Production of acidic and alkaline solutions from concentrated seawater brines from saltworks by electrodialysis in combination with bipolar membranes
Bipolar membran elektrodiyaliz yöntemi ile tuz işletmelerinden elde edilen konsantre deniz suyu tuzlu sularından asidik ve alkali çözeltilerin üretimi
- Tez No: 849820
- Danışmanlar: PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 123
Özet
Avrupa Birliği'nde ham madde sıkıntısı, ham maddeleri ikincil kaynaklardan elde etmeyi gerektirmiştir. Avrupa Birliği ekonomisi için kritik ham maddelerin üretimi oldukça güncel ve önemli bir konudur. Bu sebeple ham maddelerin ikincil kaynaklardan elde edilmesi noktasında, deniz madenciliği en umut verici alternatiflerden biri olarak öne çıkmıştır. Bu kapsamda, EU Horizon 2020 tarafından finanse edilen 6 milyon avroluk SEArcularMINE adlı bir araştırma ve inovasyon projesi yürütülmektedir. Bu proje, Avrupa'da kritik ham maddelerin sürdürülebilir tedarikini garanti etmek için çalışmaktadır. SEArcularMINE projesi kapsamında magnezyum ve lityum gibi kritik hammaddeler konsantre deniz suyu tuzlu sularından geri kazanılmaktadır. Burada özetlenen süreç tamamen döngüsel bir süreci ifade etmektedir. Bu sebeple reaktanların yerinde üretimi (on-site generation of reactants), bu lisansüstü tez çalışmasının ana konusudur. Döngüsel bir yöntem kullanarak tuzluluk gradyanlarını kullanarak reaktanların yerinde üretimi kaynak geri kazanımı için ekonomik olarak avantaj sağlar. Ayrıca reaktanların yerinde üretimi sayesinde atık oluşumu meydana gelmez, bu detay döngüsel strateji için önemli bir noktadır. Hammadde geri kazanma süreçlerinin gerçekleştiği proseslerde dış reaktanlara olan ihtiyacı ortadan kaldırmak için, konsantre deniz suyu tuzlu sularından bipolar membran elektrodiyaliz (EDBM) yöntemi ile hammadde geri kazanma prosesleri için gerekli alkalik ve asidik reaktanların üretilmesi hedeflenmektedir. Bipolar membran elektrodiyalizi (EDBM), katyon seçici katman ve anyon seçici katmandan oluşan bir bileşimdir ve yeşil kimyaya dayanan bir teknoloji türüdür. Bipolar membran elektrodiyalizi (EDBM) teknolojisi ile ilgili tuzlardan alkali (NaOH) ve asit (HCl) üretimi gerçekleştirilmektedir. SEArcularMINE projesinde ilgili tuz, tuz tesislerinden elde edilen konsantre deniz suyu tuzlu sularıdır. Bu çalışma, tuz tesislerinden gelen konsantre deniz suyu tuzlu sularının değerlendirilmesine odaklanan ilk çalışmadır. Bu çalışma kapsamında farklı konsantrasyonlar ile hazırlanan saf tuz çözeltisi ve tuz tesislerinden gelen konsantre deniz suyu tuzlu sularını taklit etmesi amaçlanan farklı bileşimlere sahip 2 farklı sentetik çözelti kullanılmıştır. Bipolar membran elektrodiyalizi (EDBM) ile ilgili tuzlardan alkali (NaOH) ve asit (HCl) geri kazanımı SEArcularMINE projesinin döngüsel süreci sebebi ile dahili kullanımın yanı sıra ticari olarak kullanılabilecek karlı bir kimyasal kaynağı olarak hizmet etme açısından da önemlidir. Ek olarak, hammaddelerin piyasa fiyatları giderek arttığından, kimyasalların yerinde üretimi karlı olabilir. Tuz tesislerinden gelen konsantre deniz suyu tuzlu sularından Avrupa'da kritik ham maddelerin üretilmesi SEArcularMINE projesini özetler. Bu lisansüstü tez çalışması, SEArcularMINE projesinin bir parçası olması nedeniyle, bu tezin amacı konsantre deniz suyu tuzlu suyunun içeriği, giriş çözeltilerinin başlangıç hacim oranı ve EDBM akım yoğunluğu gibi çeşitli işletme parametrelerini değerlendirmeye odaklanmaktadır. Bu amaçla, laboratuvar ölçekli bir EDBM ünitesi kullanılarak deneyler gerçekleştirildi. EDBM ünitesinde 110 x 110 mm hücre boyutuna ve 64 cm2 aktif membran alanına sahip bir membran yığını (PCCell ED 64004) bulunmaktadır. Kullanılan EDBM yığını 5 hücre üçlüsünden oluşuyordu. Her üçlü (triplet) bir katyon değişim membranı (Amstom-Eurodia'dan CMX Fg WS C0209), bir adet anyon değişim memrabı (PCCell'den PCMVA ED 64004-0P00 MT6502) ve bir adet bipolar membrandan (Amstom-Eurodia'dan MK-40) oluşmaktadır. Laboratuvar ölçekli EDBM ünitesinde membran yığınına bağlı 4 tane çözelti çözelti tankı bulunmaktadır. Bu 4 çözelti tankı içerisine konulan başlangıç çözeltileri pompalar yardımıcı ile membran yığınları ve çözelti tankları arasında elektrik akımı altında sirküle edilir. Her bir deneyin sonunda konsantre ve seyreltik çözeltiler birbiri ile yer değiştirir. Başlangıçta konsantre halde olan tuz çözeltisi deneyin sonunda seyreltik hale gelirken başlangıçta seyreltik halde olan asit ve baz çözeltisi ise deneyin sonunda konsantre hale gelir. Bu çalışma kapsamında ele alınan bütün deneylerde deney süresi boyunca belli aralıklar ile deneye ait bütün parametreler kaydedilmiş olup her bir çözelti tankından numune alınmıştır. Elektrodiyaliz deneyleri sonucu elde edilen numuneler, asit-baz titrasyonu, yüksek performanslı iyon kromatografisi (IC) ve endüktif kuplajlı plazma spektrometresi (ICP) gibi çeşitli analitik yöntemlerle analiz edildi. Asit-baz titrasyonu için T70/Rondolino marka cihaz kullanılmış olup yüksek performanslı iyon kromatografisi ve endüktif kuplajlı plazma spektrometresi analizleri için ise sırası ile DIONEX ICS-1000 by Thermo Scientific ve ICP-MS 7800 by Agilent marka cihazlar kullanışmıştır. Analiz sonuçlarına dayanarak, hedef final çözeltilerinin (alkalik ve asidik reaktanlar) konsantrasyon profili, prosese ait spesifik enerji tüketimi (SEC) ve prosesin akım verimliliği (CE) değerlendirilmiştir. Spesifik enerji tüketimi, 1 kg üretim için tüketilen enerji miktarını ifade ederken (kWh/kg) akım verimliliği ise sisteme verilen ve etkili bir şekilde iyonlara dönüştürülen elektrik yüklerinin yüzdesini (%) ifade etmektedir. EDBM teknolojisi ile tuzlu su çözeltisinden konsantre asit ve baz üretmek için tuzlu su çözeltisi bileşiminin, EDBM akım yoğunluğunun ve giriş çözeltilerinin başlangıç hacim oranı parametrelerinin etkili olduğu kanıtlanmıştır. Bu çalışma kapsamında tuzlu su besleme bölmesinin başlangıç hacmini arttırmanın (seyreltik asit ve baz bölmelerine karşı) nihai ürün konsantrasyonunu artırmak için oldukça etkili bir yöntem olduğu görülmüştür. Ayrıca bu çalışma kapsamında yapılan deneyler tuzlu su besleme bölmesinde NaBr varlığının EDBM çalışmasını etkilemediğini göstermektedir. EDBM akım yoğunluğunu arttırmanın ise tüm tuzlu su besleme çözelti tiplerinde daha yüksek spesifk enerji tüketimi (SEC) ve daha düşük akım verimliliği (CE) ile sonuçlandığı görülmüştür. Tüm sonuçlar dikkate alındığında, en yüksek NaOH konsantrasyonu (0,05 mol/L'den 1,74 mol/L), en düşük SEC (1,40 kWh/kg) ve en yüksek CE (%94) ile sentetik tuzlu su çözeltisinde akım yoğunluğu 300 A/m2 ve başlangıç hacim oranı 1:1:5 (VAsit: VBaz: Vtuz) iken olduğu görülmüştür. Ayrıca bu çalışma, NaOH üretimini arttırmak için yeni bir teknik önermektedir. Bu teknik, doymuş bir NaCl besleme çözeltisinin eklenmesini içerir. NaCl ile doyurulmuş bir çözeltinin eklenmesi, nihai NaOH üretim verimliliğinde tatmin edici bir iyileşme ile sonuçlandı. Doymuş NaCl besleme çözeltisinin sürekli eklenmesi tekniği ile tuzlu su besleme bölmesindeki iletkenliği sabit tutarak tuzlu su bölmesinde tuz iyonlarını yenileyerek tatmin edici seviyede yüksek konsantrasyonlu NaOH elde edilmiştir. Bu deney seti kapsamında konsantrasyonu 80 g·L-1'i aşan NaOH çözeltileri, ortalama %42.5 verim ve 3000 kgNaOH/Lsalt oranıyla üretildi. Ayrıca ilave pompaların kullandığı enerji dikkate alınarak hesaplanan spesifik enerji tüketimi (SEC) ortalama 3.4 kWh.kgNaOH-1 olarak elde edilmiştir. Özetle, yapılan deneysel çalışma sonuçlarına dayanarak, EDBM prosesinin konsantre tuzlu sulardan asit ve alkali üretmek için etkili bir süreç olduğu sonucuna varılabilir. Konsantre tuzlu sulardan asit ve alkali üretmek için EDBM sürecini geliştirmek, spesifik enerji tüketimini (SEC) azaltmak ve hedeflenen ürünlerin nihai konsantrasyonunu artırmak için daha geniş bir çalışma yapılmalıdır.
Özet (Çeviri)
The scarcity of raw materials in the European Union has made necessary to obtain them from secondary resources. Within this context, sea mining has been postulated as one of the most promising alternatives. In this context, SEArcularMINE, a €6 million research and innovation project funded by EU Horizon 2020 comes into play. This project is working to guarantee a sustainable supply of critical raw materials (CRMs) in Europe. To avoid the need for external reagents to carry out the recovery processes, the concentrated brines will be used to generate the required alkaline and acidic reactants using electrodialysis with bipolar membranes (EDBM), promoting a fully circular process. On-site generation of reactants is main subject of the master thesis. Bipolar membrane electrodialysis (EDBM) is a membrane technology able to generate alkalis and acids from their corresponding salts. At the SEArcularMINE project, the corresponding salt is seawater brines from saltworks. For the first time a study is focused on valorizing brines from saltworks; SEArcularMINE introduces this concept to be validated experimentally. Being a part of the SEArcularMINE project, the aim behind this thesis is to focus especially on evaluating several operational parameters such as brine content, initial volume ratio, and current density. For this purpose, experiments were carried out using an EDBM lab-unit. Solutions obtained as a result of electrodialysis were analyzed by various analytical methods including Acid-Base Titration, high performance ionic chromatography (IC), and inductively coupled plasma (ICP). Based on the analyses results, the optimum operation conditions area external current density of 300 A/m2, initial volume ratio of 1:1:5 for synthetic brine solution according to assessment of concentration profile of target final solutions (acid and base), specific energy consumption (SEC) and current efficiency (CE). Moreover, this study proposes new technique to enhace the NaOH production using EDBM by boosting product concentration and yields. This technique involves adding a saturated NaCl supply solution. The addition of a NaCl-saturated solution resulted in a satisfactory improvement in NaOH production efficiency and yield. In summary, it can be concluded that the EDBM is an efficient process for generating acid and alkalis from saltworks' seawater brines. A more extended study should be done for improving the EDBM process reducing the SEC and enhancing the final concentration of the products.
Benzer Tezler
- Development of a new technology for delignification process
Delignifikasyon için yeni bir teknoloji geliştirilmesi
ERDEM TEZCAN
Doktora
İngilizce
2016
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OYA ATICI
- Çeşitli adsorbanlar ile hümik bileşiklerinin adsorbsiyonu üzerine bir çalışma
Başlık çevirisi yok
SELMA KAYA
- Organosolv treatment for prebiotic oligosaccharide production from agro-food waste
Tarım-gıda atıklarından prebiyotik oligosakkarit üretimi için organosolv işlemi
NURAN TEMELLİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Gıda Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ OĞUZ BÜYÜKKİLECİ
- Altın, gümüş içeren sülfürlü, bakırlı-pirit cevherlerinden tiyoüre liçi ile altın ve gümüş kazanımı
Gold and silver extraction with thioure and an gold, silver containing auriferous sülfiride copper ores
A. EKREM YÜCE
- Extraction of antimony from its native sulphide and oxide containing ores by microwave leaching, arsenic elimination and nano size antimony synthesis
Yerli sülfürlü/oksitli antimon cevherlerinden antimonun mikrodalga çözümlendirme yöntemiyle ekstraksiyonu, arsenik bertarafı ve nano boyutta antimon sentezi
BURCU NİLGÜN ÇETİNER
Doktora
İngilizce
2022
Metalurji MühendisliğiMarmara ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERDAR AKTAŞ
