Geri Dön

Concentrate treatment via membrane distillation/crystallization method

Membran distilasyon/kristalizasyon yöntemi ile konsantre arıtımı

PDF İndir

  1. Tez No: 856774
  2. Yazar: ÖYKÜ MUTLU SALMANLI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU, PROF. DR. MARK WIESNER
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 207

Özet

Bor, suda, toprakta ve kayaçlarda bulunan önemli bir yarı metal elementtir. Cam, yarı iletkenler, deri, deterjan, kozmetik, ilaç, pestisit ve gübre gibi çeşitli endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Endüstriyel kullanımının yanı sıra bor ayrıca hayvanlar, bitkiler ve insanlar için önemli bir nütrienttir, bazı metabolik fonksiyonlar borun varlığına ihtiyaç duyar ve bu nedenle günlük olarak belirli miktarlarda alınması gerekir. Bor faydalı olmakla birlikte fazlası insanlarda kusma, ishal, cilt döküntüsü ve hatta hamile kadınlarda düşüğe sebep olabilirken uzun süreli maruz kalımlarda ise kardiyovasküler sistem, sinir sistemi ve üreme sistemlerinde hasara yol açabilir. Bitkilerde tolere edilebilir miktarın aşılması durumunda büyümenin baskılanması, verimin azalması, yaprak ucu sararması ve hatta bitkinin ölümüne neden olabilir. Bor deniz suyu, içme suyu ve yeraltı sularında hem doğal hem de antropojenik kaynaklara bağlı olarak bulunabilmektedir. Artan endüstriyel faaliyetlere bağlı olarak atıksudaki bor içeriği her geçen gün artmaktadır. Sularda bulunan borun en önemli antropojenik kaynağı ise madencilik faaliyetleridir. Ayrıca bor, doğal olarak kayalardan, tuz yataklarından veya yağışlardan kaynaklanmaktadır. Tuz birikintisi sızıntı suyu, kaya ayrışması ve okyanus spreyinden gelen deniz tuzu içeren yağmurlar borun doğal sularada bulunmasına etken birincil doğal kaynaklarıdır. Dünyadaki bor rezervlerinin yaklaşık %53 ü ise Türkiye'de bulunmaktadır. Bu tez çalışmasının kapsamında öncelikli olarak kapsamlı bir literatür taraması hazırlanmıştır. Bor giderimi ve ayrıca geri kazanım teknikleri gözden geçirilmiştir. Bu kapsamda çöktürme, adsorpsiyon, koagülasyon, iyon değişimi gibi geleneksel yöntemler ile membran prosesleri gibi ayırma ve geri kazanma teknikleri, bu iki ilgili -ve giderek daha önemli hale gelen– süreç bakımından bilimin durumunu karşılaştırmak için incelenmiştir. Artan nüfus ve azalan kaynaklar sebebi ile temiz su kaynaklarına olan talebin artması, su kaynaklarından bor giderimini çok daha önemli hale getirmektedir. Ancak sürdürülebilirlik açısından giderim tek başına yeterli değildir. Bu önemli kaynağın geri kazanılması ve yeniden kullanılabilmesi önem arz etmektedir. Literatürde bor geri kazanımı ile bor giderimi terimleri arasında net bir ayrım yapılmamakla birlikte kullanılabilir nitelikte ürün eldesine dayanan çalışma sayısı oldukça azdır. Bu bölümde giderim ve geri kazanım kavramları açıklanmaya çalışılmış giderim ve geri kazanım yöntemleri ayrı olarak incelenmiştir. Konvansiyonel yöntemlerin bazı kısıtlarından ötürü son yıllarda membran prosesler daha çok dikkat çekmeye ve araştırılmaya başlanmıştır. Membran distilasyonu (MD) konvansiyonel distilasyon ile membran prosesi birleştiren termal sürücülü bir ayırma prosesidir. Temel prensip membran gözeneklerinden su yerine su buharının geçişini sağlamaktır. Bu prensip ile yüksek kalitede su eldesine imkan veren bir saflaştırma prosesi olarak konvansiyonel distilasyondan daha düşük sıcaklıklar gerektirirken ters osmoz (TO) prosesine göre daha düşük enerji sarfiyatına sahiptir. Aynı zamanda giriş suyu kirletici konsantrasyonlarından çok fazla etkilenen bir proses olmaması ile de öne çıkmaktadır. Tezin üçüncü bölümünde bu tez çalışması kapsamında kullanılmasına karar verilen membran distilasyon prosesinin optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Optimum koşulları belirlemek için hava boşluklu ve vakum destekli hava boşluklu olmak üzere 2 farklı MD konfigürasyonu, 3 farklı vakum basıncı, 3 farklı polimer türünde ve 2 farklı por çapına sahip olmak üzere 6 farklı membran ve 3 farklı besleme suyu kullanılmıştır. Vakum destekli hava başluklu membran distilasyon (VAGMD) sisteminde, vakum desteği akıları artırırken kullanılan vakum enerjisine rağmen spesifik enerji tüketimini azaltmıştır. Gerek tuzluluk gerekse bor giderim verimleri oldukça yüksek sonuçlar vermiştir. 0,5 mg/L'den daha düşük bor içeriğine sahip süzüntü suları elde edilmiştir. Dördüncü bölümde MD prosesinde kullanılan hidrofobik ve süperhidrofobik membran üretimi üzerine çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Ticari ve üretilen membranları modifiye etmek için kaplama yöntemi uygulanırken, faz inversiyon ve elektrospinleme gibi farklı üretim teknikleri de kullanılmıştır. Faz inversiyon yöntemi için farklı içeriklerdeki koagülasyon banyosunun hidrofobisiteye etkisinin yanı sıra, nanoparçacık katkıların ve farklı kaplama çözeltilerinin etkileri karşılaştırılmıştır. Bu çalışma ile temas açısı 153 olan süperhidrofobik membran elde etmek mümkün olmuştur. Yüksek hidrofobisite değerine sahip membranlar ile yapılan arıtılabilirlik çalışmalarının sonucuna göre ise süzüntü suyu akıları ve bor giderim verimleri belirlenmiştir. %90 üzerinde bor giderim verimlerine ulaşmak mümkün olmuştur. Beşinci bölüm kapsamında ise VAGMD'de kullanılmak üzere benzoksazin monomeri (Bz) katkılı yenilikçi hidrofobik membran üretimi çalışması gerçekleştirilmiştir. NaCl, sentetik bor çözeltisi ve bor madenciliği alanından temin edilen yüksek bor içerikli nehir suyundan elde edilen gerçek ters osmoz (TO) konsantresi test edilmiştir. Bir floro içerikli Bz monomeri baz polimerimiz olan PVDF içerisine eklenerek yenilikçi bir membran üretimi gerçekleştirilmiştir. Termal kürleme uygulanarak Bz'nin çapraz bağlanması sağlanmıştır. Bu amaçla farklı tekrarlarda termal kürleme işlemi uygulanarak hem monomer ilavesinin hem de kürleme işleminin membran distilasyon sistemindeki performansı üzerine etkisi incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre BisF-Bz membran, saf membrana göre daha yüksek hidrofobiklik, daha fazla dayanıklılık ve fiziksel kararlılık göstermiştir. En yüksek bor giderimine ise, BisF-Bz katkılı ve iki kez termal olarak kürlenmiş nanofiber membran ile ulaşılmıştır. Altıncı bölümde, borun konsantre akışından giderilmesi ve geri kazanılması için Vakum destekli hava başluklu membran distilasyon kristalizasyon (VAGMDC) sistemi kullanılmıştır. Konsantre sorunu, membran prosesleri için ana dezavantajlardan birisidir, bu nedenle ek arıtma ve yönetime ihtiyaç duyar. Bu sorunu çözmek için VAGMDC sistemi test edilmiştir. Konsantrasyon, pH ve membran tipi gibi proses koşullarını optimize etmek için sentetik bor çözeltisi kullanılmış ardından gerçek TO konsantresi test edilmiştir. Akı değerleri, bor konsantrasyonu ve dolayısıyla bor giderim verimi, SEM-EDS analizi ve elde edilen kristaller için XRF analizi yapılmıştır. Sonuçlar, VAGMDC' nin bor giderimi ve geri kazanımı için başarıyla kullanılabileceğini göstermiştir. Yedinci bölüm kapsamında pilot ölçekli VAGMDC sistemi test edilmiştir. Farklı geri kazanım oranları ve çalışma modları test edilmiştir. Pilot ölçekteki MD sistemine yüksek bor konsantrasyonuna sahip ham nehir suyu ve bu suyun TO konsantresi beslenmiştir. Deneyler sırasında iletkenlik, akış hızı ve vakum basıncı takip edilmiştir. Bor, arsenik, sertlik ve iletkenlik giderimleri analiz edilerek giderim verimleri belirlenmiştir. VAGMD işleminden sonra elde edilen konsantreye kristalizasyon işlemi uygulanmıştır. %43,9 B2O3 içerikli kristallerin elde edilmesi mümkün olmuştur. Sonuç olarak borun giderimi ve geri kazanımı için nispeten yeni bir yöntem olan VAGMDC prosesinin başarılı bir şekilde kullanılabileceği görülmüştür.

Özet (Çeviri)

Boron is an important semimetal element that is found in water, soil and rocks. Boron is widely used in a variety of industries such as glass, semi-conductors, detergents, cosmetics, drugs and fertilizer. Boron is also an essential nutrient for animals, plants and humans that needs to be found in dietary intake. Although it is beneficial the excessive amount of boron can lead to some health problems for humans and growth problems or death for plants. The boron content in wastewater is increasing due to the increasing industrial activities. Boron can also be found naturally from rocks, salt deposits or rainfalls and approximately 75% of the boron reserves of the world are found in Turkey. In the second chapter of this thesis study a literature review was prepared comprehensively. Boron removal and recovery techniques were reviewed. The increasing demand for clean water resources makes boron removal from water resources much more important. However, the removal is not enough alone in the aspect of sustainability. The removal and recovery techniques both conventional methods like precipitation, adsorption, coagulation, ion exchange and membrane processes are examined to juxtapose the states of the science in these two related—and increasingly important—processes. In the third chapter, the optimization studies of the membrane distillation process used in the thesis study were conducted. 2 different MD configurations, 3 different vacuum pressures, 6 different membranes and 3 different feed water were used to determine the optimum conditions. VAGMD had the higher fluxes since vacuum assistance enhanced fluxes while decreasing specific energy consumption. The boron content in permeate waters was lower than the 0.5 mg/L. In the fourth chapter hydrophobic and superhydrophobic membrane production methods were investigated. Different fabrication techniques as phase inversion and electrospinning were utilized while coating was applied to modify commercial and fabricated membranes. Different coagulation bath mediums for phase inversion method, nanoparticle additives and different coating solutions were compared. It was possible to obtain a superhydrophobic membrane that has a contact angle of 153. A novel hydrophobic blend membrane was fabricated to use in VAGMD within the scope of the fifth chapter. NaCl, synthetic boron solution and real RO concentrate supplied from the boron mining area were tested. A fluoro-containing benzoxazine monomer (Bz) was blended with our base polymer PVDF. The cross-linking of Bz is provided by thermal curing. According to the results, the BisF-Bz membrane showed higher hydrophobicity, more durability and physical stability compared to the pristine membrane. Boron rejection was highest for the BisF-Bz blended and two times thermally cured nanofiber membrane. In chapter six VAGMDC system was utilized to remove and recover boron from the concentrate stream. The concentrate problem is the main drawback of membrane processes so needs additional treatment and management. To address this problem VAGMDC system was tested. Synthetic boron solution was used to optimize process conditions such as concentration, pH and membrane type. Real RO concentrate was tested in the following experiments. Flux values, boron concentration and boron rejections, SEM-EDS analysis and XRF analysis for obtained crystals were conducted. The results showed that VGMDC could be successfully used for the removal and recovery of boron. The pilot scale VAGMDC system was tested in the scope of chapter seven. Different recovery ratios and operating modes were tested. Highly boron-contented raw river water and RO concentrate of that water were fed to the pilot scale MD system. Conductivity, flow rate and vacuum pressure were observed during the experiments. Boron, arsenic, hardness and conductivity removals were analyzed and determined. After VAGMD operation crystallization was applied to the obtained concentrate. 43.9% B2O3 contented crystals could be obtained. In conclusion, the relatively new VAGMDC process is an effective method for boron removal and recovery.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    488102

    Süt ve süt ürünlerinin ileri osmoz-membran distilasyonu hibrit prosesi ile konsantrasyonu

    Concentration of milk and dairy products by means of a forward osmosis-membrane distillation hybrid process

    KÜBRA GÜL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Kimya MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYÇA MERİÇ HASANOĞLU

  2. Tez No

    496454

    Tekstil endüstrisi atık sularında membran proseslerle su geri kazanımı ve konsantre giderimi için farklı teknolojilerin denenmesi

    Testing of different technologies for concentrate of membrane treatment technologies in industrial waste water

    ALPER YAZAGAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DERYA YÜKSEL İMER

  3. Tez No

    75131

    Yağ-su emülsiyonlarının ultrafiltrasyon ile ayrılması

    Başlık çevirisi yok

    BERNA YOĞURTÇUGİL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BİRGÜL TANTEKİN-ERSOLMAZ

  4. Tez No

    761357

    Integrated management of geothermal water: Recovery of energy by reverse electrodialysis and water by ion exchange resins

    Jeotermal suyun bütünleşik yönetimi: Ters elektrodiyaliz ile enerji ve iyon değiştirici reçinelerle su geri kazanımı

    ESRA ALTIOK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Kimya MühendisliğiEge Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NALAN KABAY

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ENVER GÜLER

  5. Tez No

    319218

    Ratlarda klorhexidin glukonat ile oluşturulan periton fibrozisi üzerine parikalsitol, NAC ve karvedilolün etkisi

    The protective effect of paricalcitol, NAC and carvedilol therapies on peritoneal fibrosis: A comperative experimental study

    KÜRŞAD ÖNEÇ

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    NefrolojiGazi Üniversitesi

    İç Hastalıkları Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KADRİYE ALTOK

Geri Dön