Atıksulardan ağır metal gideriminde elektrodiyaliz, ters elektrodiyaliz, elektrodeiyonizasyon ve ters elektrodeiyonizasyon sistemlerinin karşılaştırılması
Removal of heavy metals from wastewater using electrodialysis, reverse electrodialysis, electrodeionization and reverse electrodeionization process
Yazar: ELİF ÖZTEKİN
Danışman: DOÇ. SÜREYYA ALTIN
Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Ağır metaller canlı yaşamı için toksik özellik taşımasının yanısıra ekonomik değere de sahiptir. Birçok endüstriyel faaliyetin atıksuyunda bulunabilen ağır metallerin alıcı ortamlara deşarj edilmesi sonucunda organizmaların bünyesinde birikerek canlı yaşamını tehdit edebilecek seviyelere ulaşabilir. Bu nedenle tüm metaller için alıcı sulara deşarj limitleri yönetmeliklerle düzenlenmiştir. Söz konusu deşarj limitlerini sağlayabilmek amacı ile ağır metallerin atıksulardan giderilmesi ve/veya yeniden bir proses içinde değerlendirilebilmesi günümüzde üzerinde önemle durulan konular arasındadır. Klasik olarak uygulanan metal giderme yöntemleri düşük derişimde metallerin sulardan ayrılması konusunda yetersiz kalmaktadır. Bununla birlikte son yıllarda elektrokimyasal yöntemlerle ağır metal giderimi veya geri kazanımı dikkat çeken prosesler arasındadır. 
Elektroliz prosesine iyon değiştirici membranlar yerleştirilerek tasarlanan elektrodiyaliz (ED) prosesi seyreltik çözeltilerden iyonların ayrılması için en fazla çalışma yapılan elektrokimyasal prosestir. ED prosesi iki elektrot arasına amaca uygun olarak yerleştirilmiş iyon değiştirici membranlardan oluşur. ED prosesinde uygulanan doğrusal akımın etkisi altında iyonlar yüklerine bağlı olarak anot ve katoda doğru hareket ederek iyon değiştirici membranlardan kontrollü olarak geçerler. Böylece seyreltik çözeltideki tüm iyonlar konsantre bölmeye taşınır.
ED proseslerinin iyi ayırma verimlerine karşılık membran tıkanması, konsantrasyon polarizasyonu, zamanla seyreltik bölmedeki iyon miktarının azalmasına bağlı olarak akım geçişinin zorlanması ile aşırı enerji tüketimi gibi dezavantajları da bulunmaktadır.
ED prosesinde bazı değişiklikler yapılarak bu dezavantajların giderilmeye çalışıldığı birkaç yeni modifiye ED prosesi son yıllarda ilgi çekmektedir. Bu yeni prosesler membran tıkanmalarını önlemek amacıyla geliştirilen ters elektrodiyaliz (EDR) prosesi, ED prosesinin bir iyon değiştirici reçine ilavesi ile desteklenmesi ile iyon transferininin sürekliliğini amaçlayan elektrodeiyonizasyon (EDI) prosesi ve EDI prosesinin ömrünü uzatmayı hedefleyen, ters elektrodeiyonizasyon (EDIR) prosesidir.  Sözkonusu bu ayırma proseslerinin çalışma koşulları ve arıtılan suyun özellikleri bağlı olarak birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları mevcuttur.  
Bu çalışma ED, EDR, EDI ve EDIR proseslerinin ayırma performanslarının Cu2+ içeren bir seyreltik çözeltiden, Cu2+'nin giderilmesi üzerinden karşılaştırılmasını amaçlamaktadır. Deneysel çalışmalar ticari olarak temin edilen bir ED hücresi kullanılarak yapılmıştır. Öncelikle ED prosesi, sınırlayıcı akım yoğunluğu (LCD), uygulanan voltaj, başlangıç derişimi, akış hızı, elektrolit türü ve derişimini içeren işletme parametreleri açısından optimize edilmiştir. Prosesin performansı, giderim verimi (%), akım verimi (%) ve enerji ihtiyacı hesaplanarak belirlenmiştir. Sonraki adımda ise ED prosesi için uygulanan tüm deneyler EDR, EDI ve EDIR prosesleri için de tekrarlanmıştır.
Elde edilen sonuçlarla çalışma aralıklarında işletme parametrelerinin her bir proses için etkisi ortaya konmuş, aynı zamanda da proseslerin birbirleri ile karşılaştırılması için kullanılmıştır. Literatürde ED, EDR, EDI ve EDIR proseslerinin işletme koşullarının ve performanslarının karşılaştırıldığı bir çalışmaya rastlanmamıştır. 
Elde edilen sonuçlara göre, tüm prosesler Cu2+ gideriminde belirli bir verime sahiptir. Aynı şartlarda (Cu+2 derişimi 100mg/L, akış hızı 80 mL/dk, elektrolit çözelti 0,3M K2SO4, uygulanan voltaj 30V) çalışılan proseslerde en yüksek giderim verimi (%SP) % 89,76 ile EDIR prosesinde elde edilmiştir. Aynı koşullar altındaki ED, EDR ve EDI prosesinde elde edilen % SP değerleri ise %55,69, %66,63, %89,30'dur. Bu koşullardaki yüzde akım verimi değerleri ED, EDR, EDI ve EDIR prosesleri için sırası ile %67,46, %39,58, %25,13, %31,77 iken proseslerin enerji gereksinimleri ise (EC) 9,37, 22,03, 19,69 ve 14,69 watt.sa/m3'tür. Elde edilen tüm sonuçlar değerlendirildiğinde ise bütün proseslerin değişen işletme parametrelerine göre optimize edilmesinin proses verimini arttıracağı enerji maliyeti ile birlikte proses maliyetini düşüreceği öngörülmektedir.

Abstract:
Heavy metals have economic value as well as toxic properties for living organisms. As a result of discharge of heavy metals which can be found in wastewater of many industrial activities into the receiving environment, heavy metals can accumulate in the organisms and threaten their living. For this reason, discharging limits for all metals are regulated by the regulations. The aim of these discharge limits is to remove heavy metals from wastewaters and / or to evaluate them again in a process. This is one of the issues that are emphasized today. Conventionally applied metal removal methods are insufficient to separate low-grade metals from water. However, in recent years, heavy metal removal or recovery by electrochemical methods has been one of the prominent processes.
Electrodialysis (ED) process, designed by placing ion-exchange membranes in the electrolysis process, is the most studied electrochemical process for separating ions from dilute solutions.

The ED process consists of ion exchange membranes suitably positioned between the two electrodes. Under the influence of the current applied in the ED process, the ions pass through the ion exchanger membranes controlledly by moving the anode and the cathode depending on their charge. Thus, all the ions in the dilute solution are transported to the concentrate compartment.

ED processes have some disadvantages versus good separation efficiency such as membrane fouling, concentration polarization, difficult to pass current due to the decrease in the amount of ions in the diluted compartment over time, and excessive energy consumption.
Several recent changes have been made in the ED process, and a few new modifications to the ED have been attracting interest in recent years. These new processes include the reverse electrodialysis (EDR) process, which is designed to prevent membrane fouling, electrodeionization (EDI) process aimed at the continuity of ion transfer by supporting the ED process by the addition of an ion exchange resin, and the EDIR process which aimed at extending the life of the EDI process. These separation processes have advantages and disadvantages relative to each other, depending on the operating conditions and properties of the treated water.
This study aims to compare the separation performances of the ED, EDR, EDI and EDIR processes over the removal of Cu2+ from a dilute solution containing Cu2+. Experimental studies were carried out using a commercially available ED cell. First, the ED process is optimized in terms of operating parameters including limiting current density (LCD), applied voltage, initial concentration, flow rate, electrolyte type and electrolyte concentration. The performance of the process was determined by calculating separation efficiency (SP %), current efficiency (CE %) and energy requirement (EC). In the next step, all experiments for the ED process are repeated for the EDR, EDI and EDIR processes.
With the results obtained, the effect of the operating parameters for each process was determined at the working intervals and the results have been used to compare processes with each other. In literature, no study comparing the operating conditions and performances of ED, EDR, EDI and EDIR processes was found.
According to the results obtained, all the processes have a certain rate of Cu2+ removal. In the same conditions (Cu2+ concentration 100mg / L, flow rate 80 mL / min, electrolyte solution 0.3M K2SO4, applied voltage 30V), the highest SP % was achieved in the EDIR process with 89.76%. The SP % values obtained in ED, EDR and EDI processes under the same conditions are 55.69%, 66.63%, 89.30%. In this condition, the CE % values are 67.46%, 39.58%, 25.13%, 31.77% for the ED, EDR, EDI and EDIR processes, while the energy requirements of the processes are 9.37, 22.03, 19.69 and 14.69 watt.h/m3. When all the results obtained are evaluated, it is predicted that optimizing all the processes according to changing operating parameters will decrease the process cost together with the energy cost which will increase the efficiency of the process.