Simultaneous salt and boron removal from seawater using reverse osmosis process
Ters osmoz prosesi kullanarak deniz suyundan eşzamanlı bor ve tuz giderme
- Tez No: 439449
- Danışmanlar: PROF. DR. ŞERİFE BİRGÜL ERSOLMAZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 107
Özet
Dünya'nın yüzeyinin yüzde 70'i su ile kaplı olmasına rağmen bu suların sadece toplam yüzde 0.007'si ulaşılabilir tatlı sudur. Artan nüfus ve endüstrileşme nedeniyle suya olan ihtiyaç gün geçtikçe artmaktadır. Bugün, dünya nüfusunun yüzde 40'ı su sıkıntısıyla karşı karşıya iken 2025 yılında bu oranın yüzde 48'e çıkacağı öngörülmektedir. Ayrıca, varolan suyun büyük oranda sanayide kullanımı ile artan su kirliliği mevcut kaynakları da azaltmaktadır. Özellikle su sıkıntısı yaşayan bölgelerdeki nüfus artışı o bölgede varolan sulardan kullanıma uygun su elde etmek için arayışların başlanmasına neden olmuştur. Artan ihtiyacı karşılamak için doğrudan kullanıma uygun olmayan fakat dünyadaki suyun yüzde 97.5'ini oluşturan tuzlu sulardan desalinasyon ile tatlısu elde etme teknikleri geliştirilmiştir. Desalinasyon temel olarak, tuz ve mineral gibi çözünmüş katıların sudan uzaklaştırılması işlemidir. 1965'te 2 milyon m3/gün olan desalinasyon kapasitesi 2011'de 71 milyon m3/gün'e ulaşmıştır. 2000 yılından itibaren farklı kaynakların kullanılması yerine deniz suyunun desalinasyonu büyük önem kazanmıştır. Günümüzde, kurulu desalinasyon kapasitesinin yüzde 62'si kentsel amaçlı kullanılıyorken, yüzde 2'si sulama suyu olarak kullanılmaktadır. Ayrıca, kurulu kapasitenin yüzde 8'i çok tesirli distilasyon (MED), yüzde 23'ü çok kademeli ani buharlaştırıcı (MSF) ve en büyük payını da yüzde 63 ile ters osmoz (RO) oluşturmaktadır. Eğer bölgesel olarak kurulu kapasiteye bakılacak olursa büyük çoğunluğu yüze 46.1 ile Arap Yarımadası'nda iken, İspanya ve Amerika sırasıyla neredeyse eşit olarak yüzde 13.8 ve 13.5 ile ikinci sırada yer almaktadır. Bunları kurulu kapasitenin yüzde 11'i ile Çin izlemektedir. Halen kurulu kapasitenin yüzde 8'ini oluşturan çok etkili buhalaştırıcılar tuzlu sulardan tatlı su eldesi için ilk kullanılan prosestir. Fakat küçük üretim kapasitesi, yüksek enerji maliyeti ve tuzların çökelmesini önlemek için gerekli olan yüksek sıcaklıklarda çalıştırılamaması proseste iyileştirme arayışlarına neden olmuştur. 1950'lerin sonları ile 1960'ların başlarında MSF buharlaştırma teknolojisi geliştirilmiştir. MSF prosesinde buharlaştırma düşük basınçta gerçekleştirilerek suyun daha düşük sıcaklıkta kaynaması sağlanmaktadır. Ancak buna ragmen MSF gene de enerji yoğun bir prosestir ve hem termal ve hem de mekanik enerji gerektirir. 1960'larda ilk sentetik membranların geliştirilmesi ve 1980'lerde yeni tip membranların piyasaya sürülmesi ve membran fiyatlarının gün geçtikçe azalması membran teknolojisinin suyun desalinasyonunda önemli bir rol oynamasına neden olmuştur. Özellikle ters osmoz prosesinin desalinasyon için kullanılması ve MED ve MSF proseslerine göre daha düşük enerji harcaması bu alanda yapılan çalışmalarda artış olmasını sağlamıştır. Ters osmoz prosesinde, seçici geçirgen bir membran kullanılarak ve tuzlu suyun osmotik basıncının üstünde bir basınç farkı uygulanarak suyun tuz derişimi yüksek olan taraftan düşük olan tarafa herhangi bir ısıtma veya faz değişimine gerek kalmadan geçmesi sağlanır. Seçici geçirgen membranlar tuzların ve büyük moleküllerin geçişine büyük oranda izin vermemektedir. Ayırmanın etkinliği membran tuz giderim yüzdesi yani kalan akımdaki tuz derişiminin beslenen akımdaki tuz derişimine oranı ile ifade edilir. Membran tuz giderimi 1970'lerde %97 iken, son yıllarda kullanılan membranlar %99.7 düzeylerine kadar tuz giderimi sağlayabilmektedir. Membranlardan taşınım iki farklı yolla olmaktadır. İlki sudaki yüklü iyonların membran yüzeyinde bulunan aynı yüklü iyonlarca reddedilmesi, diğeri ise membran gözeneklerinden büyük olan iyon ya da moleküllerin boyut farkı dolayısıyla reddedilmesidir. Membran tuz gideriminin yanı sıra geri kazanım yüzdesi de ters osmoz sistemleri için önemli bir parametredir. Geri kazanım yüzdesi, elde edilen ürün miktarının beslenen akım miktarına oranı olarak hesaplanır. Ayrıca ters osmoz çalışması sırasında tüketilen enerji miktarı da prosesin uygulanabilirliği ve düşük maliyetli olabilmesi açısından önem taşır. En büyük enerji ihtiyacı membranın iki tarafı arasında uygulanan basınç farkı için gereklidir. Enerji tüketimi, membrandan geçen akımın birim akış hızı başına uygulanan basınç ve besleme akış hızı miktarıyla doğru orantılı olarak hesaplanır. Eğer kalan akımın (membrandan geçmeyen akım) yüksek basıncından yararlanılmak isteniyorsa enerji geri kazanım ünitesi kullanılarak net özgün enerji tüketimi bulunur. Son yıllarda, membran ve modül üretimindeki gelişmeler sonucunda membran fiyatlarının düşmesi ile, ters osmoz prosesinin desalinasyon alanında dünya çapında kullanımı artmıştır. Günümüzde dünyadaki kurulu desalinasyon kapasitesinin yüzde 60'ını ters osmoz prosesleri oluşturmaktadır. Yüksek tuz giderim kapasitesi, dayanıklılığı, düşük ayakizi ve üretim kolaylığı nedeniyle, ters ozmos prosesinde polimerik membranlar kullanılmaktadır. Ancak, göreceli olarak düşük geçirgenliğe sahip olması, kirlenmeye yatkın olması ve eser miktardaki çözünmüş küçük moleküllü bileşiklerin (örneğin bor bileşikleri) de geçmesine izin vermesi polimerik membranların önemli sorunları arasında yer almaktadır. İnsan sağlığına ve bitkilere zarar vermesi ile bilinen bor deniz suyunda 10 ppm ve üzeri miktarlarda bulunmaktadır. Dünya Sağlık Örgütü (WHO) içme suyunda ve sulama suyunda bulunabilecek en fazla bor miktarlarını sırasıyla 2.4 ppm ve 0.5 ppm olarak belirlemiştir. Sulama suyunun limon, böğürtlen ve frenk üzümü için 0.5 ppm'den az; avokado, portakal, kayısı, ceviz ve greyfurt için 0.5 ppm ile 1 ppm arasında olması istenmektedir. Nötr pH seviyesinde, deniz suyundaki başlıca bor bileşiği olan borik asit (H3BO3) yük içermez ve molekül büyüklüğü (2.573 Å) hidrojen bağlı su moleküllerine (2.7 Å) yakındır. Bu nedenle, RO membranları genelde düşük bor giderim yüzdesine (< %90) sahiptir ve bor miktarını 0.5 ppm'in altına düşürememektedir. Günümüz RO membranları ile daha yüksek bor giderim yüzdelerine ancak besleme çözeltisinin pH'ının (25 C'de borik asitin su içerisindeki pKa değeri olan) 9.24'ün üzerine çıkarılması ve böylece borik asidin borat iyonlarına dönüşmesi ile mümkün olabilmektedir. Borat iyonları hidrojen bağlı su moleküllerinden daha büyük olduğundan RO membranlarından geçememektedir. Ancak, yüksek pH değerlerinde gerçekleştirilen RO prosesi, ayırma sonrası gereken pH düşürme gereksinimi ve membran ömrünün azalması nedeniyle daha pahalıdır. Bu nedenle deniz suyundan bor giderimi yaygın olarak çok kademeli nötr ortamda gerçekleştirilen RO sistemlerinin sonrasında iyon değiştirici kolonlar kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Belirli bir seviyeye indirilmiş bor derişimine sahip su bor seçici iyon değiştirici kolondan geçirilerek standardlara uygun bor derişimi sağlansa da bu yöntemin dezavantajı, iyon değiştiricilerin ek maliyet getirmesi ve rejenerasyon işlemi gerektirmesidir. Bu olumsuz nedenlerden dolayı farklı hibrit proses arayışına girilmiş, RO prosesi ile elektrodiyaliz, elektrodeiyonizasyon veya adsorpsiyon-şelatlayıcı kullanılarak çalışmalar yapılmıştır. RO prosesinden çıkan suya bor seçici adsorban ya da şelatlayıcılar eklenip karışım mikrofiltrasyon ya da ultrafiltrasyon ünitelerine gönderildiğinde de istenilen bor düzeyine ulaşılmaktadır. Ancak yine adsorban ya da şelatlayıcı kullanıldığı için maliyet artmakta, veya adsorbanın rejenerasyonu ya da borun şelatlayıcıdan ayrılması ek işlem olarak gündeme gelmektedir. Bor giderimini ek proses kullanmadan sağlamak için çeşitli RO konfigurasyonlarıyla simulasyon çalışmaları yapılmıştır. Çoklu RO sistemleri ile istenilen bor derişimine ulaşılmış olsa bile, sistemler karmaşık ve enerji tüketimi yüksektir. Ayrıca, bu konfigurasyonların çoğunda borun pH ile değişen türlerinden yararlanılmak istenmiş ve genel olarak negatif yüklü olarak bulunduğu pH 9'un üzerinde çalışılmıştır. Fakat, pH yükseltilmesi için kostik ve yüksek pH düzeyinde magnezyum ve kalsiyum bileşenlerinin membran yüzeyinde çökelmesini önlemek için çökelti önleyiciler kullanılması işletme maliyetini artırmaktadır. Bütün bu yapılan çalışmalar düşünüldüğünde, hepsi RO ünitesi kullanmakta, RO sonrasında farklı ünitelerle işlemi karmaşıklaştırmakta, kimyasal, adsorban, şelatlayıcı ya da reçine kullanarak işlem maliyetini artırmakta ve son olarak hiç bir proses aynı anda tuz ve bor giderimini sağlayamamaktadır. Bu tezin amacı, mevcut ticari RO membranları kullanılarak ve pH yükseltmeye gerek kalmadan, deniz suyundan eş zamanlı olarak desalinasyon ve bor giderimi (CDBR) yapabilecek bir proses tasarlamaktır. Bu prosesin bor derişimini istenen seviyenin (0.5 ppm) altına, geleneksel RO desalinasyon sistemlerine kıyasla, mümkün olduğunca düşük basınçta, dolayısıyla daha düşük sabit ve işletme maliyeti ile, düşürmesi hedeflenmektedir. Bunun için, öncelikle tek ve iki kademeli ters osmoz (SSRO ve TSRO) sistemlerinde mevcut ticari membranlarla deniz suyundan eşzamanlı tuz ve bor giderimi incelenerek bu proseslerin istenen bor derişimi seviyelerini veremeyeceği gösterilmiştir. Daha sonra, yeni membran geliştirme çalışmalarını yönlendirmek üzere bu proseslerle istenen bor derişimi seviyelerine ulaşabilmek için gereken membran tuz giderimi değerleri belirlenmiştir. Bunu takiben, farklı tasarımlar üzerinde çalışılarak, deniz suyundan tuz ve bor giderimini aynı anda gerçekleştirebilecek ve bor miktarını 0.5 ppm (0.5 mg/L) değerinin altına düşürebilecek özgün bir Eş Zamanlı Desalinasyon ve Bor Giderimi (CDBR) prosesi geliştirilmiştir. Bu yeni proses kısa bir zaman önce patentlenmiş olan enerji etkin ters osmoz (EERO) prosesine dayanmakta olup pH ayarlaması gerektirmeden tek ve iki kademeli sistemlere kıyasla daha düşük basınç farkı gerektirmekte ve daha yüksek su kazanımı değerleri vermektedir. EERO prosesinde tek kademeli bir RO sistemi ile ters akım prensibine göre çalışan ve geri döngü içeren bir membran kademeli sisteminin birlikte kullanılması ile basınç farkı düşürülebilmekte ve su kazanımı arttırılabilmektedir. Ancak EERO prosesi bor giderme açısından incelendiğinde, istenilen bor derişimi seviyesinin elde edilemediği görülmüştür. Tüm hesaplamalar MS Excel® programında yapılmıştır. Geliştirilen özgün CDBR prosesi, besleme akımı tuz ve bor derişimini sırasıyla 35000 ppm tuz ve 10 ppm bor seviyesinden 350 ppm tuz ve 0.5 ppm seviyesine pH ayarlaması yapmadan indirebilmiştir. Bunu yaparken geleneksel RO sistemlerine göre daha düşük basınçta aynı geri kazanım değerleri sağlanmıştır. Günümüzde tipik RO proses çalışma koşulu olan 55 bar besleme basıncında %58.5 geri kazanım ile 0.5 ppm bor derişimine geleneksel iki kademeli RO'ya göre %50 daha az enerji tüketimi ile ulaşılması sağlamıştır. CDBR prosesi, tipik deniz suyu besleme akımları kullanıldığında, geçen su akımı için hedeflenen tuz ve bor derişimi değerlerine, tuz ve bor giderim yüzdesi en az 0.83 olan RO membranları kullanarak ulaşabilmektedir.
Özet (Çeviri)
Depletion of natural resources is a wide concern. Among natural resources, fresh water is limited, although 70 percent of the Earth's surface is water. Despite the fact that fresh water is crucial to sustain human life, freshwater makes 2.5 percent of the total volume of the world's water and only 0.007 percent of the fresh water on earth is easily accesible. North and South America have the most fresh water, whereas North Africa and the Middle East have the least. Increasing world population and industrialization propogate the need for fresh water; the need for fresh water in semi-arid and arid regions is even more severe. To get potable or irrigation water from other sources, such as seawater and brackish water, desalination processes are used. In conventional desalination processes such as thermal distillation and multi-effect evaporation, a substantial amount of energy is required to first evaporate the salt water and then condense the pure water. To reduce the energy cost, multi-stage flash (MSF) distillation is developed. In the MSF process, water distillation takes place in a vessel operating at a reduced pressure, and thus providing a lower boiling point for water. Although the MSF process is the most reliable source for the production of fresh water from seawater, it is still considered as an energy intensive process, which requires both thermal and mechanical energy After the introduction of synthetic membranes in separation processes in 1960s, development of new membrane types in the 1980s led membrane technology to play an increasingly critical role in water desalination processes. In particular, reverse osmosis (RO) is a membrane separation process in which pressurized salt water is separated from dissolved solutes without the need for heating or phase change by flowing through a semipermeable membrane. The major energy required is for pressurizing the feed water. The applied pressure must be in excess of the osmotic pressure, so that water flows in the reverse direction to the flow across the water selective membrane under the driving force of concentration difference. As the membrane cost decreased due to the developments in membrane and module fabrication, the use of RO processes have increased. Today, reverse osmosis is the method used in almost 60 percent of the installed desalination facilities all over the world owing to its more favorable economics. Polymeric membranes have dominated the RO market now since they offer high salt rejection, durability, small footprint and simple operation. However, relatively low permeability, low rejection for trace solutes such as boron, and fouling are some of the severe problems need to be resolved. Typical seawater contains 10 ppm or more of boron. The World Health Organization (WHO) has recommended that the maximum boron concentration in water for human consumption should be below 2.4 ppm and for irrigation should be below 0.5 ppm. There are different boron complexes at different pH levels. At neutral pH, boric acid (H3BO3) which has no charge and nearly the same size with the clusters of hydrogen-bonded water molecules is the predominant boron species. Hence, boron is present in seawater as boric acid. Conventional RO membranes have relatively low boron rejections, typically less than 90 percent, and therefore cannot reduce the boron concentration to a concentration of 0.5 ppm. Higher boron rejections are possible with current RO membranes if the pH of the feed solution is increased above 9.24 (pKa of boric acid in pure water at 25 C) at which boric acid ionizes to borate ions which are larger than the hydrated water molecules and therefore rejected by commercial RO membranes. Unfortunately, this process is expensive since it requires reducing the highly alkaline pH after the boron removal. Boron removal from seawater is usually done as a post-treatment process after desalination via conventional multistage RO without any pH adjustment, ion exchange, and electrodialysis. However, this is also costly since large volumes of water must be processed. Moreover, these processes increase the complexity of the overall process and processes such as ion exchange requires regeneration of the ion-exchange resin. The aim of this study is the design of a novel Concurrent Desalination and Boron Removal (CDBR) process that achieves desalination concurrently with the required boron removal using currently available commercial RO membranes at a lower pressure and correspondingly reduced fixed and operating costs relative to conventional RO desalination. First, an analysis of concurrent desalination and boron removal via single-stage and two-stage RO is carried out to show that these processes are not able to achieve the desired boron removal from typical seawater using coventional RO membranes. These processes are further explored to determine the required membrane rejection values to achieve the desired separation in order to guide future membrane development studies. Then, a novel process, the Concurrent Desalination Boron Removal (CDBR) process, which enables water desalination and boron removal simultaneously in order to achieve the desired concentrations in the product water is explored. A new concurrent desalination RO process is proposed to reduce the boron content to lower than 0.5 mg/L with lower pressure difference requirement and higher water recovery compared to conventional single-stage and two-stage RO. The new process makes use of the recently invented energy-efficient reverse osmosis (EERO) process. The EERO process reduces the pressure difference and increases the water recovery by a combination of single-stage reverse osmosis (SSRO) and a countercurrent membrane cascade with recycle (CMCR). The analysis of EERO process for boron removal showed that EERO process could not reduce the typical boron concentration in seawater to an acceptable level in the product water. Excel® programming is used for all calculations. The novel CDBR process developed in this thesis enables production of a product water having salt and boron concentration of 350 ppm and 0.5 ppm, respectively, from a typical seawater feed having a salt and boron concentrations of 35000 ppm and 10 ppm, respectively, using a multistage membrane process that involves concurrent desalination and boron removal without the need for any pH adjustment.The overall water recovery was above 55% compared to conventional SSRO that cannot achieve a 0.5 ppm boron concentration with currently available commercial membranes. The CDBR process can achieve the target product water concentrations from a typical seawater using RO membranes with boron rejections as low as 0.83.
Benzer Tezler
- Ergimiş boraks banyosunda çeliklere vanadyum karbür kaplama
Vc coating of steels in molten borax bath
SEYED MOHAMMED MOUSAVİ KHOEE
- Borik asit içerikli tuz çözeltilerinin bipolar membran elektrodiyaliz ile proseslenmesinde borik asit davranışının incelenmesi
Investigation of boric acid behavior in the processing of boric acid-containing salt solutions by bipolar membrane electrodialysis
CANSIN MEDİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Kimya MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN NURİ ATA
- Ergimiş tuz elektrolizi ile metal oksit/sülfürden başlanarak metal ve metal borür sentezi
Synthesis of metal and metal boride starting from metal oxide / sulfide by molten salt electrolysis
MEHMET BARIŞ DARYAL
Doktora
Türkçe
2020
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLDEM KARTAL ŞİRELİ
- Ekstrem toleranslı Puccinellia distans bitkisinde proteomik analizler
Başlık çevirisi yok
TAMER GÜMÜŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Biyolojiİstanbul Kültür ÜniversitesiMoleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGE ÇELİK
- Endüstriyel atık boraks çözeltisinin ötektik donma kristalizasyonu yöntemi ile geri kazanılmasının incelenmesi
Investigation of recovery of industrial waste borax solution by eutectic freeze crystallization method
AYŞE GÜL OKUMUŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATMA ELİF GENCELİ GÜNER