Zeolit nanopartikül içerikli kompozit membranların üretilmesi ve karakterizasyonu

Ünitelerin küçültülmesi, proses süresi ve enerjinin azaltılma gereksinimleri, daha kompakt ve fonksiyonel malzemelerin tasarımı ve geliştirilmesine sebep olmuştur. Geleneksel yöntemlerle endüstriyel atıksular içerisinde bulunan metal iyonlarının giderimi iki aşamada gerçekleşen askıdaki taneciklerin ön-filtrasyonu ve metal adsorpsiyonunu içerir. Bu çalışmada, her iki proses, kurşun ve nikel ağır metalleriyle hazırlanmış sentetik çözeltilerin arıtılması için zeolit nanotanecik aşılanmış polisülfon (PSf) membranı vasıtasıyla birleştirilmiştir. X-ışını kırınımı (XRD), elektron taramalı mikroskop (SEM) ve enerji dağılımlı X-ışını (EDX) analiz sonuçları, geleneksel hidrotermal yöntemle üretilen zeolit nanotaneciklerin, yaklaşık 170 nm boyutunda çok küçük ve düzgün tanecik yapısına sahip, Si/Al oranı 1.24 olan saf NaX olduğunu göstermektedir. 25˚C'de yapılan kesikli adsorpsiyon çalışmaları, NaX nanotaneciklerin kurşun, nikel, bakır ve gümüş katyonlarına karşı yüksek afiniteye sahip olduğunu göstermiştir. Polimer dökme çözeltisi içerisinde NaX oranının %10'a kadar artırıldığında gözenek yarıçapları 15 nm'den 40 nm'ye kadar değişen asimetrik membranlar üretilmiştir. NaX ilavesiyle artan hidrofiliklik ve gözenek büyüklüğü, 30 saniye evaporasyon süresine maruz bırakılan membranın hidrolik su geçirgenlik değerinin (Lp) 23'den 45 L/m2.h.bar'a kadar artmasına sebep olmuştur. Membran oluşum süresince evaporasyon süresinin uzatılması (300 s) veya iptal edilmesi, gözenekli membran yapısını ciddi bir şekilde değiştirmiştir ve dolayısıyla, birinci (PSf10-300) ve ikinci (PSf10-0) membran mimari yapıları için Lp değeri sırasıyla, 0.7 ve 57 L/m2.h.bar olarak minimum ve maksimum değerlere ulaşmıştır. Dikey akışlı filtrasyon modülünde PSf10-0 membranı kullanılarak 1 bar basınçta ve 60 dakika boyunca metal çözeltilerinin filtrasyonları, başlangıç kurşun konsantrasyonunun 50 ppm'den 500 ppm'e arttırıldığında membran sorpsiyon kapasitesinin 359 mg/g'dan 681 mg/g'a arttığını göstermiştir. Nikel çözeltilerinin filtrasyonlarında, 200 ppm besleme çözeltisinde neredeyse adsorpsiyon dengesi olan 122 mg/g değere ulaşılmıştır. Deneysel adsorpsiyon izotermleri en iyi Langmuir model ile tanımlanmış ve katı fazdaki maksimum denge miktarı 790 ve 157 mg/g olarak sırasıyla kurşun ve nikel iyonları için öngörülmüştür. Çapraz akışlı filtrasyon deneyleri farklı basınç, başlangıç metal iyonu konsantrasyonu ve sıcaklıkta kurşun ve nikel katyonları için yapılmış ve hibrid membranların düşük basınç, konsantrasyon ve sıcaklıkta kullanılmaları durumlarında filtrat içindeki metal konsantrasyonlarının çevre ve sağlık örgütlerinin önerdiği limit değerlere çok daha yaklaştığı sonucuna ulaşılmıştır. Deneysel veriler çoklu değişkenli rasyonel model fonksiyonu ile analiz edilmiş ve hedef fonksiyonu tanımlamada son derece başarılı olmuştur.