme yapılmasına da olanak tanır. Bu yönüyle, tarımda yaygın olarak görülen yanlış gübre uygulamalarının (örneğin aşırı doz kullanımı, dengesiz mineral dağılımı ve toprağın kirlenmesi) önüne geçilmesine yardımcı olur. Gübrelerin doğrudan sulama suyuyla bitkiye iletilmesi, besin elementlerinin daha etkili kullanılmasını sağlarken, tarımsal üretimde verimliliği ve kaliteyi artırır. Gelecek çalışmalarda, sistemin farklı çevresel koşullarda, değişik gübre türleriyle ve farklı tuzluluk seviyelerine sahip su/atıksu kaynaklarıyla test edilmesi önerilmektedir. Bu, sistemin genellenebilirliğini ve farklı tarımsal senaryolara uyarlanabilirliğini değerlendirmek açısından önemlidir. Sonuçlar, yalnızca suyun yeniden kullanımını teşvik etmekle kalmamakta, aynı zamanda tarımsal üretimde gübre kullanımının daha sürdürülebilir, ekonomik ve çevre dostu hale gelmesine de katkı sunmaktadır. Bu teknoloji, özellikle su kaynaklarının kısıtlı olduğu bölgelerde hem su hem de besin yönetimini optimize ederek sürdürülebilir tarıma yönelik önemli bir adım teşkil etmektedir.

Özet (Çeviri)

It has long been known that the vast majority of the Earth's water resources consist of saline water. However, when focusing on the amount of available freshwater, it becomes apparent that more than half of this limited resource is consumed by the agricultural sector. The growing global population, increasing food demand, industrialization, and the effects of climate change have placed significant pressure on existing freshwater resources and raised concerns about global water scarcity. Therefore, the treatment of saline waters and their conversion into usable water has become a central focus of recent research and technological developments. Among desalination methods, membrane technologies have become increasingly widespread due to advantages such as low energy requirements, high separation efficiency, ease of operation, and system reliability. Pressure-driven conventional membrane processes such as Microfiltration (MF), Ultrafiltration (UF), Nanofiltration (NF), and Reverse Osmosis (RO) have proven effective in removing salts and other contaminants. However, these technologies often face challenges such as high energy consumption, operational costs, and membrane fouling, especially in large-scale applications. To overcome these limitations, the Forward Osmosis (FO) process has emerged as an alternative solution. Unlike pressure-driven systems, the FO process utilizes the natural osmotic pressure difference between two solutions—a highly concentrated draw solution and a low-concentration feed solution—to transport water across a semi-permeable membrane. As no external pressure is required, this method is considered significantly more energy-efficient and potentially more sustainable. FO processes have been receiving increasing attention, particularly in agricultural applications. In this context, the Fertilizer-Drawn Forward Osmosis (FDFO) system, which uses a fertilizer solution as the draw solution, enables water recovery from saline or wastewater sources. This method provides dual benefits by simultaneously producing irrigation-quality water and diluting fertilizers to desirable concentrations. Therefore, it stands out as an important solution for water reuse and sustainable agricultural production. However, one of the major obstacles to the widespread adoption of FO systems is the performance limitations of commonly used Thin Film Composite (TFN) membranes. These membranes often suffer from low water flux and high Reverse Salt Flux (RSF). RSF not only reduces process efficiency but also negatively affects the quality of the recovered water. To address these issues, researchers have turned to novel materials and advanced membrane fabrication techniques. One innovative material attracting attention in this context is Metal-Organic Frameworks (MOFs). Known for their high surface area, tunable pore structure, and chemical stability, MOFs offer features such as enhanced water permeability, reduced salt diffusion, and improved resistance to fouling when incorporated into membrane structures. The aim of this study is to develop a new MOF-incorporated Thin Film Nanocomposite (TFN) membrane containing UIO-66, a zirconium-based MOF, specifically for use in FDFO processes. UIO-66 was selected due to its water compatibility and chemical and thermal stability, demonstrating potential to improve membrane performance. The developed TFN/UIO-66 membranes were tested in a laboratory-scale FDFO system. In the experimental setup, highly soluble inorganic fertilizers were used as draw solutions due to their ability to generate high osmotic pressures and their suitability for direct fertilization. Membrane configuration, flow rate, and other operational parameters were adjusted to simulate real-world field conditions. Performance indicators such as water flux, reverse salt flux, and salt rejection were monitored throughout the system, and membrane surface morphology, chemical structure, and hydrophilic properties were analyzed using various characterization techniques. The obtained results showed that fertilizer-based draw solutions can generate significantly higher osmotic potentials compared to conventional saline water. Additionally, the incorporation of UIO-66 MOFs into the TFC membrane matrix increased water flux, reduced reverse salt flux, and improved salt rejection. These improvements were supported by the advantages provided by MOF particles, such as increased porosity and surface roughness in the membrane structure. Furthermore, the developed MOF-incorporated membranes demonstrated greater resistance to fouling when exposed to real feed solutions, allowing for prolonged system operation. In this context, the findings of the study highlight the considerable potential of MOF-incorporated TFC membranes for sustainable agricultural water management. This study demonstrates the applicability of Metal-Organic Framework (MOF)-incorporated TFC membranes in FDFO systems with enhanced efficiency. The developed membranes exhibit significantly improved water flux and reduced reverse salt flux compared to conventional TFC membranes, thereby enhancing the overall performance and sustainability of FDFO processes in agricultural applications. Beyond enabling the use of alternative water sources for irrigation, the system facilitates the direct integration of fertilizers into irrigation water, allowing for precise and controlled nutrient delivery to crops. This addresses a major issue in agriculture incorrect fertilizer practices such as overapplication, nutrient imbalance, and soil contamination. By delivering nutrients efficiently through fertigation, the system improves nutrient uptake by plants, enhances crop productivity, and reduces environmental impact. Future studies should explore the system's performance under varying environmental conditions, with different types of fertilizers, and using water or wastewater with diverse salinity levels. Such investigations will help evaluate the broader applicability and scalability of the system for diverse agricultural settings. Ultimately, the results contribute not only to the reuse of water but also to the sustainable and responsible use of fertilizers. This technology holds promise as a dual solution for improving water efficiency and nutrient management, particularly in water-scarce regions, thus supporting sustainable food production under the pressures of climate change and resource limitations.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    498519

    Erbiyum ve 5-sülfosalisilik asit içeren yeni bir metal-organik çerçevenin hidrotermal yöntem ile elde edilmesi ve yapısal analizinin yapılması

    Synthesis of a new metal-organic framework containing erbium and 5-sulfosalysylic acid using hydrothermal method and its structural analysis

    SEDA DOĞU DENİZKUŞU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Fizik ve Fizik MühendisliğiMuğla Sıtkı Koçman Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. UĞUR ERKARSLAN

  2. Tez No

    712651

    Synthesis, characterization and investigation of cytotoxic effects of drug loaded ZIF-8 metal-organic frameworks

    İlaç yüklü ZIF-8 metal-organik çerçevelerin sentezi, karakterizasyonu ve sitotoksik etkilerinin incelenmesi

    DERYA METE

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Biyokimyaİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLŞAH ŞANLI MOHAMED

  3. Tez No

    713905

    Synthesis and characterization of tetra (carboxyphenyl) ethene derivatives as ligands for the preparation of metal organic framework materials

    Metal organik çerçeve materyalleri için tetra (karboksifenil) eten türevlerinin ligand olarak sentezlenmesi ve karakterizasyonu

    KORAY ÖZHAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    KimyaSouthem Connecticut State University

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. M.J. GERALD LESLEY

  4. Tez No

    855327

    Metal organic framework (MOF) based electrocatalytic hydrogen production

    Metal organik çerçeve (MOF) bazlı elektrokatalitik hidrojen üretimi

    KİNDA JOUNA VETTİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Kimya MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ATIF KOCA

  5. Tez No

    721617

    Metal organik çerçeve tabanlı azot katkılı yapıların PEM yakıt pillerinde kullanımı

    Utilization of metal-organic frameworks based nitrogen-doped structures in PEM fuel cells

    MOHAMED ALI MOHAMUD

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    EnerjiAtatürk Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN YURTCAN

Geri Dön