İçme suyunun polimerik nanokompozit membranlar ile arıtımı

Son yıllarda ekonomik gelişmeler, sanayileşme, hızlı nüfus artışı, göçler ve iklim değişiklikleri gibi etkiler su kaynaklarının miktarını azaltmış ve su kalitesini olumsuz etkilemiştir. Dünyanın %70'inden fazlasının sularla kaplı olması birçok bölgede içme suyunun kıt olduğu gerçeğini değiştirmiyor. Membran filtrasyon sistemleri, yüksek giderme verimi, basit işletimi, düşük alan gereksinimi ve filtrasyon sırasında kimyasallara ihtiyaç duyulmaması nedeniyle içme sularının arıtımında kullanılan geleneksel sistemlere iyi bir alternatiftir. Su kaynaklarının kısıtlılığı ve kirletici parametrelerin artmasına karşın alternatif ileri teknolojilerin gelişmesi, içmesularından kirliliğin giderilmesinde nanokompozit membran uygulamalarını önemli kılmıştır. Suyun verimli bir şekilde kullanılması ve içme suyu kalitesi yüksek, güvenilir su ihtiyacının karşılanması için son zamanlarda nanokompozit katkılı polimerik membranlarla ilgili çalışmalar küresel ölçekte artmıştır. Polimerik membranlar kolay üretimleri ve düşük maliyetleri nedeniyle su arıtımında yaygın olarak kullanılırlar. Polimerik membran matrislerine nano malzemelerin uygun miktarda ilave edilmesiyle membranların akı ve arıtma performansı önemli ölçüde iyileştirilebilir. Nanokompozit membranlar, iyileştirilmiş geçirgenlik ve giderim, azaltılmış kirlenme özelliklerine sahip olup su arıtımında geleneksel polimerik membranların modifiye edilmiş şeklidir. Bakıroksit, çinko ve çinko oksit gibi nanokompozit malzemelerin membran matris yapısına ilavesi seçici geçirgenliği, termal-mekanik dayanımı, permeabiliteyi, kirlilik direncini ve arıtma performansını geliştirip iyileştirmektedir. Bu çalışmada ZnO ve CuO katkılı polimerik mikrofiltrasyon (MF) membranları sentezlenerek içme sularının arıtılmasındaki kullanım potansiyeli incelenmiştir. Polietersülfon (PES) polimerinin istenmeyen bir özellik olan hidrofobik yapısı nanomalzeme ilavesiyle iyileştirilmesini gerektirmektedir. PES polimeri, farklı membran deneylerine uygun olması, termal-kimyasal dayanımı, yüksek performans ve düşük maliyet gibi avantajlarından dolayı tercih edilmektedir. PES polimerinin hidrofobik yapısı sebebiyle büyük moleküllerin membran yüzeyinde birikerek kontamine olması ise dezavantajıdır. PES, gözenek boyutunun istenilen büyüklükte ayarlanabilmesi ve boru-levha şeklinde kullanılabilmesi nedeniyle RO, UF ve MF proseslerinde tercih edilmektedir. Bu çalışma kapsamında, çözücü olarak DMSO (Dimetil Sülfoksit) kullanılmış, saf polietersülfon (PES), PES/nano bakır oksit (CuO) ve PES/nano çinko oksit (ZnO) membranlar daldırmalı faz inversiyon yöntemiyle üretilmiştir. Çözücü olarak kullanılan malzemenin türü ayrıca membran gözenekliliğini, temas açısını, kirlenme direncini, geçirgenliği ve dolayısıyla arıtma performansını etkiler. Nanokompozit membranlar için, membran üretim yöntemi ile üretilen membranların gözeneklilik gibi özellikleri ve membran performansı arasında güçlü bir bağlantı vardır. Ağırlıkça %16 PES kullanılarak sentezlenen ağırlıkça % 0.5-% 1'lik ZnO ve % 0.5-% 1'lik CuO katkılı MF membranların gözenekliliği, yüzey kirlenmeleri ve pürüzlülükleri, Elektron Tarama Mikroskopu (SEM), Atomik Kuvvet Mikroskopu (AFM) görüntüleme cihazları kullanılarak incelenmiştir. Filtrasyon sonrası kirlenen membranların SEM yüzey görüntüleri karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Sentezlenen membranların filtrasyon ve permeabilite deneyleri dikey akışlı ve basınç sürücülü bir membran filtrasyon sistemi olan Dead-end cihazıyla 3 bar basınç altında gerçekleştirilmiştir. Saf PES membranın 355.14 L/m2.sa olan saf su akısı nano CuO ve nano ZnO katkısıyla önemli ölçüde artmıştır ve nanokompozit membranların saf su akıları 392.65-429.74 L/m2.sa aralığında değişmiştir. Permeabilitesi en yüksek olan %1 ZnO-PES membranı, en düşük olan saf PES membranıdır. Membranların filtrasyon performanslarının belirlenmesinde ağır metal analizi için Atomik Emisyon Spektrometresi (ICP), iyon analizinde İyon Kromotografisi (IC), toplam organik karbon analizinde TOC analyzer, pH-İletkenlik tayininde pH-İletkenlik analiz cihazları kullanılarak Demir, İletkenlik, pH, TOC, Baryum, Bor, Toplam Krom ve Selenyum giderme verimleri karşılaştırılmıştır. Nano CuO ve nano ZnO katkılı PES nanokompozit membranlar, saf PES membrana göre daha yüksek iletkenlik, renk, toplam organik karbon, bor, demir, selenyum, baryum ve toplam krom giderim verimleri sergilemiştir. Saf PES membrana ağırlıkça %0.5 ve %1 nano CuO ve nano ZnO ilavesiyle membranın iletkenlik, renk, toplam organik karbon, bor, demir, selenyum, baryum ve toplam krom giderim veriminin arttığı tespit edilmiştir. Su filtrasyonunundan sonra SEM görüntüleri incelenen membran yüzeyleri, ağırlıkça %0.5 nano CuO ve nano ZnO içeren membranların yüzeylerinin ağırlıkça %1 nano CuO ve nano ZnO içeren membran yüzeylerine göre kirlenmeye karşı daha dirençli olduğunu, saf membranın ise en kirli olduğunu ortaya koymuştur. Arıtma verimlerinin genel olarak birbirine yakın olduğu, gözeneklilik, permeabilite, hidrofiliklik, kirlenme direnci özellikleri bakımından en iyi performansın ZnO katkılı membranlara ait olduğu kanısına varılmıştır. ZnO, katalitik, antibakteriyel özellikleri nedeniyle dikkat çeken ve polimerin hidrofiliklik, mekanik, kimyasal özelliklerinin iyileşmesini sağlayan çok fonksiyonlu inorganik nanoparçacıktır. Nano ZnO, diğer inorganik malzemelere kıyasla daha fazla hidroksil grubu absorblayarak, polimerin hidrofilikliğini, mekanik-kimyasal özelliklerini geliştirir. Bakır iyonlarının NC membranlar üzerindeki etkisinin sınırlı olduğu ve antibakteriyel özellikleri geliştirerek biyokirlilik kontrolünde daha etkili olduğu düşünülmektedir. Polimerik membranlara ZnO ve CuO gibi nano partiküllerin eklenmesi kontaminasyona karşı direnci arttırır, membran ömrünü uzatır. Bu çalışmada Demir ağır metali, arıtma performansı açısından değerlendirilebilecek en uygun parametredir. Sentezlenen tüm membranlarda demir giderim verimi genel olarak yüksek ve birbirine çok yakındır. %0.5 ZnO-PES nanokompozit membran %84.1 ile en yüksek demir giderim verimine sahipken, en düşük %80.9 giderme verimi ile %1 ZnO-PES membrandır. Sentezlenen saf PES ve ZnO, CuO nanoparçacık katkılı NC polimerik membranların hepsi demir gidermede çok yakın performans göstermiş ve oldukça etkili olmuştur. Su arıtma performansı en başarılı olan ham sudaki Demir konsantrasyonunu 460 µg/L'den 73 µg/L'ye düşüren %0.5 ZnO-PES NC membrandır. ZnO katkı yüzdesi arttığında gözenek boyutu artmakta ve partiküller belirli yerlerde birikip agregasyonu arttırarak arıtma performansının düşmesine neden olmaktadır. Tüm membran karakterizasyonları dikkate alındığında ağırlıkça %0.5 nano ZnO katkılı PES membranın yüksek saf su akısı (427.14 L/m2.sa), yüksek kirletici parametre giderim verimi ve kirlenme direnci nedeniyle arıtılacak su kaynağı için en uygun membran olduğu tespit edilmiştir. Elde edilen bulgular, membran sentezinde kullanılacak polimer çözeltisinin homojenliği, pıhtılaşma banyosunun bileşimi ve sıcaklığı, ortam koşulları gibi birçok faktör nedeniyle literatürdeki diğer çalışmalardan farklılık gösterebilir.