Petrokimyasal atıksuların elektrokimyasal yöntemle arıtılması
Petrochemical wastewater treatment by means of electrochemical method
Yazar: SAIDAT OLANIPEKUN GIWA
Danışman: PROF. DR. HALE HAPOĞLU
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Petrokimyasal atıksular çok sayıda kirletici maddeleri içerir. İyi arıtılmayan atıksular çevre üzerinde zararlı etkilere sebep olabilir. Elektrokoagülasyon, uygun işletme koşulları seçilirse, yüksek verim elde edilebilen geleneksel kimyasal koagülasyonun farklı bir biçimidir. Prosesin yüksek verimi ve çevre dostu özelliklerine rağmen, yüksek işletme maliyetinden dolayı (kimyasal işlemler ile karşılaştırıldığında) endüstriyel ölçekte uygulanması cesaret verici değildir. Endüstriyel atıksu arıtma tesislerinde işlemi uygulanabilir hale getirmek için, özellikle sürecin yüksek işletme maliyetine katkıda bulunabilir enerji tüketimi sorununa çözüm bulunması gerekmektedir. Elektrokimyasal proseslerde enerji tüketimi, uygulanan akım yoğunluğu, elektroliz süresi ve yardımcı elektrolit derişiminin fonksiyonudur. Elektrokoagülasyon esnasında elektrolit iletkenliği ve sıcaklığı birbirlerine bağlı olduğu için belli bir akım yoğunluğu ve elektroliz süresinde enerji tüketimini etkileyen değişken çözelti iletkenliği veya sıcaklık olabilir. Ayrıca, bu etkenler elektrokoagülasyon verimini etkileyecek değişkenler arasında yer almaktadır. Çalışmanın ilk aşaması proses dinamiğinin araştırılması ve elektrokoagülasyon prosesinin bulanıklık giderme veriminin optimize edilmesidir. Optimizasyon sonucu yağsız petrokimyasal atıksu için optimum işletme koşullarının 18.166 mA/cm2 akım yoğunluğu, 1.25 g/L NaCl derişimi ve 27.46 dk elektroliz süresi olduğunu göstermiştir. Maksimum bulanıklık giderim verimi 2.6 US $/m3 maliyet ile %96.8 bulunmuştur. Çalışmanın diğer aşamasında, reaktör sıcaklığını ve iletkenliğini kontrol etmek için ayarlanabilen değişken olarak sırasıyla soğutma suyu akış hızı ve NaCl çözeltisi akış hızı seçilmiştir. Deneysel olarak tek girdili-tek çıktılı (SISO) ve çok girdili-çok çıktılı (MIMO) atıksu sıcaklığının ve iletkenliğinin kontrolleri sırasıyla gerçekleştirilmiştir. Kontrol çalışmalarında geleneksel kontrol yöntemi olan oransal-integral-türevsel (PID) kontrol ve ileri kontrol yöntemlerinden olan fuzzy kontrol yöntemleri kullanılmıştır. Çok girdili-çok çıktılı fuzzy kontrol kullanılarak arıtımda minimum enerji tüketimi 1.64kWh/m3 bulunmuştur. Yaklaşık %27 enerji tüketim azalışı elde edilmiştir. Böylece enerji tüketiminde yaklaşık %27 azalma sağlanmıştır.

Abstract:
Petrochemical wastewaters contain a wide range of pollutants. If the wastewaters are not effectively treated detrimental effects can be seen on the environment. Electrocoagulation is a variant of conventional chemical coagulation which its high efficiency can be achieved if appropriate operating conditions are chosen. Despite the high efficiency and environmental friendliness of the process, high operating cost (compare to chemical processes) has made its application in industrial scale not encouraging. To make the process practicable in industrial wastewater treatment plants, solution needs to be found especially to energy consumption problem which can contribute to high operating cost of the process. In electrochemical processes energy consumption is a function of applied current density, supporting electrolyte concentration and electrolysis time.  Due to relationship between conductivity and temperature during electrolysis at a specific value of applied current density and electrolysis time, energy consumption can be affected by temperature or conductivity. Also these variables are among the factors that can affect pollutant removal efficiency of electrocoagulation. The first stage of the study was to investigate the dynamics of the process and to optimize the turbidity removal efficiency of an electrocoagulation process. The result of numerical optimization showed that for non-oily petrochemical wastewater optimum operating conditions were 18.166 mA/cm2 current density, 1.25 g/L NaCl concentration and 27.46 min electrolysis time. The maximum turbidity removal efficiency was 96.8 % with operating cost of 2.6 US $/m3. Other stage of the study, to control the reactor temperature and conductivity, cooling water flow rate and NaCl solution flow rate were chosen as the manipulated variables respectively. The experimental single-input-single output (SISO) and multi-input-multi-output (MIMO) controls of wastewater temperature and conductivity were achieved respectively. Proportional-integral-derivative (PID) control as the traditional control method and Fuzzy control as advanced control method were used in control studies. The minimum energy consumption of the treatment was found to be 1.64 kWh/m3 by using MIMO fuzzy control. Approximately 27% energy consumption reduction was obtained. Thus, approximately 27% reduction was achieved in energy consumption