Bipolar membranlı elektrodiyaliz prosesi ile amonyum klorür ve sodyum klorür çözeltilerinden amonyak, sodyum hidroksit ve hidrojen klorür üretiminin incelenmesi
Investigation of ammonia, sodium hydroxide and hydrogen chloride production from ammonium chloride and sodium chloride solutions by electrodialysis process with bipolar membrane
Yazar: MUHAMMED RAŞİT ÖNER
Danışman: PROF. DR. OSMAN NURİ ATA
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Amaç: Solvay prosesini daha çevreci, sürdürülebilir ve sıfır atık prensibine göre çalışan bir proses yapmaktır. Bunun için büyük miktarda atık oluşan distilasyonlu amonyak geri kazanım ünitesine bir alternatif olarak bipolar membranlı elektrodiyaliz prosesini kullanmaktır.
Yöntem: Bu çalışma üç aşamadan oluşmaktadır. Birinci aşamanda simüle distilasyon besleme çözeltisi ile, biporlar membran elekrodiyaliz (BMED) sistemini etkileyebilecek proses parametreleri incelenmiştir. Proses parametreleri, başlangıç tuz konsantrasyonu, akım/potansiyel değişimi, başlangıç asit/baz konsantrasyonu, asit/baz/tuz tankı akış hızları, sıcaklık, başlangıç elektrolit konsantrasyonu ve yüksek tuz konsantrasyonu olarak belirlenmiştir. Proses performansı olarak tuz tankı desalinasyonu, tuz temelli asit/baz dönüşümü, asit/baz nihai konsantrasyonu, iyon akısı, hücrede tüketilen enerji ve elde edilen ürünleri saflığı belirlenmiştir. İkinci aşamada etkin olan proses parametreleri ile optimizasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Optimizasyon çalışması için Taguchi temelli çok kriterli karar verme (ÇKKV) yöntemi kullanılmıştır. Üçüncü aşamada ise belirlenen optimum çalışma koşulları çerçevesinde Mersin soda fabrikasından temin edilen çözeltilerle çalışmalar yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar mevcut distilasyon kolonu çalışma parametreleri ile kıyaslanarak BMED'nin üstünlükleri ve zayıflıkları ortaya konmuştur.
Bulgular: BMED prosesi ile amonyum klorür ve sodyum klorür çözeltilerinden amonyak (NH3), sodyum hidroksit (NaOH) ve hidrojen klorür (HCl) üretimi gerçekleştirilmiştir. Proses parametrelerinden akım/potansiyel ve başlangıç tuz konsantrasyonunu en etkin parametreler olarak belirlenmiştir. Tüm sistem parametreleri göz önüne alındığında, besleme çözeltisi %90 ile %98 oranları arasında tuzsuzlaştırılmış, tuzun asit ve baz dönüşüm oranı %60 ile %80 arasında gerçekleşmiş ve enerji tüketiminin 1,54–2,33 kWh/kg aralığında olduğu tespit edilmiştir. Optimizasyon çalışması neticesinde optimum koşullar altında %93,5 saflıkta 4,04 M HCl ve 3,66 M NaOH + NH3 oluşumu gerçekleşmiştir. Besleme çözeltisinin tuzsuzlaştırılma oranı ise %99,8 değerlerine ulaşmıştır. Mersin Soda fabrikasından gelen çözelti için belirlenen optimum çalışma şartları ise 10 kompartmandan oluşan BMED hücresinde, akım şiddeti 6,4 A; başlangıç baz hacmi 1,8 L; başlangıç asit ve baz konsantrasyonu 0,05 M; elektrolit konsantrasyonu 0,05 M Na2SO4; sıcaklık 25 °C, tuz, asit ve baz akış hızı 40 L/h; elektrolit akış hızı 100 L/h olarak tespit edilmiştir. Bu şartlar altında elde edilen performans parametreleri ise 1 L RH çözeltisi işlendiğinde 3,64 mol HCI ve 3,64 mol NaOH+NH4OH ürün elde edimiş, ürün temelli tuz dönüşümünün yaklaşık %93'e ulaşmış, enerji tüketimi 1,88 kwatt.h/kg dönüşen tuz olmuş ve besleme çözeltisinden 430 mL kullanılabilir su elde edildiği tespit edilmiştir.
Sonuç: Geliştirilen prosesin Solvay prosesinin en büyük atık problemini tamamen giderdiği sonucuna varılmıştır. Solvay Prosesinde distilasyon ünitesi ile kıyaslandığında, BMED prosesinin atık oluşturmaması ve amonyağın geri kazanılması ile birlikte HCI, NaOH ve kullanılabilir su üretmesi açısından sürdürülebilir ve yeşil bir proses olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Purpose: To make the Solvay process a more environmentally friendly, sustainable and zero waste process. For this, the bipolar membrane electrodialysis process is to be used as an alternative to the distillation column, in which a large amount of waste ammonia is recovered.
Method: This study consists of three stages. The process parameters that may affect the bipolar membrane electrodialysis (BMED) system were investigated in the first stage with the simulated distillation feed solution. Process parameters were determined as initial salt concentration, current/potential variation, initial acid/base concentration, acid/base/salt tank flow rates, temperature, initial electrolyte concentration, and high salt concentration. As for process performance, salt tank desalination, salt-based acid/base conversion, acid/base final concentration, ion flux, energy consumed in the cell, and purity of the obtained products were determined. In the second stage, the optimization study was carried out with effective process parameters. Taguchi-based multi-criteria decision-making (MCDM) method was used for the optimization study. In the third stage, studies were carried out with the solutions obtained from the Mersin soda factory within the framework of the determined optimum working conditions. The obtained results were compared with the existing distillation column operating parameters and the advantages and weaknesses of BMED were revealed. 
Findings: The BMED process was utilized to produce ammonia (NH3), sodium hydroxide (NaOH), and hydrogen chloride (HCl) from ammonium chloride and sodium chloride solutions. The most effective parameters were determined as current/potential and initial salt concentration. Desalination of the feed solution ranged between 90% and 98%, with a salt-to-acid and base conversion rate of  60% to 80%, and an energy consumption of 1,54-2,33 kWh/kg. Under optimized conditions, 4,04 M HCl and 3,66 M NaOH + NH3 were obtained with 93,5% purity. The desalination rate reached 99,8%. Optimum working conditions for the Mersin Soda factory solution were: 6,4 A current in a ten compartment BMED cell, initial base volume of 1,8 L, initial concentration of acid and base at 0,05 M, electrolyte concentration of 0,05 M Na2SO4, temperature at 25°C, and salt, acid, and base flow rate at 40 L/h. The electrolyte flow rate was set at 100 L/h. When processing 1 L of the RH solution, 3,64 mol HCl and 3,64 mol NaOH+NH4OH products were obtained, achieving approximately 93% product-based salt conversion. The energy consumption was 1,88 kWh/kg of converted salt, and 430 mL of usable water was obtained from the feed solution.
Results: It was concluded that the developed process completely eliminated the biggest waste problem of the Solvay process. Compared to the distillation unit in the Solvay Process, It has been concluded that the BMED process is a sustainable and green process in terms of not generating waste and producing HCl, NaOH and usable water together with the recovery of ammonia.