Nanofiltrasyon membrantları ile tuz gideriminde organik iyon etkisi

Abstract

Tekstil endüstrisi boyahanelerinde, çok miktarda su, boyar madde ve yardımcı kimyasallar kullanılmakta ve sonuçta, yüksek konsantrasyonda çözünmüş madde içeren ve çok renkli atıksular, merkezi atıksu arıtma tesisine gönderilmektedir. Nanofıltrasyon (NF) membranları, bu tür atıksular için uygun olup, tuzlar çok düşük giderme verimlerinde giderilirken, atıksuyun rengi tamamen giderilebilmekte, su ve tuz geri kazanımı mümkün olabilmektedir. Nanofıltrasyon membranlarında iyon giderme mekanizmasının modellenmesi için iki temel yaklaşım kullanılmaktadır. Bunlardan birincisi, Spiegler ve Kedem modeli, ikinci ise Nernst-Planck denklemlerine dayandırılmaktadır. Perry ve Linder, Spiegler ve Kedem modelini değiştirerek, ortamda, nanofıltrasyon membranlarında tamamen giderilen bir organik iyonu da içeren karışım çözeltisinde, konsantrasyon polarizasyonunu ihmal ederek, tuz giderme verimini modellemişlerdir. Bu çalışmanın amacı, tamamen iyonlaşan organik iyondan ileri gelen konsantrasyon ve jel polarizasyonunu da hesaba katarak, tuz giderimini modellemek için yeni bir model ortaya koymaktır. Bu amaçla yapılan deneysel çalışmalar, Osmonics Sepa CF marka 316SS model membran hücresi ile gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada kullanılan nanofıltrasyon membranı, Osmonics firmasından temin edilen DS5 (polisülfan-poliamid) nanofıltrasyon membranıdır. Deneylerde değişik reaktif boyar maddeler kullanılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında, konsantrasyon ve jel polarizasyonu etkisine sahip organik iyon içeren çözeltiden tuz giderimini modelleyen, yeni bir model ortaya konmuştur. Spiegler-Kedem ve Perry-Linder modelleri ile film teorisi denklemlerine dayanan ve nanofıltrasyon membranlarından tuz giderimini tanımlayan yeni bir model geliştirilmiştir. Bu model, Rsg =1-(1-R0).(«)| l + ^-exp(^) 1 «c/ kd j (1) şeklinde olup, Ro, sadece tuz bulunması durumundaki tuzun gerçek giderme verimini, Rsg, ise, ortamda organik iyonun da bulunması durumunda tuzun gözlenen giderme verimini ifade etmektedir. Bu modelde iki parametre tanımlanmıştır. Bunlar, a, tuz giderimi üzerinde jel polarizasyonu etkisi ve kD, boyar maddenin kütle transfer katsayısıdır. Deneysel çalışmalarda kullanılan, NaCl ve boyar madde konsantrasyonları için deney sonuçları ile bu çalışmada önerilen model sonuçlarının uyum içerisinde olduğu görülmüştür. xıx Deneysel çalışmalarda, boyar madde ile birlikte, düşük tuz konsantrasyonlarında, pozitif ve negatif NaCl giderme verimleri, sıfır giderme veriminden uzaklaşırken, yüksek tuz konsantrasyonlarında, pozitif ve negatif NaCl giderme verimleri, sıfır giderme verimine doğru yaklaşmıştır. Tuz konsantrasyonu arttıkça, boyar maddenin membran yüzeyinde oluşturduğu jel tabakası etkisi azalmıştır. Bu durum yük etkisi ile açıklanmıştır. Tuz gideriminde jel tabakası etkisi katsayısı (a), NaCl ve boyar madde konsantrasyonlarına bağlı olarak değişmiştir. Literatür değerlerinin de, bu çalışmada önerilen model ile uyum içerisinde olduğu görülmüştür. Çalışmanın ikinci aşamasında, sentetik boya banyoları simule edilerek, yardımcı kimyasalların akı, tuz giderimi ve renk giderimindeki etkisi incelenmiştir. Ayrıca, tekstil endüstrisi gerçek boyahane atıksuları ile de çalışmalar yapılmış olup, nanofîltrasyon membranlarının boyahane atıksularının geri kazanılması üzerindeki etkisi incelenmiştir.

Large quantities of water, dye and auxiliary chemicals are used in the textile dyehouses and at the end, wastewater which contain high concentrations of dissolved solids and strong color, will be sent to the main wastewater treatment plant. NF membranes are suitable for such wastewaters. Color will be highly rejected While the salts may be rejected lower and salt and water reuse can be possible. Two main approaches have been used to model the transport of ionic species through NF membranes. One of them is Spiegler and Kedem model and the second approach is based on the extended Nernst-Planck equations. Perry and Linder extended Spiegler and Kedem model to describe the salt rejection in the presence of a completely rejected organic ion not considering the concentration boundary layer of dye. The main objective of this study is to establish a new model indicating the rejection rate of salt solution (NaCl) containing ionised organic ion (dye), which has concentration polarization and gel-polarization effects. Experiments for this purpose have been performed with Osmonics Sepa CF lab-scale 31 6SS membrane cell. The nanofiltration membrane used in this study was a DS5 membrane (polysulfone- polyamide) supplied by Osmonics as a flat sheet. Different reactive dyes were used in the experiments. In the first part of this study, a new model indicating the rejection rate of salt solution (NaCl) containing organic ion (dye), which has concentration polarization and gel- polarization effects was established. Based on Spiegler-Kedem/Perry-Linder models and film theory equations, a simple model was developed to define the observed NaCl rejection in the presence of organic ion by nanofiltration membranes. This model is expressed as; Rss=i-(\-R0){<*) f j V?'5 l + ^Lexp(^) a.cf kd j 0) where, Ro is the real single salt rejection, Rsg is observed salt retention in the presence of organic ion. This model is characterized by two parameters: gel polarization effect on salt removal (a) and mass transport coefficient of dye (kd). There was a good agreement between the results of experiments and the model proposed in this study for the NaCl and dye concentrations studied.