Antibakteriyel Özelliğe Sahip Ters Osmoz Membranların üretimi Ve Karakterizasyonu

Abstract

Temiz ve içilebilir su kaynakları her geçen gün kirletilerek kullanılamaz hale getirilmektedir. Bunun bir sonucu olarak Dünya üzerindeki mevcut tatlı su kaynakları ihtiyaçları karşılayamayacak hale gelmektedir. Alternatif su kaynaklarına ilişkin teknolojilere yönelinmesi su sıkıntısının etkilerinin azaltılmak için Dünya’da gittikçe yaygınlaşmaktadır.Dünyadaki toplam suyun % 96’dan daha fazlasını tuzlu sular oluşturmaktadır, tatlı su ise Dünya’daki suyun sadece %2.5’lik kısmını oluşturur ve bunun çoğu buzullar ve buz tabakaları içerisinde donmuş haldedir. Mevcut durum göz önünde bulundurulduğunda tuzlu sudan desalinasyon teknolojisi ile ekonomik ve güvenli bir şekilde kullanma suyu elde edilebilmesi büyük bir avantaj sağlamaktadır. Desalinasyon tesisleri Dünya’da 120’den fazla ülkede işletilmektedir ve suyun üretim maliyeti genellikle enerji tüketimi, kullanılan ekipmanın, membranların ve iş gücünün maliyeti ile orantılı olarak değişmektedir. Desalinasyon tesislerinden etkin bir sonuç alabilmek için çözülmesi gereken bazı konular bulunmaktadır. Bunlardan birisi ve en önemlisi olan tıkanma problemleri, membran filtrasyon sistemlerinin işletilmesi esnasında sorun teşkil etmektedir. Bu problemi çözebilmek için çeşitli yollar ve yaklaşımlar geliştirilmekte ve denenmektedir. Ters osmoz membranlarında meydana gelen biyotıkanma temel olarak akıyı düşürmektedir. Akının düşmesi daha fazla enerji harcanması ve tuz tutunumunda azalma gibi olumsuz etkiler göstermektedir. Bu sebeple oluşmadan müdahale etmek biyotıkanmayı engellemek için en etkili ve iyi yol olarak düşünülmektedir. Müdahale çeşitli şekillerde yapılabilmektedir. Bunlardan birisi de membranların üretimi sırasında üretim materyallerine antibakteriyel maddelerin ilavesidir. İlave edilen maddeler ile membran filtrelerin daha dayanıklı ve biyotıkanmaya dirençli olmaları sağlanmakta, böylece kirlenme ve tıkanma oluşumunun en aza indirgenmesi sağlanmaktadır. Bu çalışma kapsamında; içme suyu eldesi amacıyla ters osmoz membran üretimi, karakterizasyonu ve biyokirlenme özelliğinin iyileştirilmesi çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın amacı su temininde ileri teknolojilerin kullanılarak, biyokirlenme performansında iyileştirme çalışmaları yapılması, membranların özelliklerinin geliştirilmesi ve halen tümüyle dışa bağımlı durumda olduğumuz membran sistemlerinin ülkemiz koşullarında üretilebilir hale getirilmesidir. Bu amaç doğrultusunda ters osmoz membranları üretimi yapılmıştır. Deneylerin ilk aşamasında destek tabakası ultrafiltrasyon düzeyinde evre dönüşümü yöntemiyle polisülfon (PSF) polimeri ile farklı polimer çözeltileri hazırlanarak destek tabaka üzerine dökülerek üretilmiştir. Membran üretiminde ilk olarak homojen dağılımı sağlanmış membran çözeltisi cam yüzey üzerine belirli hacimde dökülmüş ve dökme bıçağı (casting knife) sabit kalınlığa ayarlanarak bu çözeltinin üzerine yerleştirilmiştir. Ardından laboratuar ölçekli dökme makinesinin gerekli ayarlamaları yapılarak belirlenen hızda cam yüzeyinde polimer film oluşturulmuştur. Bu esnada oluşturulmak istenen membranın özelliğine bağlı olarak polimer filmler belirli bir solvent buharlaşma süresinde bekletilmişlerdir. Bu çalışmada buharlaşma süresi 10 sn. olarak sabit tutulmuştur. Buharlaşmanın ardından polimer filmlerinin olduğu camlar destile suyun bulunduğu koagülasyon banyosuna daldırılmışlardır. Bu esnada en az 5 dakika membranın oluşması beklenmiş ve ardından oluşan membranlar destile suyun bulunduğu temiz bir kaba aktarılmışlardır. Biyolojik büyümenin olmaması ve reaksiyona girmeyen polimer veya solventin membrandan uzaklaşması için üretilen membranlar en az 1 hafta süre ile +40C’de soğuk odada saklanmışlardır. Üretilen bu membranlarda başta geçirgenlik deneyleri olmak üzere karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. Filtrasyon performanslarından önce ilk olarak literatürde sıkıştırma deneyi olarak isimlendirilen ön işleme tabi tutulmuştur. Bu işlemde, yüksek basınç altında membranların saf su ile yıkanması sağlanmış ve bu esnada reaksiyona girmemiş polimer/ıslatıcı/solvent kalıntılarının membranlardan yıkanması ve membran gözeneklerinin son halini alması sağlanmıştır. Bu deneyin ardından klasik filtrasyon deneyleri sırayla gerçekleştirilmiştir. Cihaz analizleri için membran numunelerinin hazırlanmasında sıkıştırma ön işlemi yapılmayan membranlar kullanılmıştır. Membranlara temas açısı, mekanik dayanıklılık testleri uygulanmış ve taramalı elektron mikroskobu, optik profilometre, porometre, elektrokinetik ölçer kullanarak yüzey morfolojileri tanımlanmıştır. Destek tabakası membranı olarak üretilen UF destek tabakasının yüksek basınçlara dayanıklı olması için süngerimsi yapıda olması yapılan çalışmalarla optimize edilmiştir. Karakterizasyon testlerinin sonuçlarına bakıldığında %18PSF %4.5PVP10 %1.5 PVP40 kullanılarak üretilen membranlar aktif tabakada kullanılmak üzere destek tabakası olarak seçilmiştir. Deneylerin ikinci aşamasında ters osmoz membranı için aktif tabakası üretim çalışmaları yapılmıştır. Aktif tabaka ince film poliamid olarak ara yüzey polimerizasyon yöntemiyle üretilmiştir. Membranlara antibakteriyel özellik kazandıracak, güçlü antibakteriyel özelliğe sahip bizmut tiyollerden biri olan BisBAL maddesinin ilavesi aktif tabaka üretimi kısmında gerçekleştirilmiştir ve antibakteriyel özelliği edinmesi amaçlanmıştır.Tez çalışmasının son aşamasında membranların antibakteriyel özelliklerini belirlemek için İTU Moleküler Biyoloji-Biyoteknoloji ve Genetik Araştırmalar Merkezi’ nden alınan E. coli suşu ile çalışmalar yapılmıştır. BisBAL ilaveli membranların üzerinde, saf membranlara nazaran daha az büyüme görülmüştür. Antibakteriyel testler karşılaştırmalı olarak incelendiğinde BisBAL ilaveli membranların antibakteriyel özellik kazandığı ve BisBAL’ın etkili olarak ters osmoz membranlarında kullanılabileceği görülmüştür.

Day by day, clean and potable water resources are polluted and being unavailabe. As a result, the needs of existing freshwater resources are becoming unable to provide around the world. In the current situation, desalination can be solution for the water scarcity. Because seawater and saline aquifers constitute 97.5% of the all water resources on Earth, utilizing an even small amount of this resource could have a great impact on water scarcity. To increase the fresh water supply via desalination of seawater and saline aquifers is the overarching goal for the future of desalination. Desalination plants are operated in more than 120 countries around the world. To get effective results from desalination plants, there are some issues, which have to be solved. One of them, and most important is a biofouling, which effects the performance of reverse osmosis (RO) essentialy. Biofouling causes some problems, such as shorter membrane life and it requires higher operating pressure and more frequent chemical cleaning. Development of antifouling RO membranes is an essential requirement for water treatment in the future. The main objective of this study is to investigate the preparation of an antibacterical surface membrane layer with the additive Bismuth dimercaptopropanol (BisBAL), which is claimed to inhibit biofouling, and the examination of the membrane’s characteristics and performance for desalination. The study includes preparation of the support layer to establish selecting of a suitable support layer for active layer. Furthermore it includes the preparation of an active layer with and without the additive BisBAL. Experiments to be carried out together with the membrane characterization and antibacterial properties achieved important results in terms of membranes fabrication at low biofouling characteristics. Antibacterial properties of the membranes were studied using with BL21 strain of E. coli, which was taken from Molecular Biology-Biotechnology & Genetics Research Center (MOBGAM) at ITU. Comprehensive anti bacterial tests with E. Coli showed that BisBAL can be used effectively at RO membrane surface.