Araştırma, doğal kil, badem kabuğu atığı ve kireç kullanılarak daha düşük sıcaklıkta üretilebilen düz seramik membranların su arıtımındaki performansını inceliyor. Badem kabuğu oranı ağırlıkça %2–10, sinterleme sıcaklığı ise 850–950 °C arasında değiştirilmiş; membranların büzülme, porozite, mekanik özellik, kimyasal dayanım, mikro yapı, su geçirgenliği, kirlenme davranışı ve kristal viyole ile parasetamol giderimi ölçülmüştür. Araştırmacılar genel performans dengesi açısından 900 °C'de sinterlenen, %2 badem kabuğu ve %2 kireç içeren MP2-900 membranını öne çıkarmaktadır. Bu membran için saf su geçirgenliği 35 L·h⁻¹·m⁻²·bar⁻¹, kristal viyole ve parasetamol giderimi ise yaklaşık %87 olarak raporlanmıştır. Bununla birlikte deneyler laboratuvar ölçeğinde ve sentetik kirletici çözeltileriyle gerçekleştirilmiştir; çalışma gerçek endüstriyel atıksuda uzun dönemli saha performansını veya ölçek büyütmeyi kanıtlamamaktadır.

Çalışmanın temel yaklaşımı iki sürdürülebilirlik problemini aynı anda hedeflemektedir: geleneksel seramik membranların yüksek hammadde ve sinterleme maliyetini azaltmak ve tarımsal bir atık olan badem kabuğunu membranın gözenek oluşturucu bileşeni olarak değerlendirmek. Araştırmada doğal kil ana seramik matris, badem kabuğu tozu porojen, CaO ise yapısal oluşuma katkı veren katkı maddesi olarak kullanılmıştır.

Sonuçların en önemli mesajı, daha yüksek porozitenin tek başına daha iyi membran anlamına gelmediğidir. Badem kabuğu miktarı arttıkça gözenek oluşumu ve geçirgenlik artabilmekte, fakat daha büyük boşluklar ve daha ince gözenek duvarları mekanik bütünlüğü zayıflatabilmektedir. Buna karşılık 900 °C'ye çıkılması seramik yapıyı yoğunlaştırarak gözenek boyutunu ve poroziteyi azaltırken mekanik bütünlüğü geliştirmektedir. Araştırmacıların seçtiği MP2-900, bu geçirgenlik–seçicilik–dayanım dengesinin çalışma içindeki en uygun örneğidir.

Araştırmanın temel problemi nedir?

Seramik membranlar kimyasal, termal ve mekanik dayanımları nedeniyle su arıtımında önemli avantajlar sağlayabilir. Ancak alumina, titania, zirkonya ve silika gibi geleneksel seramik hammaddelerinin maliyeti ile 1400–1600 °C düzeylerine çıkabilen sinterleme sıcaklıkları, üretimin enerji ve maliyet yükünü artırmaktadır. Çalışma bu nedenle daha düşük maliyetli doğal kil ile tarımsal atık kökenli bir porojenin birleştirilip daha düşük sıcaklıkta işlevsel bir membran oluşturup oluşturamayacağını araştırmaktadır.

Araştırmacılar kuzeybatı Cezayir'den elde edilen doğal kili kullanmıştır. Kaynakta bu kilin ağırlıkça %42,96 SiO₂ ve %37,7 Al₂O₃ içerdiği; ayrıca TiO₂, MgO, Fe₂O₃, CaO ve K₂O gibi daha düşük oranlı bileşenlerin bulunduğu belirtilmektedir. Badem kabukları yıkanmış, kurutulmuş ve öğütülmüş; bütün başlangıç tozları 100 µm elekten geçirilmiştir.

Membran bileşimleri nasıl oluşturuldu?

Kaynağa göre %10'un üzerindeki badem kabuğu oranları ön deneylerde aşırı büzülme ve şişmeye yol açarak membran morfolojisini bozduğu için deney tasarımına alınmamıştır.

Üretim süreci

Kil, kireç ve badem kabuğu tozu az miktarda suyla homojen biçimde karıştırılmış, ardından karışım silindirik kalıpta 940 MPa basınç altında 5 dakika sıkıştırılmıştır. Yaklaşık 50 mm çapında ve üretim aşamasında yaklaşık 3 mm kalınlığında disk biçimli yeşil membranlar elde edilmiştir. Numuneler 100 °C'de kurutulmuş ve 850, 900 veya 950 °C'de sinterlenmiştir.

Sinterleme programında organik maddelerin ve uçucu bileşenlerin uzaklaştırılması için 300 °C'de 2 saatlik bir bekletme aşaması uygulanmış, termal gerilmeyi ve çatlamayı azaltmak amacıyla ısıtma hızı 2 °C·dak⁻¹ olarak tutulmuştur.

Badem kabuğu neden önemli?

Badem kabuğu, seramik yapı içinde kalıcı bir dolgu maddesi olarak değil, büyük ölçüde termal işlem sırasında ayrışarak gözenek oluşturan doğal bir porojen olarak görev yapmaktadır. FTIR sonuçlarında 850 °C'deki membranlarda organik bileşenlerle ilişkili bantların daha belirgin olduğu, 900 °C'de ise bu bantların önemli ölçüde zayıfladığı görülmüştür. Araştırmacılar bunu lignoselülozik bileşenlerin ayrışması ve daha kararlı silikat temelli bir seramik ağın oluşmasıyla ilişkilendirmektedir.

SEM görüntüleri de bileşim ile sıcaklığın ortak etkisini göstermektedir. 850 °C serisinde badem kabuğu oranı yükseldikçe daha açık, daha heterojen ve daha bağlantılı gözenekli bir yüzey oluşmaktadır. 900 °C serisinde ise artan sıcaklık kısmi yoğunlaşmayı güçlendirmekte; karşılık gelen 850 °C numunelerine göre daha küçük ve daha az sayıda gözenek görülmektedir.

Sinterleme sıcaklığı neden 900 °C'de öne çıktı?

850 °C'de büzülme bütün bileşimlerde yaklaşık %3–4 düzeyinde kalmıştır. 900 °C'de büzülme yükselmekle birlikte özellikle düşük badem kabuğu içerikli membranlarda kabul edilebilir düzeyde korunmuştur. 950 °C'de ise büzülme belirgin biçimde artmış ve MP10 için yaklaşık %11'e ulaşmıştır. Araştırmacılar 950 °C numunelerinde görünür yapısal deformasyon gözledikleri için bu sıcaklıktaki membranları sonraki ayrıntılı karakterizasyonlardan çıkarmıştır.

Porozite açısından ana sonuç bölümünde MP2, MP4, MP6 ve MP10 için 850 °C'de sırasıyla %23,61, %23,96, %26,8 ve %28; 900 °C'de ise %21,25, %22,39, %23,96 ve %26,39 değerleri raporlanmıştır. Bu eğilim, sıcaklık arttığında yoğunlaşmanın artmasına; badem kabuğu miktarı arttığında ise yanma sonrası daha fazla gözenek oluşmasına bağlanmaktadır.

Kristal viyole ve parasetamol aynı mekanizmayla mı tutuluyor?

Hayır. Çalışmanın mekanizma yorumuna göre kristal viyole (CV) pozitif yüklü katyonik bir boyadır. Membran yüzeyinin negatif yüklü olduğu koşullarda elektrostatik çekim CV tutulmasına önemli katkı sağlamaktadır. Sterik engelleme ve kısmi adsorpsiyon da bu sürece eşlik etmektedir.

Parasetamol (PCT) ise nötr organik bir molekül olarak ele alınmaktadır. Araştırmacılar PCT tutulmasını daha çok membran yüzeyindeki fonksiyonel gruplara adsorpsiyon, hidrojen bağları ve boyut dışlama etkileriyle ilişkilendirmektedir. Dolayısıyla aynı membranın iki kirletici için benzer toplam giderim yüzdesine ulaşması, giderim mekanizmalarının aynı olduğu anlamına gelmemektedir.

Kirlenme ve temizlenebilirlik

Bir saatlik filtrasyon deneylerinde akı ilk yaklaşık 30 dakika boyunca azalmış ve daha sonra kararlı bir bölgeye yaklaşmıştır. MP2-900 için kararlı akı kristal viyole çözeltisinde yaklaşık 31 L·h⁻¹·m⁻², parasetamol çözeltisinde yaklaşık 32 L·h⁻¹·m⁻² olarak verilmiştir.

Kaynak tablolarında MP2-900 için kristal viyole filtrasyonunda akı geri kazanım oranı (FRR) %88,3, parasetamolde ise %85,7 olarak verilmektedir. Araştırmacılar ayrıca deiyonize suyla yapılan tekrarlı geri yıkama deneylerinde başlangıç geçirgenliğinin %90'dan fazlasının geri kazanılabildiğini bildirmektedir. Bu sonuç laboratuvar koşullarındaki temizlenebilirliği destekler; uzun süreli gerçek tesis işletmesinde aynı performansın korunacağını kanıtlamaz.

Kimyasal ve termal dayanım

Membranlar kuvvetli asidik ve bazik ortamlarda 72 saat boyunca bekletilerek kütle kaybı üzerinden değerlendirilmiştir. Bazik ortamda bildirilen maksimum kütle kaybı yaklaşık %1,1'dir. Asidik ortamda kayıp daha yüksek olmuş; araştırmacılar bunu kalsiyum ve magnezyum gibi mineral bileşenlerin asit ortamında çözünmeye daha yatkın olmasıyla açıklamıştır. Kimyasal testlerden sonra sunulan SEM görüntülerinde belirgin çatlak veya ağır yüzey bozunması bildirilmemiştir.

TGA sonuçlarında membranlar 200–250 °C'nin altında adsorbe su ve uçucu bileşenlerin uzaklaşmasına bağlı ilk kütle kaybını göstermiş; daha yüksek sıcaklıklarda genel olarak daha sınırlı değişim sergilemiştir. Çalışma, 900 °C'de hazırlanan membranların 850 °C serisine göre daha iyi termal yapısal konsolidasyon gösterdiği sonucuna varmaktadır.

Kaynak içindeki önemli sayısal tutarsızlıklar

Bu çalışma yorumlanırken birkaç kaynak içi tutarsızlık özellikle dikkate alınmalıdır:

• MP2-900 mekanik dayanımı: özette yaklaşık 28 MPa, karşılaştırma tablosunda 25 MPa, karşılaştırmalı değerlendirme metninde ise 42 MPa verilmektedir. Bu nedenle Verianla bu üç değerden herhangi birini kesin ve tek doğru mekanik dayanım değeri olarak seçmemektedir.
• MP2-900 porozitesi: ana sonuç bölümünde %21,25 verilirken daha sonraki karşılaştırma tablosunda çalışma için %12,5 gösterilmektedir.
• İzoelektrik nokta: metinde MP2-900 için yaklaşık pH 6,4 belirtilirken Şekil 10 üzerinde pH_iso=7,2 etiketi bulunmaktadır.
• MP2-850 parasetamol giderimi: Şekil 11c üzerindeki çubuk etiketi %86 iken takip eden metinde %87 olarak yazılmıştır.
• Kimyasal dayanım koşulu: yöntem bölümünde bazik çözeltinin pH değeri 10, sonuç bölümünde ise pH 11 olarak belirtilmiştir.
• Maliyet hesabı: metin yaklaşık 3,36 ABD doları·m⁻² üretim maliyeti bildirirken maliyet tablosunda tek membran için 3,358 ABD doları, membran alanı 1,7 × 10⁻³ m² ve daha sonra 3,376 ABD doları·m⁻² değeri birlikte verilmiştir. Bu sayılar aynı hesap içinde aritmetik olarak uzlaştırılamadığından maliyet sonucu kesin birim alan maliyeti olarak kullanılmamalıdır.
• EDX anlatımı ve tablo: metinde belirtilen bazı elementler ile Tablo 2'de görünen element listesi birbiriyle tam olarak örtüşmemektedir.

Bu tutarsızlıklar çalışmanın deneysel yaklaşımını otomatik olarak geçersiz kılmaz; ancak özellikle mekanik dayanım, porozite, izoelektrik nokta ve maliyet gibi parametrelerin ikincil çalışmalarda tek bir kesin değer olarak aktarılmasını sakıncalı hâle getirir.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar

• Doğal kil, badem kabuğu ve kireç kullanılarak laboratuvar ölçeğinde işlevsel düz seramik membranlar üretilebilmiştir.
• Badem kabuğu miktarı ve sinterleme sıcaklığı membranın gözenekliliğini, morfolojisini, geçirgenliğini ve mekanik bütünlüğünü belirgin biçimde etkilemiştir.
• 950 °C çalışma kapsamındaki bileşimler için aşırı büzülme ve deformasyon riski oluşturmuştur.
• MP2-900, çalışmanın kendi değerlendirmesine göre geçirgenlik, giderim ve yapısal bütünlük arasındaki en dengeli formülasyondur.
• MP2-900 için 35 L·h⁻¹·m⁻²·bar⁻¹ su geçirgenliği ve yaklaşık %87 CV/PCT giderimi raporlanmıştır.
• Deiyonize suyla yapılan temizleme ve geri yıkama deneyleri membranların laboratuvar ölçeğinde önemli ölçüde akı geri kazanabildiğini göstermiştir.

Çalışmanın kanıtlamadığı sonuçlar

• Gerçek endüstriyel atıksuda uzun dönemli %87 giderim performansı kanıtlanmamıştır.
• Pilot veya tam ölçekli tesis performansı gösterilmemiştir.
• Uzun dönem membran ömrü ve yıllar ölçeğinde mekanik dayanıklılık belirlenmemiştir.
• Kaynak içindeki çelişkiler nedeniyle MP2-900 için tek ve kesin bir mekanik dayanım veya porozite değeri güvenle çıkarılamamaktadır.
• Raporda verilen birim alan üretim maliyeti, kaynak içindeki hesap uyumsuzluğu nedeniyle bağımsız olarak doğrulanmış ekonomik maliyet kabul edilmemelidir.
• Laboratuvar sonuçları doğrudan ticari veya endüstriyel başarı garantisi değildir.

Türkiye açısından ne ifade ediyor?

Çalışma Türkiye'de gerçekleştirilmemiştir ve kullanılan kil Cezayir kaynaklıdır. Bu nedenle aynı bileşim Türkiye'deki herhangi bir doğal kil, tarımsal atık veya atıksu matrisi için aynı performansı verecekmiş gibi yorumlanamaz. Türkiye'deki olası bir uyarlamada yerel kilin mineralojik ve kimyasal bileşimi, badem kabuğunun özellikleri, sinterleme davranışı, hedef atıksuyun iyonik ve organik matrisi, enerji maliyeti, membran kirlenmesi ve gerçek proses koşulları yeniden deneysel olarak doğrulanmalıdır.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Deney tasarımının teknik özeti

Temel denklemler

Çap büzülmesi:

\[ S(\%)=\frac{D_0-D_1}{D_0}\times100 \]

Burada D₀ sinterleme öncesi membran çapını, D₁ ise termal işlem sonrası çapı ifade eder. Denklem, ısıl işlem sırasında membranın boyutsal küçülmesini yüzde olarak hesaplar.

Açık porozite:

\[ P(\%)=\frac{M_{sat}-M_d}{M_{sat}-M_{sub}}\times100 \]

M_d kuru kütle, M_sub su içinde ölçülen batık kütle ve M_sat suyla doygun numune kütlesidir. Yöntem Arşimet prensibine dayanmaktadır.

Permeat akısı:

\[ J=\frac{V}{tA} \]

V toplanan permeat hacmi (L), t filtrasyon süresi (h), A etkin membran alanı (m²) ve J permeat akısıdır.

Basınç–geçirgenlik ilişkisi:

\[ J_v=L_p\Delta P \]

J_v su akısı, L_p membran geçirgenliği ve ΔP transmembran basınç farkıdır. Kaynağın Denklem 4 çevresindeki transmembran basınç tanımlarında birbirini tam karşılamayan ifadeler bulunduğundan, burada yalnız doğrudan verilen Darcy tipi ana ilişki korunmuştur.

Kirletici giderim oranı:

\[ R(\%)=\frac{C_0-C_p}{C_0}\times100 \]

C₀ besleme çözeltisindeki başlangıç kirletici konsantrasyonu, C_p ise filtrasyon sonrasındaki permeat konsantrasyonudur.

Porozite ve sinterleme sıcaklığı

Bu veri serisi, aynı badem kabuğu oranında 850 °C'den 900 °C'ye çıkıldığında açık porozitenin azaldığını; aynı sıcaklıkta badem kabuğu oranı arttığında ise porozitenin genel olarak yükseldiğini göstermektedir. Kaynağın daha sonraki karşılaştırma tablosunda verilen %12,5 değeri bu ana sonuç serisiyle uyuşmadığı için tabloya dahil edilmemiştir.

Geçirgenlik ve seçicilik dengesi

Çalışmada badem kabuğu oranı %6'dan %2'ye azaldığında su geçirgenliğinin yaklaşık 46'dan 35 L·h⁻¹·m⁻²·bar⁻¹ seviyesine düştüğü belirtilmektedir. Daha düşük porozite ve daha küçük gözenekler su geçişini sınırlandırırken kirletici tutulması ve mekanik yapı açısından avantaj sağlayabilmektedir. MP2-900'ün tercih edilmesinin temelinde bu denge bulunmaktadır.

Şekil 11c'nin kendi etiketlerine göre MP2-900 her iki kirleticide de %87 ile karşılaştırılan membranlar arasındaki en yüksek ortak giderim performansını göstermektedir. Bununla birlikte bu sonuç sentetik kirletici çözeltilerinde, laboratuvar ölçekli dead-end filtrasyon koşullarında elde edilmiştir.

Akı geri kazanımı

Tablolardaki değerler, deiyonize suyla temizlik sonrasında akının önemli ölçüde geri kazanılabildiğini gösterir. Bununla birlikte kaynakta FRR/FDR denklemlerinin sembol ve açıklamalarında sonraki tablolarla tam örtüşmeyen terminoloji bulunduğundan, Verianla burada doğrudan raporlanan FRR tablo değerlerini aktarmakta ve denklem terminolojisini yeniden yorumlamamaktadır.

XRD, FTIR, TGA ve SEM birlikte ne gösteriyor?

XRD analizinde bütün membranlarda kuvars baskın kristal faz olarak tanımlanmış; CaO ile ilişkili pikler de gözlenmiştir. FTIR, artan sinterleme sıcaklığıyla badem kabuğu kaynaklı organik bantların zayıfladığını ve silikat temelli seramik yapının güçlendiğini göstermektedir. TGA sonuçları 900 °C serisinin genel olarak daha iyi termal konsolidasyona sahip olduğunu desteklemektedir. SEM ise badem kabuğu arttıkça gözenek oluşumunun arttığını, buna karşılık 900 °C'deki yoğunlaşmanın gözenekleri daha ince ve daha sınırlı hâle getirdiğini göstermektedir.

Bu farklı karakterizasyon yöntemleri birlikte değerlendirildiğinde çalışmanın ana malzeme bilimi sonucu ortaya çıkmaktadır: badem kabuğu porojen olarak gözenek oluştururken sinterleme sıcaklığı bu gözeneklerin ne ölçüde korunacağını veya yoğunlaşmayla daralacağını belirlemektedir. Membranın işlevsel performansı bu iki etkinin dengelenmesine bağlıdır.

Kaynak ve Yöntem Notu

Tam özgün çalışma adı: Eco-Friendly Ceramic Membranes from Natural Clay and Almond Shell Waste for the Removal of Dyes and Drugs from Wastewater

Yazarlar: Jamila Bahrouni; Feryelle Aouay; Christian Larchet; Lasâad Dammak; Raja Ben Amar.

Sorumlu yazarlar: Lasâad Dammak ve Raja Ben Amar.

Kurumlar: Research Unit “Advanced Technologies for Environment and Smart Cities”, Faculty of Sciences, University of Sfax, Sfax, Tunisia; Institut de Chimie et des Matériaux Paris Est, ICMPE UMR-CNRS 7182-UPEC, Université Paris-Est Créteil, Thiais, France.

Dergi: Membranes.

Yayınevi: MDPI.

Cilt / sayı / makale numarası: 16(2), 52.

DOI: 10.3390/membranes16020052.

Yayın tarihi: 27 Ocak 2026.

Kaynak türü ve hakemlik: Hakemli deneysel araştırma makalesidir.

Resmî bağlantı:https://doi.org/10.3390/membranes16020052

Lisans: Creative Commons Attribution (CC BY).

Finansman: Yazarlar araştırmanın dış finansman almadığını bildirmiştir.

Veri erişilebilirliği: Çalışmanın sonuçlarını destekleyen ham verilerin talep üzerine yazarlar tarafından sağlanacağı belirtilmiştir.

Çıkar çatışması: Yazarlar çıkar çatışması olmadığını beyan etmiştir.

Yazar katkıları: Kavramsallaştırma Lasâad Dammak ve Raja Ben Amar; yöntem Jamila Bahrouni, Feryelle Aouay ve Christian Larchet; doğrulama Lasâad Dammak, Christian Larchet ve Raja Ben Amar; araştırma Jamila Bahrouni, Feryelle Aouay ve Lasâad Dammak tarafından yürütülmüştür. Veri düzenleme, yazım, denetim, proje yönetimi ve finansman edinimi için kaynakta ayrıntılı CRediT dağılımı verilmiştir.

Bilimsel içerik kapsamı: Bu Verianla metnindeki deneysel bulgular, sayısal sonuçlar, yöntem açıklamaları ve sınırlılıklar yüklenen 23 sayfalık çalışmaya dayanmaktadır. Dış kaynaklardan çalışmanın içine yeni deneysel sonuç veya yeni bilimsel bulgu eklenmemiştir; dış doğrulama yalnız bibliyografik kimlik ve yayın durumunun kontrolü amacıyla kullanılmıştır.

Temel yöntemsel sınır: Kirletici giderim deneyleri laboratuvar ölçekli dead-end filtrasyon sisteminde sentetik CV ve PCT çözeltileriyle gerçekleştirilmiştir. Çalışma gerçek endüstriyel atıksuda uzun süreli pilot tesis doğrulaması veya ölçek büyütme sunmamaktadır. Yazarlar da gerçekçi atıksu koşullarında uzun dönem kararlılık ve ölçek büyütme çalışmalarını gelecekte yapılması gereken çalışmalar arasında göstermektedir.

Kaynak içi tutarlılık uyarısı: Makalede mekanik dayanım, porozite, izoelektrik nokta, MP2-850 PCT giderimi, kimyasal dayanım testinin bazik pH değeri ve maliyet hesabı gibi bazı alanlarda birbirini karşılamayan değerler bulunmaktadır. Verianla bu farkları sessizce düzeltmemiş ve çelişkili değerleri tek bir kesin sonuca dönüştürmemiştir.