Gözenekli ve gözeneksiz hidrofobik gaz transfer hollow fiber membranların üretimi ve uygulaması

Bu doktora tezi kapsamında, kuru ve ıslak faz ayrımı metoduyla gözenekli ve gözeneksiz hidrofobik gaz transfer ince boşluklu membranların üretimi ve karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. Ayrıca karakterizasyon sonuçlarına göre en iyi gaz transfer performansı gösteren ince boşluklu membran laboratuvar ölçekli O2 ve H2'e dayalı membran biyofilm reaktörlerde kullanılabilirliği test edilmiştir. İnce boşluklu membranların üretim ve karakterizasyon çalışmaları Prof. Dr. Dinçer Topacık Ulusal Membran Teknolojileri ve Araştırma (MEM-TEK) laboratuvarlarında gerçekleştirilmiştir. Pilot ölçekli ince boşluklu membran üretim cihazı kullanılarak kuru ve ıslak faz ayrımı metoduyla ince boşluklu membranlar üretilmiştir. Üretim çalışmalarında membran morfolojisi ve performansına etki eden parametrelerden çekme ve iç koagülant çözeltilerinin içeriği ve hava boşluğu mesafesi değiştirilerek denenmiştir. Çekme çözeltisinde ağırlıkça %20-30 PVDF (Poliviniliden Florid), ağırlıkça %2,5-5 PA (Propiyonik Asit) ya da PVP K10 (Polivinilpirolidon) ve NMP (N Metil Pirolidon) karışımları, iç koagülant sıvısı olarak ya tamamen su ya da %70 ve 90 oranlarında NMP ile su karışımları kullanılmıştır. Üretimler 0 ve 10 cm'lik hava boşluğu mesafelerinde gerçekleştirilmiştir. Her üretim prosesi öncesi çekme çözeltisinden alınan numunelerin viskozite değerleri ölçülmüştür. Üretilen bütün membranların karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. İnce boşluklu membranların karakterizasyon çalışmaları Stereo ve SEM görüntülerinin alınması, yüzey temas açılarının tespiti, gerçekleştirilen FTIR-ATR analizleri, yüzey pürüzlülüğü ölçümleri, mekanik dayanım testleri ve gaz transfer performanslarının belirlenmesiyle tamamlanmıştır. SEM görüntülerinin ışığında tez kapsamında hedeflenen gözenekli ve gözeneksiz ince boşluklu membranların üretildiği sonucuna varılmıştır. Gaz transfer performans testleri sonucu çekme çözelti kompozisyonu ağırlıkça %25 PVDF / 70 NMP / 5 PVP K10, iç koagülant sıvısının ise tamamen su olduğu ve 10 cm'lik hava boşluğu mesafesinde gerçekleştirilerek üretilen ince boşluklu membranın en yüksek oksijen transfer katsayısına sahip olduğu tespit edilmiştir. FTIR-ATR analizleriyle PA'nın membran matriksinde tutulmadığı görülmüştür. Bu nedenle gaz transfer performansını arttıracağı öngörülen PA'nin bu anlamda bir etkisi olmamıştır. Üretim ve karakterizasyon çalışmalarının devamında en iyi gaz transfer özelliğine sahip ince boşluklu membran O2'e ve H2'e dayalı membran biyofilm reaktörlerde gaz transferi ve destek tabakası görmesi amacıyla kullanılmıştır. Çalışmanın bu kısmında hidrojene ve oksijene dayalı membran biyofilm reaktörlerinde (MBfR) nitrat indirgenmesi ve amonyum oksidasyonu incelenmiştir. Farklı hidrolik bekletme süreleri (HRT) ve farklı gaz basınç şartları denenmiştir. Her iki sistemde reaktörlerin ilk çalışma şartları dikkate alınmadığında H2'e dayalı membran biyofilm reaktöründe en yüksek nitrat azotu giderimi hidrolik bekletme süresinin 12 st, hidrojen gaz basıncının 4 psi ve 10 mg/L giriş nitrat azotu beslemesinin yapıldığı işletme şartlarında %74 şeklinde gerçekleşmiştir. O2'e dayalı membran biyofilm reaktöründe en yüksek amonyum oksidasyonu hidrolik bekletme süresinin 7,5 st, oksijen gaz basıncının 4 psi ve 15 mg/L giriş amonyum azotu beslemesinin yapıldığı işletme şartlarında %83 şeklinde gerçekleşmiştir. Reaktör işletimi sırasında ince boşluklu membran gaz transfer görevini kabarcıksız bir şekilde gerçekleştirmiştir.