CNC katkılı nanolif membranların üretimi ve membran distilasyon uygulamalarındaki performansları

Abstract

Günümüzde artan su ihtiyacına paralel olarak, alternatif su arıtma teknolojilerine yönelik araştırmalar büyük önem kazanmıştır. Membran distilasyonu (MD), özellikle yüksek tuzluluk içeren çözeltilerin arıtımında; düşük enerji gereksinimi, modüler yapısı ve yüksek tuz giderim verimi ile dikkat çeken yenilikçi bir membran teknolojisidir. Ancak MD sistemlerinin yaygınlaşmasında karşılaşılan temel sorunlardan biri, kullanılan membranların yüzey aktif maddelere ve mineral çökelmelere karşı yetersiz ıslanma direncidir. Bu durum, membran performansında ciddi kayıplara yol açarak sistemin uzun vadeli verimliliğini sınırlandırmaktadır. Bu tez çalışmasında, polivinil florür-ko-hekza florapropilen (PVDF-HFP) esaslı nanolif membranlar elektro-eğirme yöntemi ile üretilmiş; selüloz nanokristal (CNC) katkısı ve oktadesiltriklorosilan (OTS) ile yüzey modifikasyonu ile membranların morfolojik ve fonksiyonel özellikleri iyileştirilmiştir. Farklı PVDF-HFP konsantrasyonları (ağ. %15, %20, %25) arasında yapılan karşılaştırmalarda, ağ. %20 PVDF-HFP içeriği ve 3 saat elektroeğirme çalışma süresi, optimum akı (%11,1 kg/m².sa) ve yüksek tuz giderimi (%99,9) ile en uygun membran olarak belirlenmiştir. CNC katkı oranı optimize edilmiş (ağ. %0,5 CNC) ve yüzey hidrofobikliğini artırmak amacıyla uygulanan 1–120 dk arası OTS modifikasyonları sonucunda, su temas açısı 158,5°'ye ve sıvı giriş basıncı (SGB) 1,4 bar'a kadar yükselmiş, membranlar süperhidrofobik karakter kazanmıştır. Modifiye edilmiş membranların ıslanma dayanımı, sodyum dodesil sülfat (SDS) içeren sentetik tuzlu su çözeltileriyle değerlendirilmiştir. Yalnızca 1 dk OTS modifikasyonu uygulanmış membran, 0,6 mM SDS konsantrasyonuna kadar stabil akı ve %99,9 tuz giderimi göstererek yüksek ıslanma direnci sergilemiştir. Ayrıca, 20 mM CaSO4 içeren çözeltilerle yapılan mineral çökelme direnci testlerinde, modifiye edilmemiş membran yaklaşık 8 saatten sonra ıslanma belirtileri göstermişken, modifiye membran yaklaşık 75 saate kadar kararlı performans sergilemiştir. Sonuç olarak, CNC katkısı ve kısa süreli OTS modifikasyonu ile elde edilen PVDF-HFP nanolif membranlar, hem ıslanma hem de mineral çökelme gibi sınırlayıcı etkiler karşısında yüksek direnç göstermiştir. Bu yönüyle çalışma, sürdürülebilir, uzun ömürlü ve yüksek performanslı MD membranlarının geliştirilmesine yönelik önemli bir katkı sunmaktadır.With the increasing global demand for water, research on alternative water treatment technologies has gained significant importance. Membrane distillation (MD) has emerged as an innovative membrane technology, particularly effective in treating high-salinity solutions, due to its low energy requirements, modular structure, and high salt rejection efficiency. However, one of the major challenges hindering the widespread adoption of MD systems is the insufficient wetting resistance of the membranes used against surfactants and mineral scaling. This issue leads to significant losses in membrane performance, thereby limiting the long-term efficiency of the system. In this thesis study, poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP) based nanofiber membranes were fabricated using the electrospinning method. The morphological and functional properties of the membranes were enhanced by incorporating cellulose nanocrystals (CNC) and applying surface modification with octadecyltrichlorosilane (OTS). Among different PVDF-HFP concentrations (15 wt%, 20 wt%, and 25 wt%) evaluated, the membrane prepared with 20 wt% PVDF-HFP and a 3-hour electrospinning duration was identified as the optimal membrane, offering a flux of 11,1 kg/m².h and a salt rejection of 99,9%. The CNC loading was optimized at 0,5 wt%, and surface hydrophobicity was improved via OTS modification applied for durations ranging from 1 to 120 minutes. As a result, the water contact angle increased to 158,5° and the liquid entry pressure (LEP) reached 1,4 bar, giving the membranes a superhydrophobic character. The wetting resistance of the modified membranes was evaluated using synthetic saline feed solutions containing sodium dodecyl sulfate (SDS). The membrane modified with only 1 minute of OTS treatment demonstrated stable flux and 99,9% salt rejection up to 0,6 mM SDS concentration, indicating excellent wetting resistance. Moreover, in scaling resistance tests with 20 mM CaSO4 solution, the unmodified membrane showed signs of membrane wetting around 8 hours, whereas the modified membrane maintained stable performance up to around 75 hours. In conclusion, the PVDF-HFP nanofiber membranes developed with CNC incorporation and OTS modification exhibited high resistance against both wetting and mineral scaling. In this regard, the study provides a significant contribution to the development of sustainable, long-lasting, and high-performance MD membranes.