Jeotermal sulardan bor giderimi için yenilikçi hidrofobik membran distilasyonu membranlarının üretilmesi ve proses geliştirilmesi
The fabrication of the innovative hydrophobic membrane distillation membranes and process development for the boron removal from geothermal water
Yazar: BAHAR ÖZBEY ÜNAL
Danışman: PROF. DR. BÜLENT KESKİNLER ; PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Hidrofobik membran = Hydrophobic membrane ; Polimerik membranlar = Polymeric membranes ; Su arıtma = Water treatment

Özet:
Dünya, enerji ihtiyacının büyük bir kısmını fosil yakıtlardan ve hidrolik kaynaklardan sağlamaktadır. Bu kaynakların tükenmesi tüm dünyayı alternatif enerji kaynakları arayışına itmiştir. Jeotermal enerji, fosil yakıtlara alternatif olan önemli bir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Jeotermal enerjide karşılaşılan en ciddi çevresel etki, yüzeysel veya yeraltı sularının kirlenmesidir. Jeotermal suların içerdiği bor, arsenik gibi ciddi çevresel etkilere sahip kirleticilerin verdiği zararı ortadan kaldırabilmek için yeni teknoloji ve etkin uygulamaların geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışma ile jeotermal enerji santrallerinden açığa çıkan atık ısıdan ve deşarj edilen sıcak jeotermal suların ısısından faydalanılarak membran distilasyonu (MD) prosesi ile su içerisinde başlıca bor olmak üzere diğer kirleticilerin kabul edilebilir seviyelere indirilmesi ve sulama suyu olarak geri kazanılması amaçlanmıştır. Bu tez çalışması ile MD prosesinin kısıtlayıcı bir parametresi olan termal enerji sarfiyatının minimum seviyelere indirilmesi sağlanmıştır. Tez kapsamında ilk olarak ticari hidrofobik membranlarlar kullanılarak hava boşluklu membran distilasyon (HBMD) prosesi işletme parametreleri optimize edilmiş ve tespit edilen uygun işletme şartları altında, sentetik ve gerçek jeotermal sularda tuz ve bor tutunumları izlenmiştir. Bütün ticari membranlarda minimum %99.5 bor giderimine ulaşılmıştır. Ayrıca elektrospinning yöntemi ile farklı nanomateryaller kullanılarak hidrofobik nanofiber membran üretimi gerçekleştirmiştir. Nanofiber membranlar ile MD prosesinde karşılaşılan düşük akı sorunu aşılmış, gerçek jeotermal suları ile gerçekleştirilen HBMD deneyleri sonucunda sulama suyu standartlarına uygun süzüntü suyu elde edilmiştir. Bunun dışında farklı katkı maddeleri ilave edilerek faz inversiyon metodu ile membran üretimi gerçekleştirilmiş ve hem HBMD hem de sıvı boşluklu membran distilasyonu (SBMD) sisteminde test edilmiştir. Son olarak, farklı işletme koşullarındaki MD prosesi için spesifik termal enerji tüketimi incelenmiştir.

Abstract:
The world supplies most of its energy needs from fossil fuels and hydraulic resources. However, the depletion of these sources has led the world to seek alternative energy sources. Geothermal energy is an important source of renewable energy as an alternative to fossil fuels. The most serious environmental impact encountered in geothermal energy is the contamination of surface or groundwater. There is a need to develop new technologies in order to eliminate serious environmental effects of pollutants in geothermal waters. The aim of this study is the removal of boron to acceptable limit values by membrane distillation (MD) process with utilizing the waste heat released from geothermal power plants and the heat of the discharged hot geothermal water, and the recovery of geothermal water as an irrigation water. With this thesis, the thermal energy consumption, which is a restrictive parameter of the MD process, is reduced to minimum levels. Firstly, operating parameters of the air gap membrane distillation (HBMD) system was optimized for many commercial hydrophobic membranes. A minimum of %99.5 boron removal efficiency was achieved for all commercial membranes. Also, nanofiber membranes were fabricated by electrospinning method. The permeate water was obtained in accordance with irrigation water standards. In addition, membrane fabrication was carried out by phase inversion method with the addition of various additives and tested in both HBMD and liquid gap membrane distillation (SGMD) systems. Finally, the specific thermal energy consumption was investigated for the full scale MD process under different operating conditions.