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

Abstract

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.