FBE- Nano Bilim ve Nano Mühendislik - Yüksek Lisans

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/184

Gözat

Yazar "Ahunbay, Mehmet Göktuğ" ile FBE- Nano Bilim ve Nano Mühendislik - Yüksek Lisans'a göz atma
  • Öge
    İnce Film Nanokompozit Desalinasyon Membranları İçin Destek Tabakası Üretimi Ve Karakterizasyonu
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016-05-31) Özgür, Kader ; Ahunbay, Mehmet Göktuğ ; 10110993 ; Nano Bilim ve Nano Mühendislik ; Nanoscience and Nanoengineering
    İçme suyu eldesi ve üretimi dünya çapında bir problem halini almıştır; birçok ülke için, kullanılabilir içme suyu kaynakları hızlı nüfus artışı ve endüstrileşmeden dolayı artan talebi karşılamak konusunda yetersiz kalmaktadır. Acı sudan ya da deniz suyunda içme ve sulama suyu eldesi sınırlı su kaynaklarına çözüm olarak ortaya çıkmaktadır. Günümüzde, ters osmoz (RO) bu alandaki lider teknoloji konumda olup dünya kapasitesinin yarıdan fazlasının üretiminden sorumludur. Membran malzeme ve teknolojisinde, modül ve proses tasarımında, besleme akımının ön temizliğinde ve enerji geri dönüşümünde son yıllarda gerçekleşen önemli gelişmeler; membran performans özelliklerini iyileştirirken aynı zamanda uygun maliyeti sebebiyle de ticari olarak RO teknolojisini desalinasyon pazarının lideri konumuna getirmektedir. Yüksek tuz giderme, dayanıklılık, atıklarının az olması ve operasyonel kolaylıklarından dolayı, polimerik membranlar RO endüstrisinin hakimi konumundadır. Öte yandan, bazı polimerler doğası gereği sahip olduğu hidrofob özelliklerinden dolayı göreceli düşük geçirgenlik göstermeleri, düşük bor giderimleri ve membran kirlenmesi; çözülmesi gereken önemli sorunların başında gelmektedir. Bahsi geçen problemlerin çözümü için değişik yaklaşımlar geliştirilmiştir. Bunların arasında, Cadotte v.d.'nin, 1970'li yıllarda geliştirdiği; gözenekli destek membranı üzerinde arayüz polimerizasyonu yöntemi ile oluşturulan, seçici ince poliamid (PA) film oluşumunu sağlayan ince film kompozit (TFC) membranların keşfi araştırmacıların ilgisini çeken konuların başında gelmektedir. Bu tür membranlar, %99 üzerinde tuz giderimi sağlarlar. Ticari PA-TFC membranlar, deniz suyundan iyonların neredeyse tamamını giderebildiği halde, bor giderme yüzdeleri normal test koşulları altında %95 dolaylarındadır. Yakın zamanda, RO membranları için, karbon nanotüp (CNT) ve zeolit gibi nano boyuttaki yapıların seçici ince PA film içerisine arayüz polimerizasyonu sırasında yerleştirilmesini sağlayan, yeni karışık matrisli kompozit membran üretimi geliştirilmiştir. Karbon nanotüplerin yapılarından ve çeşitli gruplarla fonksiyonelleştirilebilir olmasından dolayı, seçici PA film içerisinde kullanımı; su geçirgenliğini ve tuz giderimini iyileştirdiğini rapor eden deneysel ve simulasyon çalışmaları mevcuttur. Tez çalışmasında; yüksek bor ayırma kapasitesine sahip, tek duvarlı karbon nanotüplerin seçici PA film içerisine arayüz polimerizasyonu ile yerleştirildiği, yeni nesil ince film nanokompozit (TFN) desalinasyon membranı üretimi ve karakterizasyonu amaçlanmıştır. Çalışmalar üç (3) ana başlıkta toplanabilir: i) polisülfon (PSf) destek membranının faz ayrımı yolu ile üretimi ve membran üretim koşullarının optimize edilmesi, ii) ince film kompozit membran üretimi ve en uygun arayüz polimerizasyon reaksiyon koşullarının belirlenmesi, iii) ticari olarak –COOH gruplu satın alınan tek duvarlı nanotüplerin PSf destek membranı üzerine filtrasyon yöntemiyle yarı-hizalanması ve takiben arayüz polimerizasyonunun yapılmasıyla ince film nanokompozit membran üretimi ve karakterizasyonu. İlk olarak, 70'li yıllardan beri kullanılmakta olan faz ayrımı yöntemiyle PSf destek membranı üretimi ve karakterizasyonu yapılmıştır. Membran malzemesi olarak, literatürde ince film kompozit membran üretiminde en çok tercih edilen polimer olan PSf kulanılmış ve çözücüsü olan 1-metil-2-pyrrolidon (NMP) ile karıştırılarak homojen bir karışım elde edilmiştir. Polimer oranı yine literatürde en çok kullanılan oranlar arasından belirlenmiş ve kütlece %15 olarak sabit tutulmuştur. Düz plaka membran dökümünde, homojen dağılımı sağlanmış polimer çözeltisi cam bir yüzey üzerine dökülmüş; sabit kalınlığa ayarlanmış olan döküm bıçağı ve film döküm makinesini yardımıyla polimer film cam yüzeyinde oluşturulmuştur. Oluşturulan filmler, istenen membran özelliklerine göre, koagülasyon banyosuna daldırılmadan önce çözücünün buharlaşması için belirli bir süre atmosferik koşullarda bekletilmiştir. Ardından, dökülen filmler membran oluşumunun tamamlanması için belirli bir süre koagülasyon banyolarına daldırılmıştır. En uygun çözelti reçetesi ve koşulları bulunana kadar farklı konsantasyonlarda katkı malzemeleri, farklı buharlaşma süreleri ve çeşitli non-solventlerden oluşan, sıcaklığı düşürülmüş koagülasyon banyoları denenmiştir. Non-solvent olarak hem ucuz hem de pek çok polimeri çözmeme özelliğinden dolayı distile su kullanılmaktadır. Bu çalışmada da öncelikli olarak koagülasyon banyosu olarak distile su kullanılmış; ancak oluşan membranların taramalı elektron mikroskobu (SEM) sonuçlarına bakıldığında istenen gözenekli yapıda olmadığı görülmüştür. Bu sebeple, yapılan literatür taramasında koagülasyon banyosundaki non-solventi değiştirmeden önce, dökülen membranların 24 saat koagülasyon banyosunda ve sonrasında 8 saatlik metanol (MeOH) banyosunda tutulması, membran yüzeyinde gözenek oluşumunu sağladığı görülmüştür. Ancak SEM sonuçlarında yine gözenek oluşumu gözlenmediği için farklı yaklaşımlar denenmiştir. Bu kez, kullanılan non-solventi değiştirerek istenen gözenekli yapı elde edilmeye çalışılmıştır. Literatür araştırmasında: non-solvent, solvent ve polimerin Hansen solubilite parametrelerininin biribirine yakın olması gerektiği belirlenmiş ve buna göre izopropil alkol (IPA) non-solvent olarak seçilmiştir. Yine istenen sonuçların elde edilememesiyle polivinilpirolidon (PVP) katkı malzemesi olarak PSf/NMP membran çözeltisine değişik konsantrasyonlarda (kütlece % 2, 5 ve 10) eklenmiştir. SEM analizlerinde gözenek oluşumu görüldü ancak düzenli bir yapıda olmadığı için; farklı buharlaşma süreleri denenmiş ve koagülasyon banyosu sıcaklığı düşürülmüştür. Yapılan çalışmalar sonucunda: % 5 ve % 10 PVP katkılı, soğuk IPA koagülasyon banyosuna daldırılmış, takibinde 8 saat MeOH'de bekletilmiş PSf membranlarının ortalama 30-40 nm civarında gözeneklere sahip olduğu görülmüştür. Bir sonraki aşama olarak PSf destek membranı üzerine arayüz polimerizasyonu yöntemi uygulandı. Bu amaçla, literatür taraması sonucu optimum monomer konsantrasyonları belirlendi. Oluşturulan TFC membranlarının yüzey özelliklerini gözlemlemek amacıyla SEM ve yüzey ıslanabilirliğinin bir göstergesi olan hidrofilik veya hidrofobik özelliğinin ölçümü için de damlatma yöntemi kullanılarak temas açışı analizi yapılmıştır. Distile su ile ıslatılan destek membranı, plastik çerçeve ve cam yüzey arasına sıkıştırıldı ve m-phenylenediamine (MPD)'den oluşan sulu çözelti membran yüzeyine döküldü. Belirli bir süre sonunda MPD çözeltisi döküldü ve çözeltinin fazlası plastik bir rulo yardımıyla membrandan uzaklaştırıldı.Membran tekrar çerçeve arasına alınıp trimesoly chloride (TMC) çözeltisi döküldü. Belirli bir süre reaksiyonundan sonra etüvde ısıtılarak cross-linking reaksiyonu tamamlanması sağlandı. Öte yandan, TFC membranında PA film oluşumunu ve kalitesini etkileyen farklı parametrelerin etkileri denendi. Bu çalışmada, oluşan ince PA tabakasının kalınlığını etkileyen etmenler arasından; farklı gözenek boyutuna sahip  destek membranının etkisi, arayüz polimerizasyon süresi ve MPD konsantrasyonu etkileri incelenmiştir. Elde edilen SEM görüntülerine göre: yüzey gözenek büyüklüğü yaklaşı olarak 60 nm olan PSf destek membranının üzerinde oluşturulan PA filmin yaklaşık olarak 200 nm kalınlığında olduğu; öte yandan gözenek çapı ~ 300 nm olan destek membranında 100 nm civarında bir ince filmin oluştuğu gözlendi. Küçük gözenek boyutlarında daha kalın PA filmi oluşmasının başlıca nedeni: küçük gözeneklerin sulu MPD çözeltisinin daha derinlere nüfuz etmesini engelleyerek yüzeyde kalmasına yol açarak yüzeyde daha kalın bir PA tabakasının oluşmasına sebep olmaktır. Büyük gözenek boyutlu membranda ise durum tam tersidir; MPD çözeltisi geniş gözeneklerin iç çeperlerine kadar nüfuz ederek orada da cross-linking reaksiyonu oluşmasına olanak sağlar ve böylece yüzeyde oluşan film kalınlığı küçük gözenekli destek membranda oluşturulan PA tabakadan daha ince olur. Bunu yanı sıra, TFC membran yapımında reaksiyon süresinin etkisi de incelendi. Buna göre; 15 sn'lik sürede yaklaşık olarak 300 nm kalınlığında PA tabakası oluştuğu gözlenirken, aynı tabakanın kalınlığı süre 30 sn'ye çıkarıldığı zaman ~ 1 µm civarında olduğu görüldü. Bu büyük farklılığın ana nedeni; reaksiyon süresi arttıkça MPD ve TMC arasındaki çapraz bağlanma ile oluşan PA tabakasının oluşumunun da artmış olmasıdır. Son olarak, MPD konsantrasyonun etkisini ölçmek için değişik konsantrasyonlarda MPD sulu çözeltisi uygulandı.  MPD miktarını arttırmakla daha kalın bir PA tabaka elde edildi. En uygun TFC koşullarını belirlemek amacıyla yapılan yukarıdaki çalışmaların sonuçları, literatürdeki verilerle de birebir örtüşmektedir. TFN membranlarının üretimi için; öncelikli olarak ticari olarak satın alınan –COOH gruplu karbon nanotüpler filtrasyon yöntemi kullanılarak PSf destek membranı üzerine süzülmüştür. Bu esnada pompa yardımıyla vakum uygulanmış ve kesme kuvveti ile karbon nanotüplerin yarı-hizalanması amaçlanmıştır. Oluşturulan, karbon nanotüplü membran üzerine arayüz polimerizasyonu yöntemiyle PA film oluşturuldu. Sentezlenen membranların performans testleri; hazırlanan model çözeltilerde test edilerek membranların tuz giderme yüzdeleri ve su geçirgenlik değerleri laboratuar ölçekli çapraz akımlı ters osmoz cihazında denenmiştir. Test hücre alanının sentezlenen membranlardan büyük olmasından dolayı farklı özelliklere sahip malzemeler ile maskeleme yöntemi geliştirildi. Geliştirilen maskeleme yöntemi performans değerleri bilinen ticari membran ile test edildi. Bunun için maskeli ve maskesiz performans değerleri kıyaslandı. Yöntemin sızıntı olmadan çalıştığı belirlendikten sonra, geliştirilen membranlardan biri olan TFC-5 denendi. 2000 ppm NaCl çözeltisi ve 18 bar basınçta yapılan test sonuçlarına göre; membran ~ %85 tuz giderimine sahip. Elde edilen sonuç; hem literatürde eksik olan maskeleme yöntemi eksiğini kapatmak, hem de desalinasyon uygulamalarında yüksek bor giderme değerlerine sahip TFN membranlarının üretimde kullanılacak destek tabakası üretimi için bir yol gösterici niteliktedir.