Membran kapasitif deiyonizasyon yöntemi ile yeraltı sularından arsenik ve bor giderimi
Removal of arsenic and boron from groundwater with membrane capacitive deionization
Yazar: HALİL İBRAHİM UZUN
Danışman: PROF. DR. EYÜP DEBİK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Su arıtma = Water treatment ; Su arıtma sistemleri = Water treatment systems ; İçme suyu arıtma = Drinking water treatment

Özet:
Dünya ölçeğinde su kaynakları değerlendirildiğinde toplam suyun yaklaşık %96'sı denizler ve okyanuslar gibi tuzlu sulardan oluşmaktadır. Geriye kalan tatlı su kaynaklarınınsa % 68'inden fazlası buz ve buzulların içinde, % 30'u ise yer altındadır. Yüzeysel tatlı su ise toplam suyun yaklaşık % 1'ini oluşturmaktadır.
Su sıkıntısının temel sebepleri arasında; ekonomik gelişmeler ve nüfusta meydana gelen hızlı değişikliklere bağlı olarak su ihtiyacının artması, yağışlarda meydana gelen değişiklikler, su kaynaklarının kirlenmesi gibi faktörler gösterilmektedir.
Yeraltı suları, yüzeysel sularla mukayese edildiğinde daha temiz ve kirlenme riski daha düşük su kaynaklarıdır. Ancak tarımsal faaliyetler neticesinde kullanılan kimyasalların topraktan geçerek yeraltı sularına ulaşması, yağışların topraktan süzülmesi sürecinde toprakta veya kayaç yapılarındaki minerallerin çözünerek suya karışması yeraltı sularının kirlenmesinde büyük etkenlerdendir.
Türkiye'de özellikle bor ve arsenik yeraltı sularında yaygın olarak bulunan ve çok küçük konsantrasyonlarda dahi çevre ve insan sağlığına ciddi tehdit oluşturan kirleticilerdir. Yeraltı sularında bulunan bor ve arseniğin giderilmesinde membran prosesler, iyon değiştirme, elektrodiyaliz, koagülasyon gibi birçok teknik kullanılmaktadır. Ancak bu proseslerin arıtımda etkili olmamaları, maliyetlerinin yüksek olması ve kimyasal olarak toksik ikincil atık oluşturmaları gibi dezavantajları bulunmaktadır. Bu sebeple yeraltı sularından bor ve arseniğin arıtılmasına yönelik; etkili ve ekonomik arıtma yöntemlerine ihtiyaç bulunmaktadır.
Kapasitif deiyonizasyon prosesi özellikle 5.000 μS/cm iletkenliğin altında bulunan ve acı su olarak tanımlanan sulardan iyonların giderilmesinde etkili ve ekonomik bir yöntemdir. Kapasitif deiyonizasyon prosesi ile arsenik giderimine yönelik sınırlı sayıda çalışma mevcuttur fakat bor ile alakalı nitelikli bir çalışma bulunmamaktadır.
Yapılan bu doktora tezinde öncelikle, temin edilen membran kapasitif deiyonizasyon (MCDI) cihazının kapasitans değerleri, optimum voltaj ve akım değerleri, işletme süresi gibi değişkenler belirlenmiştir. Bulunan optimum kapasitans değeri 55 – 65 pF aralığında, maksimum işletme süresi 1500 saniye, optimum potansiyel 1,5 V'dur. 55 – 65 pF kapasitans değeri için 100 – 10.000 μS/cm aralığında farklı konsantrasyonlar için farklı akımlar ile çalışılmıştır. Desorpsiyon için su geri kazanımının maksimum düzeyde kalması için akım olarak 60 A seçilmiş ve desorpsiyon süreleri bu değere göre belirlenmiştir. Tespit edilen optimum şartlar kullanılarak sentetik numunelerden bor ve arsenik giderimine yönelik çalışmalar yürütülmüştür.
50 – 2.000 μS/cm aralığında arsenik içeren çözeltilerle yapılan çalışmalarda arsenik %91 - %99 aralığında arıtılmıştır. Arsenik için içme sularında izin verilen maksimum değer 10 μg/L'dir. Ankara Etimesgut'tan temin edilen ve 66 μg/L arsenik içeren yeraltı suyu, MCDI ile %88 oranında arıtılarak izin verilen değerlere indirilmiştir.
Tuzsuzlaştırma prosesleri ile bor gideriminde pH önemli bir faktördür. Bu sebeple bor giderimi için öncelikle pH optimizasyonu yapılmıştır. MCDI ile bor gideriminde pH 10,5 değerinin optimum değer olduğu belirlenmiştir. Bor için içme sularında izin verilen maksimum değer 1 mg/L'dir. 10 – 100 mg/L aralığında bor içeren sentetik numunelerle yapılan çalışmalarda bor konsantrasyonunun giderim verimine bariz bir etkisi olmadığı görülmüştür. Tek ve çift değerlikli iyonların bor giderimine etkilerinin tespitine yönelik çalışmada tek değerlikli iyonların bor giderim verimini düşürdüğü görülmüştür. Balıkesir Bigadiç'ten temin edilen ve 4,32 mg/L bor içeren yeraltı suyu ile yapılan çalışmalarda borun MCDI ile %93 oranında arıtıldığı tespit edilmiştir.
Son olarak MCDI ile yeraltı sularının arıtılmasında oluşan maliyet analizi yapılmıştır. Membran prosesler ve elektrosorpsiyon metodları ile yapılan mukayesede MCDI prosesinin 5.000 μS/cm altında iletkenliklerde daha ekonomik olduğu tespit edilmiştir. 0 - 5.000 μS/cm aralığında iletkenliği olan suların arıtılmasında MCDI enerji sarfiyatı 0,04 – 2,08 kWsa/m3 aralığındadır.

Abstract:
The water resources of the world scale are approximately 96% of total water which is composed of salty water such as seas and oceans. More than 68% of the remaining freshwater resources are in ice and glaciers, and 30% are underground. Surface freshwater accounts for approximately 1% of total water.
Among the main causes of water shortage are; economic developments and fast-paced increased water demand depending on the changes, changes in the waterfall, water factors such as contamination of resources. Ground waters are cleaner when compared to surface water and more susceptible to contamination low water sources. However, the chemicals used for agricultural activities reaching underground waters through the soil, in the process of draining the rain from the soil or rocks minerals dissolved in the water are great factors for the groundwater pollution. Especially boron and arsenic, commonly found in Turkey, are groundwater contaminants which are serious threats to the environment and human health even in very small concentrations.
In the removal of boron and arsenic from ground water,many techniques are used such as membrane processes, ion exchange, electrodialysis, coagulation. However, these processes have disadvantages such as not being effective in purification, high cost and chemically toxic secondary wastes. For this reason, for the purification of the boron and arsenic from underground waters; effective and economical treatment methods are needed. The capacitive deionization is an effective and economical method for removing ions from the water when the conductivity is below 5,000 μS / cm, which is defined as brackish water. There is a limited number of studies on arsenic removal by capacitive deionization process but there is no eligible study related to boron.
In this doctoral dissertation, firstly, the obtained membrane capacitive deionization (MCDI) process capacitance values of the device, optimum voltage and current values, operating time variables were determined. The optimum capacitance value found is in the range 55 - 65 pF, the maximum operating time is 1500 seconds, the optimum potential is 1.5 V. For 55 - 65 pF capacitance value, it was studied with different currents for different concentrations in the range of 100 - 10,000 μS / cm. To maintain maximum water recovery for desorption, 60 A was chosen as a current and the desorption times were determined according to this value. Using determined optimum conditions studies that aim to remove boron and arsenic from synthetic samples have been carried out.
Arsenic was refined in the range of 91% - 99% in the studies performed with solutions containing arsenic in the range of 50 - 2.000 μS / cm. The maximum allowable value for drinking water for arsenic is 10 μg / L. Groundwater containing 66,023 μg/L arsenic obtained from Ankara Etimesgut The MCDI was purified by 88% and reduced to the permissible values. pH is an important factor in the removal of boron by decontamination processes. For this reason, pH optimizations were made.
Value for removal of boron by MCDI has been determined 10.5 as optimum value . The maximum allowable value for drinking water for boron is 1 mg / L. In the 10-100 mg / L boron-containing synthetic samples studies,boron concentration is not an obvious effect on the removal efficiency. In studying the effects of single and divalent ions on the removal of boron, monovalent ions have been found to reduce the efficiency of boron removal. It was determined that the work carried out with groundwater obtained from Balıkesir Bigadiç containing 4.32 mg / L boron was purified 93% of boron with MCDI.
However, cost analysis was carried out for the treatment of groundwater. It has been found that the MCDI process is more economical at conductivities below 5.000 μS / cm in comparison with membrane processes and electrosorption methods. The energy consumption of MCDI varies between 0.04 - 2.08 kWsa/m3 in the purification of water which has conductivity between 0 and 5.000 μS/cm.