Synthesis of antibacterial polymers reducing biofilm formation and their application on hollow fiber membranes

Abstract

Klasik su arıtma sistemleri sıkılaşan standartları sağlamakta yetersiz kalmaktadırlar. Bu sebeple, ileri arıtma proseslerine olan talep gün geçtikçe artmaktadır. Membran prosesleri en çok tercih edilen ileri arıtma prosesleridir. Bu prosesler içerisinde ultrafiltrasyon (UF) membranları yaygın kullanıma sahiptir. UF membranları çapraz-akışlı veya dik-akışlı olarak işletilebilmektedir. Dik-akışlı filtrasyon yöntemi daha az enerji kullandığı için avantajlıdır, ancak zamanla diğer yönteme göre hızlı tıkanması bu sistemin önündeki en büyük engellerdendir. Tıkanmaların en önemli sebeplerinden birisi ise su arıtımı ile filtrelenen mikroorganizmaların membran yüzeyinde oluşturduğu biyofilmlerdir. Genellikle su arıtma tesislerinde, membran yüzeyinde oluşan bu biyofilmleri uzaklaştırmak için membranlara zarar veren sodyum hipoklorit gibi kimyasallar ile periyodik ters(geri)-yıkamalar yapılmaktadır. Bu yıkamalarda ortaya çıkan halojenler bir miktar daha membran yüzeyinde tutulabilirse, yıkama sayıları azaltılabilir ve membran kullanım ömürleri uzatılabilir. Bu varsayım halojenleri depolayabilen N-halamin kimyası ile gerçekleştirilebilir. Böylece her yıkama işleminde membran yüzeyleri tekrar aktifleştirilmiş olup, farklı kimyasallar kullanılmadan antibakteriyel yüzeyler elde edilmiş olacaktır.Bu çalışmada, su uygulamalarında kullanılacak ultrafiltrasyon membranların biyobozunum dirençlerini arttırmak amacıyla, matris polimer ile ortak çözgende çözülebilen, yüksek klor depolama kapasitesine sahip, klor stabilitesi yüksek ve su ile malzemeden kolayca uzaklaşmayan polimerler sentezlenmiş ve sentezlenen polimerler membran üretiminde kullanılan polimer matrislere katılarak, düz ve içi boş lifler üretilmiştir. İçi boş lif üretimi için bir kuru-jet-yaş çekim hattı ve bir düze tasarlanmış ve üretilmiştir. Kurulan sistemde içi boş lifler başarıyla üretilmiş ve geçirgenlik testleri için modül formunda paketlenmiştir. Membranların üretiminde kullanılan polimerlerin üçlü faz diyagramları ile düz ve içi boş liflerin morfolojik ve yüzey özellikleri incelerenek sentezlenen antibakteriyel polimerlerin yapıya olan etkileri belirlenmiştir. Geçirgenlik testleri ve SEM analizleri yardımıyla membranların gözeneklilikleri hakkında bilgi edinilmiş, katkısız membrana göre membranın su akısı ve protein reddi değerlerindeki iyileşmeler ortaya konulmuştur. Ayrıca elde edilen düz membran geçirgenlik değerleri halihazırda ticari olarak kullanılan bir PVDF membran ile kıyaslanarak, elde edilen protein reddi değerlerinin ticari membrandan dahi yüksek olduğu görülmüştür. Yine benzer şekilde üretilen içi boş lifler ticari kataloglardaki akı değerlerine çok yakın su akısı değerleri göstermiştir. Son olarak üretilen membranların farklı test yöntemleriyle hızlı ve uzun süreli bir antibakteriyel etkinliğe sahip olduğu kanıtlanmıştır.

Conventional water filtration systems become insufficient to fulfill the standards. Therefore, the demand to advanced filtration processes increases dramatically. Membrane processes are preferred the most, especially the ultrafiltration (UF) membranes. Among the cross-flow and static (dead-end) ultrafiltration methods, static filtration is advantageous by using less energy; however, relatively fast fouling compared to the cross-flow method is one of the main drawbacks of this system. One of the major reasons for fouling is the biofouling caused by the colonization of microorganisms on the surface of membranes. In general, to remove the formed biofilms on the membrane surfaces, chemical backwashings are periodically applied to membranes and these washings decrease the membranes mechanic performances. If the halogens (occur during the backwashing cycles) can be hold for a longer period of time on the surface of membranes, the use-life of membranes can be increased by reducing the number of harmful washing cycles. This assumption can be achieved by using halogen storing N-halamine compounds. In this regard, the prepared membranes will be reactivated in each washing-cycle and antibacterial surfaces will be provided without the necessity of various chemicals. In this study, in order to increase the biodegradability resistance of the ultrafiltration membranes used in water treatments, polymers having high chlorine loading capacity, good solubility in matrix systems, high chlorine stability and not leaching from the material by water were synthesized and added to matrix polymers being used in the production of flat sheet and hollow fiber membranes (HFM). A dry-jet-wet spin line and spinneret was designed and produced. HFMs were successfully manufactured in the established spinning system and packed in module form. The effects of antibacterial polymers on the membrane structures were determined by investigation of ternary phase diagrams, morphological and surface properties of flat sheet and HFMs. The permeability tests and SEM analyzes were used to obtain information about the porosity of the membranes and the improvement of the water flux and protein rejection values of the membranes according to the unmodified membranes. In addition, the produced flat-sheet membranes permeability values were compared with a commercial PVDF membrane and it was found that some of the produced membranes showed higher protein rejection performance than the commercial membrane. Likewise, the water flux of HFMs were very close to the commercial membranes. Finally, the speed and duration of the produced membranes biocidal performances were proven with different test methods.