Atıksuların bipolar membran elektrodiyaliz prosesi ile arıtılması ve geri kullanım alternatiflerinin değerlendirilmesi

Dünya nüfusunun artması, iklim değişikliği, artan sanayileşme kişi başına düşen temiz su miktarının azalmasına neden olurken yakın gelecekte insanlığın büyük alanlarda su kıtlığı yaşayacağı öngörülmektedir. Sürdürülebilir bir su yönetimi için temiz su kaynaklarının kirliliğe karşı korunması ve alternatif su kaynaklarının bulunması gerekmektedir. Bu noktada atıksuların arıtıldıktan sonra yeniden kullanılması büyük önem taşımaktadır. Dünya üzerinde harcanan toplam su miktarının %21'i sanayiler tarafından kullanılmaktadır ve kullanılan çeşitli üretim proseslerinden yoğun kirletici konsantrasyonuna sahip atıksu üretilmektedir. Tekstil sektörü de bu sanayilerin başında gelmektedir. Boyama proseslerinde kullanılan yüksek boya ve tuz konsantrasyonları meydana gelen atıksuların arıtım maliyetini arttırmaktadır. Tekstil atıksularının düşük maliyetli arıtma yöntemleri ile arıtılarak yeniden kullanılması hem atıksuların çevresel etkilerini azaltacak hem de tekstil sanayicileri için alternatif su kaynağı oluşturacaktır. Belirtilen bu hususlar göz önüne alınarak, bu tez çalışmasında tekstil atıksularının bipolar membran elektrodiyaliz prosesi ile arıtılarak yeniden kullanılması amaçlanmıştır. BPMED prosesi kullanılan bipolar membran sayesinde, sisteme verilen elektrik akımı yardımı ile işletme sırasında asit, baz ve arıtılmış su üretmektedir. BPMED prosesinde kullanılan membranların ömrünün uzun olması ve işletme maliyetinin düşürülmesi amacıyla, proses öncesinde tekstil atıksularının ön arıtıma tabi tutulması gerekmektedir. Bu kapsamda BPMED prosesi öncesinde aerobik biyolojik arıtma, ozon gazı ile oksidasyon, polimer bazlı kimyasal renk giderici ile çöktürme ve kuvvetli baz anyon değiştirici reçine ile renk giderimi prosesleri ile tekstil atıksuları arıtılarak BPMED prosesinde tuzsuzlaştırma işlemi yapılmıştır. BPMED prosesi üzerine atıksu başlangıç pH değerinin etkisini belirlemek amacıyla dört farklı pH değerinde (pH 3, pH 5, pH 7 ve pH 8) çalışmalar yürütülmüştür. BPMED prosesi ile en verimli şekilde çalışacak ön arıtma yöntemi belirlenerek BPMED sisteminin enerji ve ekserji verimleri karşılaştırılmıştır. BPMED prosesinde harcanan yüksek enerjinin geri kazanılmasına yönelik atıksu arıtımı sırasında hidrojen gazı üretim alternatifleri üzerine çalışma yapılmıştır. BPM, anyon değiştirici membran ve katyon değiştirici membran elektroliz reaktöründe ayrı ayrı eklenerek her bir membranın elektroliz prosesi hidrojen gazı üretim verimi üzerine etkisi araştırılmıştır. Ayrıca elektroliz reaktörü elektrotlar arası mesafe değiştirilerek hidrojen gazı üretimine etkisi değerlendirilmiştir. Sonuç olarak biyolojik arıtma ile %89 oranında toplam organik madde giderilirken, renk giderimi %20 seviylerinde kalmıştır. Ozon ile oksidasyon sonrasında %90 üzerinde renk giderimi elde edilirken bu oran kimyasal çöktürme ve anyon değiştirici reçine proseslerinde %95 seviyesine kadar yükselmiştir. Ön arıtma prosesleri sonrasında çalıştırılan BPMED prosesi atıksu iletkenlik değeri 8 mS/cm'den 0,3 mS/cm seviyesine gelene kadar çalıştırılmıştır. Başlangıç atıksu pH değeri 8 olarak ayarlandığı zaman tüm ön arıtma prossleri sonrasında en kısa sürede iletkenlik giderimi sağlanırken, enerji ve ekserji verimleri en yüksek bu pH değerinde hesaplanmıştır. Polimer bazlı renk giderici kimyasalın iyon değiştirici membranların gözeneklerini tıkayarak sistemin verimini düşürdüğü görülmüştür. Anyon değiştirici reçine ön arıtma olarak kullanıldığında ise üretilen asit'in saflığı en fazla olmuştur. Elde edilen sonuçlara biyolojik arıtma sonrası ozonlama veya anyon değiştirici reçine prosesinin BPMED prosesi için uygun bir ön arıtma olacağı görülmüştür. Elektroliz prosesinde BPM kullanımı ile 0,66 mol/sa hidrojen üretim hızı elde edilirken enerji verimi %55 seviyesinde kalmıştır. Diğer taraftan ADM ve KDM kullanıldığında sırasıyla 0,47 mol/sa ve 0,46 mol/sa hidrojen üretim hızlarına ulaşılırken %82 ve %81 oranında enerji verimi elde edilmiştir. Ekserji verimleri karşılaştırıldığında ise sırasıyla BPM, ADM ve KDM için %45, %67 ve %68 oranlarında ekserji verimlerine ulaşılmıştır. Çalışmalar elektrotlar arası mesafe azaldıkça enerji ve ekserji verimlerinin %35 oranında arttığını göstermiştir. Sonuç olarak harcanan enerji ve üretilen hidrojen gazı göz önüne alındığında, ADM kullanılarak elektroliz prosesinde yüksek miktarlarda hidrojen gazı üretilirken entegre sistem ile aynı zamanda da atıksu arıtımı yapılması mümkün olmaktadır.