Jeotermal suyun ıslahı için yenilikçi malzemelerin geliştirilmesi ve uygulanması
Development and application of innovative materials for reclamation of geothermal water
Yazar: FATMA ŞEN
Danışman: PROF. DR. NALAN KABAY ; PROF. DR. MAREK BRYJAK
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Dünyanın artan enerji ihtiyacı göz önünde bulundurulduğunda jeotermal enerji, en istikrarlı ve yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olması nedeniyle cazip bir alternatif haline gelmektedir. Özellikle, su kıtlığı bulunan bazı bölgelerde, jeotermal sular, hem içme suyu kaynakları hem de sanayi ve tarım için değerli su kaynakları olarak kabul edilmektedir. Ancak yüzeye çıkan jeotermal sular mineral içeren kayaçlar ile temas eder ve bu nedenle jeotermal sularda yüksek miktarda bor ve arsenik bulunabilmektedir. Jeotermal sularda yüksek derişimlerde bulunabilen bor ve arseniğin varlığı, jeotermal suların sulama veya içme suyu olarak doğrudan kullanılmasını önlemekte; yeraltı sularında ve yüzey sularında kimyasal kirlilik ve çevresel sorunlara neden olabilmektedir. Bu nedenle borun ve arseniğin jeotermal sudan uzaklaştırılması önemli bir husustur.
Bu çalışmada, TÜBİTAK-NCBR projesinde partner üniversite olan Wroclaw University of Technology'de sentezlenen N-metil-D-glukamin fonksiyonel gruplarını içeren "core-shell" tipi yenilikçi iyon değiştirici reçinelerin bor ve arsenik giderim kapasiteleri belirlenmiştir ve ticari iyon değiştirici reçineler de yenilikçi reçineler ile aynı koşullarda kullanılarak, performans karşılaştırması yapılmıştır.
Kesikli ve sürekli adsorpsiyon deneyleri ile adsorpsiyon-membran hibrit çalışmaları laboratuvar ölçeğinde yürütülmüştür. Öncelikle adsorpsiyon çalışmaları için model çözeltiler hazırlanmış ve daha sonra yürütülen çalışmalar jeotermal su kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Jeotermal su örnekleri İzmir Jeotermal A.Ş.'nin Balçova'daki kuyularından temin edilmiştir. 
Çalışmalarda ayrıca jeotermal suyun ters osmoz süzüntüsü ve konsantresinden bor ve arsenik giderimi için laboratuvarımızda bulunan Sepa      CF-II membran test sistemi kullanılarak jeotermal suyun ters osmoz konsantresi ve süzüntü örnekleri toplanmıştır. Ardından "core-shell" tipte iyon değiştirici malzemelerin ve ticari bor seçimli iyon değiştirici malzemelerin jeotermal suyun ters osmoz konsantresinden bor ve arsenik ve ters osmoz süzüntüsünden bor giderim kapasiteleri belirlenmiştir.
Elde edilen sonuçlara bakıldığında, ticari bor seçimli iyon değiştirici reçine ile jeotermal sudaki sadece bor derişimi sulama suyu için izin verilen seviyenin (<1,0 mg/L) altına düşürülürken, yenilikçi "core-shell" tipte reçineler ile hem bor hem de arsenik derişimi aynı anda izin verilen seviyenin altına düşürülebilmiştir. Sonuçlar, yenilikçi "core-shell" tipi N-metil-D-glukamin fonksiyonel grupları içeren iyon değiştirici reçinelerin jeotermal sulardan bor gideriminde ticari reçine ile rekabet edebileceklerini ve hatta aynı anda bor ve arsenik gideriminde ise ticari reçineye göre daha iyi performans sergilediklerini göstermiştir.

Anahtar sözcükler: Arsenik, bor, "core-shell" tipi iyon değiştirici reçine, iyon değişimi, jeotermal su.

Abstract:
Considering the increasing energy needs of the world, geothermal energy is becoming an attractive alternative because it is one of the most stable and renewable energy sources. Especially in some regions with water scarcity, geothermal waters are considered to be both potable and valuable water resources for industry and agriculture. However, geothermal waters that come to the surface come into contact with mineral-containing rocks, and therefore, high amounts of boron and arsenic can be found in geothermal waters. The presence of high concentrations of boron and arsenic in geothermal waters prevents the direct use of geothermal waters as irrigation or drinking water and it can cause chemical pollution and environmental problems in groundwater and surface waters. Therefore, the removal of boron and arsenic from geothermal water is an important issue.
In this study, boron and arsenic removal capacity of innovative "core-shell" type ion exchange resins containing N-methyl-D-glucamine functional groups synthessized at Wroclaw University of Technology, Poland, our Project partner institution were determined. Commercial boron selective ion exchange resins were also used under the same conditions and a performance comparison was made between commercial and novel "core-shell" resins.
Batch and continuous adsorption experiments along with adsorption-membrane hybrid studies were carried out on a laboratory scale. Firstly, model solutions were prepared for these studies and then further studies were carried out using geothermal water. Geothermal water samples were obtained from geothermal wells of Izmir Geothermal Energy Co. in Balcova.
In addition, reverse osmosis concentrate and permeate samples of geothermal water were collected by using Sepa CF-II membrane test system in our laboratory for boron and arsenic removal from reverse osmosis concentrate and permeate of geothermal water. Then, the capacities of boron and arsenic removals of core-shell type ion exchange materials and commercial boron selective ion exchange resins from the reverse osmosis concentrate and permeate of geothermal water were determined.
Looking at the data obtained, with commercial boron selective ion exchange resin, only the boron concentration in geothermal water was reduced below the permissible level for irrigation water (<1.0 mg/L), while both boron and arsenic concentrations can be reduced simultaneously with the novel "core-shell" type ion exchange resins.
The results show that "core-shell" type ion exchange resins containing N-methyl-D-glucamine functional groups are able to compete with commercial boron selective ion exchange resin for boron removal from geothermal waters. In addition, these novel resins showed better performance than commercial boron selective ion exchange resins for simultaneous boron and arsenic removals.

Keywords: Arsenic, boron, "core-shell"type ion exchange resin, geothermal water, ion exchange.