Geri Dön

Technical and economic feasibility of the concurrent desalination and boron removal process

Ters ozmos uygulamasını kullanan eş zamanlı bor ve tuz ayırma prosesinin teknik ve ekonomik fizibilitesi

PDF İndir

  1. Tez No: 545250
  2. Yazar: SEDA KAYACI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET GÖKTUĞ AHUNBAY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 115

Özet

Su canlı hayatı için oldukça önemli bir kaynaktır. Yeryüzünün büyük bir kısmının su ile kaplı olmasına rağmen kullanılabilir tatlı su kaynakları oldukça sınırlıdır. Ekolojik dengenin bozulması, artan sanayileşme ve temiz su kaynaklarının kirletilmesi gibi birçok etken nedeniyle mevcut durumdaki su kaynakları da azalmaktadır. Bu nedenle birçok canlı temiz suya ulaşımda zorluklarla karşı karşıya kalmaktadır. Dünya genelinde yaygın olan bu durum dikkate alındığı zaman, su kıtlığı sorunun şu anki hayatı önemli ölçüde tehdit ettiği söylenebilir. Bu problemin ileriki yıllarda daha da ciddi boyutlara ulaşacağının tahmin edilmesi, günümüz bilim insanlarını alternatif çözümler aramaya yöneltmiştir. Dünya'daki su kaynaklarının azalması nedeni ile tuzlu suyun arıtılması üzerine çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Desalinasyon teknolojisi olarak adlandırılan bu süreç ile su içerinde çözünmüş olarak bulunan istenmeyen bileşenler sudan ayrılarak temiz su eldesi sağlanır. Ortaya çıktığı ilk dönemlerde küçük çaplı sistemler için kullanılan bu teknoloji, günümüzde ise ciddi bir pazar payına sahiptir. Ancak bu yöntemin büyük ölçekli tesisler için kullanılması oldukça yüksek bir enerji ihtiyacı gerektirdiğinden maliyeti de oldukça fazladır. Desalinasyon yöntemleri genellikle termal buharlaşma ve membran ayırımı süreçleri olmak üzere iki ana grupta toplanmaktadır. Desalinasyon metodu için ilk yıllarda termal buharlaştırma yöntemi kullanılmıştır. Bu teknik ile öncelikle yüksek tuz konsantrasyonuna sahip su kaynatılır ve ardından buharlaştırılır. Üretilen bu temiz su buharının yoğunlaştırılmasıyla içilebilir su elde edilir. Termal buharlaştırma teknolojisi genel olarak çok kademeli ani damıtma (MSF) ve çok etkili damıtma (MED) olmak üzere iki önemli sistemi bünyesinde barındırır. Bu sistemleri kullanan ülkelerin başında ise körfez ülkeleri gelmektedir. Bulundukları bölgedeki enerji maliyetlerinin az olması oldukça yüksek miktarda enerji tüketen termal buharlaştırma süreçlerinde ilerlemelerine olanak sağlamıştır. Ancak zamanla bu enerji kaynaklarının da tükeneceği endişesi bu ülkeleri de başka alanlara yönlendirmiştir. Membran ayırma süreçleri, gelişen teknoloji ile birlikte daha verimli hale gelerek, kullanımda termal buharlaştırma süreçlerinin önüne geçmişlerdir. Hatta Orta Doğu bölgesinde termal buharlaştırma ve membran ayırma süreçlerinin birlikte kullanıldığı hibrit tesisler kurularak desalinasyonda fosil yakıtlara olan bağımlılık azaltılmıştır. Mekanik ve kimyasal yöntemleri birlikte kullanan membran süreçlerine ters ozmos (RO), nanofiltrasyon (NF) ve elektrodiyaliz (ED) örnek olarak gösterilebilir. En yaygın olarak kullanılan membran ayırma süreçlerinden biri olan ters ozmos prosesinde yarı geçirgen bir zar kullanılarak yüksek tuz konsantrasyonuna sahip çözeltiye osmotik basıncın üzerinde bir basınç uygulanması ile su moleküllerinin membrandan karşı tarafa geçmesi sağlanır. Böylece tuzlu sudaki istenmeyen bileşenler uzaklaştırılarak temiz su elde edilir. Kullandığı enerji miktarı termal buharlaştırma süreçlerine kıyasla daha az olduğu için özellikle de son yıllarda en çok tercih edilen Desalinasyon sistemleri içerisinde yer almaktadır. Desalinasyon teknolojisindeki artan rekabet maliyetin önemli ölçüde azalmasına neden olmuştur. Ancak maliyet üzerine en önemli etki membran teknolojisinin gelişmesi ile sağlanmıştır. Yüksek tuz ayırımı sağlayan membranlar etkin bir ayırma sağlayarak su kalitesinin artmasına yardımcı olur. Gelişen teknoloji ile ürün suyu miktarında bu artış her geçen gün desalinasyonda membran ayırma teknolojisinin kullanımı için bir umut kaynağı olmuştur. Günümüzde ise deniz suyundan temiz su üretim maliyeti 0,5 $/m3 seviyesine kadar indirilmiştir. İlerleyen yıllarda ise daha da azalması hedeflenmektedir. Ancak günümüzde, özellikle deniz suyundan temiz su eldesinde birçok güçlüklerle karşılaşılmaktadır. Çünkü doğası gereği su içerisinde bulunan bazı bileşenler canlı hayatını tehdit etmektedir. Bu bileşenlerden biri olan bor, su içerisinde çeşitli formlarda bulunmaktadır. Son yıllarda yapılan bazı araştırmalara göre değişen bor konsantrasyonuna sahip sulama suları kullanılarak yetiştirilen bazı bitkilerde çeşitli zararlı etkiler gözlemlenmiştir. Bu etkiler bitkilerde yaprak sararmasına ve meyvelerin olgunlaşmadan çürümesine neden olabilmektedir. Her bitkinin bor toleransı farklı seviyelerde olduğu için sulama sularındaki bor konsantrasyonu bitki türüne göre ayarlanmalıdır. Bitkilerin yanı sıra içme suyundaki yüksek bor konsantrasyonu insan ve hayvan sağlığı üzerinde de birçok olumsuz etkiye sahiptir. Bu nedenle Dünya Sağlık Örgütü (WHO) 2004 yılında bir bildiri yayınlayarak, içme suyunda bulunması gereken tuz ve bor konsantrasyonunu sırasıyla 350 ppm ve 0,5 ppm olarak belirlemiştir. İçme suyundan bor ayırmak için birçok yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemlere örnek olarak iyon değişimi, iki geçişli ters ozmos prosesi, pH ayarlaması ve hibrit yöntemler verilebilir. İyon değişimi metodunun, özel reçine kullanımına olan ihtiyacı ve kısıtlı kullanım şartları diğer teknolojilere kıyasla en önemli dezavantajlarıdır. İleri teknoloji membranların üretilmesi içilebilir suda arzu edilen tuz konsantrasyonuna ulaşmaya imkân verse de, sudan bor ayırımı için aynı başarı elde edilememiştir. Bu amaçla tek geçişli ters ozmos sistemine bir geçiş daha eklenerek, iki geçişli ters ozmos prosesi oluşturulmuştur. Bu süreç bor ayırma için oldukça yaygın kullanılır. Bu proses ile ilk kademede elde edilen ürün suyu (permeate) ikinci aşamada tekrar muamele edilerek içerdiği bor miktarı azaltılır. Ancak ilk kademede arıtılmış suyu tekrar işlemek sürecin geri kazanım oranını azaltır. Ayrıca ürün suyundaki bor konsantrasyonunu düşürmek için ise ikinci kademeye beslenen su için pH ayarlaması yapılması gerekir. Çünkü bor bileşiklerinin düşük pH değerlerindeki yapısı su molekülleri ile yaklaşık olarak aynı çapta olması sebebi ile membran içerisinden geçebilir. Bu nedenle besleme suyuna bir miktar bazik çözelti eklenerek pH artırılır. Böylece bor bileşikleri çapı su moleküllerinkinden daha büyük olan formlara dönüşerek zar içerisinden geçemez hale gelirler. Ayrıca sisteme eklenen kimyasal miktarındaki artış desalinasyon sürecinin maliyetini artırır. Her ne kadar enerji tüketiminin azalmasını sağlayarak maliyet üzerinde olumlu etkiye neden olan hibrit prosesler geliştirilse de yine de kimyasallara olan bağımlılıktan kurtulmak mümkün olmamıştır. Tek kademeli sistemlerdeki geri kazanım oranını artırmak için enerji etkin ters ozmos (EERO) süreci geliştirilmiştir. Bu proses ile sistemin net özgün enerji tüketimi azaltılarak, geri kazanım oranı %75'e kadar artırılmıştır. EERO sürecinin istenilen bor seviyesine sahip su üretememesi sebebi ile eş zamanlı desalinasyon ve bor giderimi (CDBR) süreci geliştirilmiştir. CDBR prosesi iki geçişli ters ozmos prosesine kıyasla daha düşük net özgün enerji tüketimi ile daha fazla suyun geri kazanımını sağlar. Ayrıca 35.000 ppm TDS ve 10 ppm bor içeren bir deniz suyunun besleme suyu olarak kullanılması durumunda, ürün suyundaki bor konsantrasyonunu 0,5 ppm seviyesine ve tuz konsantrasyonunu ise 100 ppm seviyesinin altına herhangi bir pH ayarlaması yapmadan indirmeyi başararak deniz suyundan bor ayırma yöntemlerine bir alternatif olmuştur. Deniz suyundan bor ayırma yöntemlerinde maliyeti azalmak için çeşitli alternatifler kullanılabilir. Bu seçeneklerden biri ise enerji geri kazanım cihazı kullanımıdır. Böylece atık sudaki basıncın yaklaşık olarak yarısı iyileştirilerek sisteme geri gönderilir. Enerji geri kazanım cihazları genel olarak Pelton çarkı ve izobarik sistemler olmak üzere ikiye ayrılırlar. Pelton çarkında mekanik enerjiye dönüşüm var iken, izobarik sistemlerde ise konsantrenin basıncı doğrudan sisteme verilir. Böylece bu cihazların verimliliği 0,95'in üzerine çıkabilmektedir. Bor ayırma sistemlerinde enerji kullanımını azaltmanın bir diğer yöntemi ise hibrit membran konfigürasyonudur. Farklı tuz reddine ve ürün kapasitesine sahip membranlar bir basınç kabı içerisinde belirli bir sırada yerleştirilir. Genellikle en yüksek tuz ve bor reddi sağlayan membranlar ilk sıraya yerleştirilirken, kalan lokasyonlara ise yüksek su üretme kapasitesine sahip membranlar yerleştirilir. Böylelikle hem basınç kabı içerisinde akış eşit olarak dağılır hem de sistemin tükettiği enerjide azalma meydana gelir. Bu sistemin bir diğer avantajı olarak ise membran kirlenmesinin önüne geçmesidir. Enerji tüketimini azaltmada kullanılan bir diğer yöntem ise iki geçişli sistemlerde, ikinci geçişten elde edilen atık suyun prosesin besleme kısmına gönderilmesidir. Bu yöntem ile her ne kadar besleme suyunun tuzluluk oranı artmış olsa da konsantrenin içerdiği basıncın sisteme geri döndürülmesi enerji kullanımını azaltır. Bu çalışmada ise yeni bir CDBR süreci geliştirilerek sistemin net özgün enerji tüketiminin azaltılması amaçlanmıştır. Standart CDBR prosesinde düşük basınçlı membran kademesinden (LPMS) ayrılan derişik su atık olarak sistemden atılır. Ancak geliştirilmiş CDBR prosesi ile bu su sistemin besleme kısmına gönderilerek tekrar arıtma işlemine dahil edilir. Belirli bir basıncı sahip olarak LPMS'den ayrılan bu suyun sisteme geri döndürülmesi ile bir önceki CDBR prosesine kıyasla daha az net özgün enerji tüketimi ile ürün suyundaki istenilen bor seviyesi elde edilebilmesi amaçlanmıştır. Bu çalışmada, konsantre geri dönüşümlü iki geçişli ters ozmos sistemi ile %48 geri kazanım oranına ulaşılmıştır. Geliştirilmiş CDBR prosesi ise net özgün enerji tüketimini 3,10 kWh/m3 seviyesinden 3,00 kWh/m3 seviyesine kadar indirmeyi başarmıştır. Geliştirilmiş CDBR prosesi ile enerji tüketimindeki bu azalışın herhangi bir pH ayarlaması yapılmadan sağlanması sistemin en önemli avantajlarından biridir. Her iki proses için de %85 verimliliğe sahip pompa ve %90 verimliliğe sahip enerji geri kazanım cihazı (ERD) kullanılmıştır. Çalışmanın ikinci aşamasında ise hem konsantre geri dönüşümlü iki geçişli ters ozmos prosesi hem de geliştirilmiş CDBR prosesi ticari membranlar kullanılarak dizayn edilmiştir. Bunun için Toray DS2 ve DuPont WAVE olmak üzere iki farklı üreticinin membranlarını bünyesinde barındıran proses tasarım programları kullanılmıştır. Yeni nesil %99,8 tuz reddi sağlayan TM820K-440 isimli bir membran ilk geçişte kullanılarak konsantre geri dönüşümlü iki geçişli RO prosesi tasarlanmıştır. Bu tasarımın ikinci kademesinde ise TM710D,BWRO membran tipi seçilmiştir. Bu proses enerji geri kazanımı cihazı ile çalışmaya olanak sağlayan Toray DS2 kullanılarak tasarlanmıştır. Kullanılan enerji geri kazanım cihazı 0,9650, pompalar ise 0,85 verimliliğe sahiptir. Bu sistem için ise geri kazanım yüzdesi olarak %44,68'e ulaşılmıştır. CDBR prosesinin tek aşamalı ters ozmos (SSRO) kademesi ile LPMS kombinasyonu da Toray DS2 kullanılarak tasarlanmıştır. Her iki aşama için de TM820K-440,SWRO membranı seçilerek ürün suyundaki bor miktarı 0,3 ppm seviyesine kadar düşürülmüştür. Bu sistem için geri kazanım %45,49 olarak kaydedilmiştir. Bu prosesten elde edilen atık, CDBR prosesinin CMCR sistemine besleme suyu olarak gönderilmiştir. Bu kısım ise WAVE tasarım programı kullanılarak tasarlanmıştır. SW30XHR-440i ve BW30HR-440 membranları ile tasarlanan sistemin geri kazanımı %29,2'ye ulaşmıştır. Atık suyun arıtılması ile üretilen su 1,06 ppm bor içermektedir. CDBR prosesinin iki geçişli ters ozmos sistemi ile CMCR kısmının ürettiği ürün suyu karıştırıldığında, 0,495 ppm bor içeren ürün suyu elde edilmiştir. CDBR prosesinin ticari tasarımındaki geri kazanımı ise %62,13 olarak bulunmuştur. Bu çalışmada her ne kadar net SEC, CDBR işlemi ile azaltılmış olsa da, maliyetinin iki geçişli sistemden daha fazla olduğu sonucuna varıldı. Bu artış kavramsal tasarımda %3 olarak hesaplanırken, bu değer ticari membranların kullanıldığı sistemler için %34 olarak kaydedilmiştir.

Özet (Çeviri)

Water is a highly significant source of life. Although water covers a large portion of the earth, the available freshwater reserves are too limited. Due to factors such as ecological deterioration, increasing industrialization and pollution of clean water resources, the existing freshwater reserves have commenced shrinking. For that reason, many people confront difficulty in accessing clean water, and this situation threatens future life as well. Hence, this problem has led scientists to seek alternative options. Because of the decrease in water supplies in the world, studies have been carried out on the treatment of salt water. The desalination process provides separating the undesired components from water and producing drinking water. Desalination methods are generally composed of two main groups: thermal evaporation and membrane separation processes. In the thermal evaporation method, salt water is boiled, and the produced clean water vapor is condensed to obtain pure water. These systems consist of two main technologies which are Multi-stage flash (MSF) and Multiple-effect distillation (MED). Gulf countries are leaders in the use of these technologies because of low energy costs where they locate. However, over time, the concern that fossil fuels will run out has directed these countries to other areas. Therefore, in recent years, Middle East countries have commenced employing hybrid systems which use both thermal and membrane processes. Reverse osmosis (RO), nanofiltration (NF) and electrodialysis (ED) are examples of membrane processes that use mechanical and chemical methods unitedly. One of the most widely used membrane technologies is the reverse osmosis process. When being applied above the osmotic pressure to the high-concentrated water solution, water molecules pass through a semi-permeable membrane. Thus, this process provides clean water. Since the amount of energy it uses is less than that of the thermal processes, it is one of the most preferred desalination methods in recent years. The advancement of membrane technology has reduced the cost of desalination processes. Today, desalination cost has been reduced to 0.5 $/m3. However, many challenges are confronted especially in the treatment of seawater. Some of the components in water endanger the life of the living creatures. Boron, one of these components, is present in many forms in water. Researchers witnessed some harmful influences such as yellowing of leaves and rotting of fruits in some plants grown using irrigation water with high boron concentration. Boron excess has a significant impact on human health. For this reason, in 2004, the World Health Organization (WHO) has suggested that the concentration of salt and boron in the drinkable water should be 350 ppm and 0.5 ppm, respectively. There are various processes including the ion exchange, two-pass reverse osmosis, pH adjustment and hybrid methods to separate boron from the water. In the ion exchange method, the need for specific resin use, usage of regeneration chemicals, and limited operating conditions compared to other technologies are the most critical disadvantages. Although new generation membranes enable reaching the desired salt concentration in potable water, they are generally insufficient for boron separation. Therefore, a two-pass reverse osmosis system is needed. In this process, the product water obtained in the first stage (permeate) is treated again in the second stage, and the amount of boron it contains reduces. In this process; however, the recovery is too low, and the pH adjustment is required. Furthermore, the increase in the amount of chemical added to the system increases the cost of the desalination process. Although hybrid processes have been developed which have a positive effect on cost by reducing energy consumption, it has not been possible to get rid of dependence on chemicals. Energy efficient reverse osmosis (EERO) process has been created to increase the recovery obtained with single stage systems. With this technology, the net specific energy consumption of the system reduces, but the level of boron in the product water cannot lower. Therefore, with the use of countercurrent desalination and boron removal (CDBR) process, the amount of boron and salt in the typical seawater water was reduced to 0.5 ppm and a below level of 100 ppm, respectively. The most important advantage of the CDBR process compared to other boron separation methods is that it achieves high recovery values without the need for pH adjustment. In this thesis, it was aimed to reduce the net specific energy consumption of the CDBR system by modeling a new configuration of it. In the previous configuration of the CDBR process, the retentate of the low-pressure membrane stage (LPMS) was a waste product. Here, this wastewater was recycled to be blended with the saltwater feed. As a result of all calculations, it was concluded that the SECnet value of the CDBR process was decreased from 3.10 kWh/m3 to 3.00 kWh/m3 at 65% recovery to produce 0.5 ppm boron-containing water. Next, using commercial membranes, the two-pass RO process with concentrate recycling and the CDBR process were designed. For this purpose, Toray DS2 and DuPont WAVE process design software that employ commercial membranes of two companies were utilized. Designing the CDBR process using commercial membranes enabled producing water having a boron composition of 0.495 ppm. Furthermore, the maximum recovery that the CDBR system attained was 62.13%. Although the net SEC was reduced by the CDBR process, it was concluded that the cost was more than the two-pass system.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    874221

    İ.T.Ü maslak kampüsünün enerji tüketiminin lisanssız elektrik üretim yönetmeliğine göre güneş enerjisi santrali ile mahsuplaşması

    Offensing the energy consumption of I.T.U maslak campus with the solar energy power plant according to the unlicensed electricity generation regulation

    ÖMER FARUK ARSLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞEN DEMİRÖREN

  2. Tez No

    336464

    Çevre etiği çerçevesinde biyopolitikaların oluşturulmasında katılımcılık

    The importance of public participation in the process of policy making within the framework of environmental biopolitics

    ARZU İRGE ÖZYOL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Siyasal BilimlerAnkara Üniversitesi

    Sosyal Çevre Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NESRİN ÇOBANOĞLU

  3. Tez No

    495161

    Technical and economic feasibility of organic rankine cycle (ORC) - a case study of Libya

    Organik rankıne çevriminin (ORÇ) Libya şartlarında teknik ve ekonomik fizibilite analizi

    AHMED GAMALALDIN A. ALSAWAIAH

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    EnerjiKarabük Üniversitesi

    Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ALPER ERGÜN

  4. Tez No

    726851

    A technical and economic feasibility study for the establishment of thermal power station to meet Dhuluiya district electric energy demand for the next decade

    Önümüzdeki on yılın Dhuluiya ilçesi elektrik enerjisi ihtiyacını karşılamak için termik santrali kurulmasına ilişkin teknik ve ekonomik fizibilite çalışması

    MUAYAD METEAB SALIM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Gedik Üniversitesi

    Mühendislik Yönetimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÖZDE ULUTAGAY

  5. Tez No

    890348

    Sera iklimlendirme sistemlerinde ısı pompası kullanımının teknik ve ekonomik incelemesi

    Technical and economic review of the use of heat pumps in greenhouse air conditioning systems

    EMRE EKİNCİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ZEKİ YILMAZOĞLU

Geri Dön