Su yumuşatma amaçlı kullanılan ince film kompozit nanofiltrasyon membranları

Toprak üzerindeki toplam su kaynaklarının % 97'si deniz suyu iken, sadece% 0.5'i içilebilir, tatlı sudur. Son zamanlarda tatlı su kaynaklarındaki giderek artan kıtlık insanları okyanus suyu gibi farklı alternatifleri kullanmak üzere araştırma yapmaya itmiştir. Bundan dolayı, deniz suyunun ve tuzlu akuferlerin tuzdan arındırılması, su arıtımı için umut vaat eden bir yöntem haline gelmiştir. 1960'lı yıllarda yüksek performanslı sentetik membranların geliştirilmesi ile membranlar su ve atık su arıtımında kullanlabilecek malzemeler olarak ortaya çıkmıştır. Zamanla yeni malzemelerden çeşitli çeşitli konfigürasyonlarda daha gelişmiş membranlar üretilmiş ve membranların önemi giderek artırmaya devam etmiştir.1970'lerde ise membranlar desalinasyon amacıyla kullanılmaya başlanmıştır. Saf suyun tuzlu sudan başarılı bir şekilde elde edilmesinden sonra membran prosesi buharlaştırmaya dayalı ısıl teknolojilere alternatif uygulama haline gelmiştir. Ancak arıtılmış su standartlarının zamanla sıkılaştırılmasıyla membran teknolojisi de zaman zaman buna cevap vermekte zorlanmıştır. Membranlar iki faz arasındaki seçici bariyer olarak bilinmektedir. Gaz saflaştırma ve ayırma uygulamalarının yanında membran prosesleri, su ve atık sulardan katı partiküllerin, bakteri ve virüslerin ve diğer istenmeyen moleküllerin uzaklaştırılması için oldukça etkili bir uygulama olarak kabul edilmektedir. Günümüzde membran prosesleri su ve atık su arıtımının yanı sıra tekstil, hamur ve kâğıt, ilaç, madencilik, süt, gıda ve içecek ve biyoteknoloji endüstrilerinde büyük oranda kullanılmaktadır. Membranlar polimerik ve inorganik olarak iki sınıfta toplanmıştır. Polimerik membranlar gözenek oluşturma mekanizmaları, yüksek esneklik, düşük maliyet ve daha az alan gerektirmeleri sebebiyle inorganik membranlara oranla daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak yaygın olarak kullanılmasına rağmen membranların seçicilik-geçirgenlik ödünleşimi ve kirlenme problemleri bulunmaktadır. Dolayısıyla, bilim ve iş dünyasında yüksek geçirgenlik ve seçicilik özelliğine sahip uzun ömürlü membranların üretimi üzerine çalışmalar yürütülmektedir. Polimerik membranlar morfolojilerine göre izotropik ve anizotropik olarak sınıflandırılmaktadır. İzotropik membanlar gözenekli veya gözeneksiz veya elektriksel yüklü olabilmektedir ve membran kesiti boyunca aynı kompozisyon ve yapıya sahiptirler. Anizotropik membranlar ise asimetrik membranlardır. Kompozit membranlar ve sıvı destekli membranlar anizotropik membran yapısına sahiptir. Gözenekli membranlarda ayırma boyutsal eleme şeklinde olurken gözeneksiz (yoğun) membranlar çözücü ve çözünen madde arasındaki çözünürlük veya difüzivitedeki farklılıklara bağlı olarak molekülleri ayırır. Nitto Denko Corp., Koch, Toray Industries, GE Osmonics, Dow/FILMTEC günümüzün en iyi bilinen membran üreticileridir. Günümüzde su ve atıksu arıtımında, mikrofiltrasyon (MF), ultrafiltrasyon (UF), nanofiltrasyon (NF) ve ters osmoz (RO) olarak sınıflandırılan basınçlı membran prosesleri kullanılmaktadır. Mikrofiltrasyon membranları en büyük gözenek boyutuna sahiptir ve tipik olarak büyük tanecikleri, mikroorganizmaları ve kolloidleri reddetmekle beraber emülsiyonların ayrımında kullanılmaktadır. Ultrafiltrasyon membranları ise yaygın olarak emülsiyon haline getirilmiş yağların, askıda kalmış katıların ve yaklaşık 0.01-0.1 um partikül boyutu aralığındaki molekülleri ayırmak için kullanılmaktadır. Bunun yanında, NF membranlar özellikle suyun sertliğinin azaltılması ve sudan renk giderimi amacıyla kullanılırken, deniz suyundan ve acı sudan tuz giderilmesi RO membranlarının uyugulama alanıdır. Proses esnasında uygulanması gereken basınç mikrofiltrasyondan ters osmoza gittikçe artmaktadır. Çünkü membran gözenek boyutları mikrofiltrasyondan ters osmoza gittikçe küçülmekte ve kütle transfer direnci artmaktadır. Selüloz asetat ve poliamid türevleri ise RO ve NF'de en çok kullanılan polimerik membran malzemelerdir. Kalsiyum (Ca), magnezyum (Mg) ve diğer bazı metal katyonları suda sertliğe neden olmaktadır. Sudaki sertlik evsel ve endüstriyel su sistemlerinde kireç oluşumu, kirlilik ve galvanik korozyon gibi birçok soruna yol açar. Ayrıca, desalinasyon proseslerinde membran ömrünün kısalmasına sebep olmaktadır. Diğer yandan, sert su, içinde bulundurduğu Ca ve Mg iyonlarının ısıyla beraber tesisattaki metalik bileşiklerle ve deterjan gibi kimyasal ajanlarla reaksiyona girmesi nedeniyle hemen hemen tüm temizlik görevlerinin etkinliğini azaltır. Bu sebeple su yumuşatma evsel ve endüstriyel su temini ve tuzlu su ve deniz suyu tuzdan arındırma sistemi için hayati önem taşıyan bir işlemdir. Kireç soda yöntemi ve iyon değiştirici reçineler halen kullanılmakta olan geleneksel su yumuşatma yöntemleridir. Nanofiltrasyon membranları ile su yumuşatma yüksek yumaşatma performansı, düşük operasyon maliyeti sebebiyle günümüzde bu konvansiyonel yöntemlere mükemmel bir alternatif haline gelmiştir. Nanofiltrasyon membranları performans açısından ultrafiltasyon ve ters osmoz arasında etkinlik göstermektedir ve özellikle sudan iki değerli ve çok değerlikli iyonların uzaklaştırılmasında kullanılmaktadır. Sodyum ve klor gibi tek değerlikli iyonları ise kısmi olarak ayırabilmektedirler. Günümüzde çoğu ticari nanofiltrasyon membranı ince film kompozit düz levha membranlardır. İnce film kompozit nanofiltrasyon membranları genellikle, bir gözenekli destek tabakası üzerinde negatif yüklü kimyasal gruplardan oluşan çapraz bağlı poliamid polimer tabakasından meydana gelmektedir. İnce film kompozit membranlar için yaygın olarak kullanılan destek malzemeleri polisülfon (PSf), polietersülfon (PES), poliviniliden florür (PVDF), poliakrilonitril (PAN) ve polyether ether keton (PEEK)'dur. İnce film kompozit membranlar plazma-başlatmalı polimerizasyon, foto başlatmalı polimerizayon, foto-graftlama, elektron ışınlaması, daldırma kaplama ve ara yüzey polimerizasyonu gibi yöntemlerle üretilmektedir. Fakat arayüzey polimerizasyonu ince film kompozit membranların üretiminde en çok kullanılan yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu çalışmada, polisulfon destek membranı üzerinde ara yüzey polimerizasyonu ile poliamid tabaka oluturularak ince film kompozit nanofiltrasyon membranları hazırlanmıştır. Ara yüzey polimerizasyonu işleminde piperazin (PIP) ve trimesoil klorür (TMC) sırasıyla sulu faz ve organik faz monomerleri olarak kullanılmıştır. Hem poliamid tabaka hem de destek membranı kimyasal özelliklerine ve morfolojik yapılarına göre karakterize edilmiştir. Membran yüzeyinin kimyasal yapısı Fourier dönüşümlü infrared spektrometre (FTIR-ATR) ile incelenirken membranların yüzey ve kesit morfolojileri alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FESEM) altında incelenmiştir. Membranların yüzeysel hidrofilikliği ise temas açısı ölçer ile karakterize edilmiştir. Ayrıca, hazırlanan NF kompozit membranların su akısı ve tuz reddi oranı (MgSO4) çapraz akışlı su filtrasyon deneyi ile karşılaştırılmıştır. Uygun polimerizasyon koşullarının belirlenmesi için reaksiyon süresi, organik faz monomer konsantrasyonu ve monomer temas süresi gibi parametreleri değiştirilerek ve asit alıcısı katkı maddesi eklenerek membranlar hazırlanmıştır. Asit alıcısının sulu PIP çözeltisine eklenmesinin, TFC membranının başarılı bir şekilde oluşturulması için gerekli olduğu anlaşılmıştır. TMC konsantrasyonunun % 0.15'den % 0.1'e düşürülmesi ve reaksiyon süresinin 60 saniyeden 20 saniyeye indirilmesi, PSf destek membranı üzerinde oluşan poliamid (PA) tabakasının çapraz bağlanma yoğunluğunu azaltmıştır. Ayrıca, reaksiyon süresinin 60 saniyeden 120 saniyeye yükseltilmesi, oluşan PA katmanının çapraz bağlanma yoğunluğunun arttırılmasına ve dolayısıyla tuz ayırma performansının artmasına yol açmıştır. En yüksek performans gösteren membranın MgSO4 reddetme oranı % 67, su akısı ise 17 LMH olarak bulunmuştur.