Seramik membran prosesi ile jeotermal sulardan bor giderimi
Boron removal from geothermal waters by ceramic membrane process
- Tez No: 972095
- Danışmanlar: PROF. DR. HASAN KÖSEOĞLU, PROF. DR. BİLGEHAN İLKER HARMAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Süleyman Demirel Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Son yıllarda temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilginin artması, jeotermal kaynakların sürdürülebilir kullanımını önemli hale getirmiştir. Ayrıca, temiz ve sürdürülebilir su kaynaklarına yönelik artan talep, yüksek bor (B) içeriğine sahip jeotermal sular için etkili arıtma teknolojilerine olan ihtiyacı ortaya koymuştur. Jeotermal sular; elektrik üretimi, bölgesel ısıtma ve tarımsal uygulamalar gibi alanlarda alternatif bir kaynak olarak öne çıkmaktadır. Ancak bu suların yüksek B içeriği, uygun şekilde arıtılmadan deşarj edildiğinde çevresel ve tarımsal tehlikeler oluşturmaktadır. Aşırı bor; toprak yapısının bozulmasına, yeraltı suyu kirliliğine ve bitkilerde toksisiteye neden olarak tarımsal verimliliği olumsuz etkilemektedir. Tez çalışmasında, 1 kDa gözenek boyutuna sahip tübüler seramik ultrafiltrasyon (fine-UF) membranı kullanılarak, jeotermal sulardan B giderimi için yenilikçi ve maliyet etkin bir yöntem geliştirilmesi amaçlanmıştır. Çalışmanın temel hedefi, model ve gerçek jeotermal sulardan, poliol destekli (mannitol, sorbitol ve ksilitol) B giderimini değerlendirmek ve optimum işletme koşullarını belirlemektir. Seramik membranlar, yüksek sıcaklıklı jeotermal su uygulamalarında sağladıkları üstün kimyasal, termal ve mekanik dayanıklılık özellikleri sayesinde, polimerik membranlara kıyasla önemli avantajlar sunmaktadır. Ancak mevcut seramik membranların bor tutma kapasitesinin sınırlı olması, bu teknolojilerin yaygın kullanımını kısıtlamaktadır. Bu sınırlamayı aşmak amacıyla, bor ile kararlı kompleksler oluşturabilen poliol bileşiklerinin kullanıldığı hibrit bir yaklaşım önerilmektedir. Poliol bileşikleri, borik asit (H₃BO₃) ile kompleks oluşturarak moleküler boyutlarını artırmakta ve seramik membranlar tarafından daha etkin bir şekilde tutulmalarını sağlamaktadır. Tez çalışması 4 ana fazda gerçekleştirilmiştir. Faz I ve Faz II aşamalarında, model bor ve model jeotermal su örnekleri kullanılarak seramik membranların performansı değerlendirilmiş; Faz III ve Faz IV aşamalarında ise model ve gerçek jeotermal su örnekleriyle poliol destekli bor giderimi araştırılmıştır. Faz I ve Faz II kapsamında yürütülen filtrasyon deneyleri, farklı işletim basınçlarında (1, 2 ve 4 bar) ve pH seviyelerinde (doğal ve pH 9,5) gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, seramik membranların tek başına bor giderim veriminin %0-11 (model jeotermal su) arasında kaldığını ve bu seviyelerin sulama suyu standartlarını karşılamadığını göstermiştir. Faz III ve Faz IV deneylerinde, laboratuvar ölçekli çapraz akışlı seramik membran testleri; membran basıncı (2 ve 4 bar), besleme suyu pH'ı (doğal ve 9,5) ve farklı bor konsantrasyonlarında (10 ve 20 ppm B-model jeotermal su) model ve gerçek jeotermal su örnekleri (18 ppm B) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen veriler, bor giderim etkinliğinin çözeltinin pH'ına, uygulanan basınca ve kullanılan poliol türüne bağlı olarak önemli ölçüde değiştiğini göstermiştir. Genel olarak, sorbitol doğal pH koşullarında daha yüksek bor giderimi sağlarken, mannitol pH 9,5 koşullarında daha etkili sonuçlar vermiştir; ksilitol ise her iki koşulda orta düzeyde performans göstermiştir. Sorbitol ilaveli model jeotermal suda, en yüksek bor giderimi %41 ile 20 ppm B konsantrasyonunda, pH 9,5 ve 4 bar basınçta elde edilmiştir. Benzer şekilde, mannitol içeren model suda (10 ppm B, pH 9,5) %38 oranında giderim sağlanarak süzüntüdeki B konsantrasyonu ~6 ppm'e düşürülmüştür. Bu değer, toleranslı bitkiler (4.0-6.0 ppm B: yonca, mor çiçekli bitki, maydanoz, kırmızı pancar, şeker pancarı, domates) ve çok toleranslı bitkiler (6.0-10.0 ppm B: sorgum, pamuk, kereviz) için önerilen sulama suyu sınırları ile uyumludur. Gerçek jeotermal su için en yüksek bor giderim verimi %34 olarak sorbitol ile 4 bar ve pH 9,5'te kaydedilmiştir. Ancak, arıtılmış sudaki bor konsantrasyonları gerçek su örneklerinde ~12-14 ppm arasında kalarak tarımsal sulama standartlarını (≤10,5 mg/L) karşılamamıştır. Filtrasyon testlerinde süzüntü akısı, işletme basıncı ve pH'tan etkilenmiştir. En yüksek süzüntü akısı, mannitol içeren model jeotermal suda 4 bar basınç ve pH 7,5 koşullarında 38 LMH; sorbitol içeren gerçek jeotermal suda ise 4 bar basınç ve pH 7,4'te 29 LMH olarak ölçülmüştür. Bu çalışma, belirlenen koşullarda bor giderim kapasitesi çok düşük (%0-11) olan seramik UF membranlarının, poliol ilavesi ile bor tutma veriminin %41'e kadar artırılabileceğini kantitatif olarak ilk kez ortaya koymuştur. Böylece membranların yapısal avantajları korunurken, fonksiyonel seçicilik kazandırılmıştır. Bununla birlikte, arıtılmış gerçek jeotermal sudaki bor konsantrasyonu (~12 ppm), tarımsal sulama için öngörülen sınır değerlerin üzerinde kalmaktadır. Bu durum, önerilen yaklaşımın tek başına yeterli olmadığını; ancak ters osmoz gibi ileri arıtma teknolojilerinden önce, çok aşamalı arıtma sistemlerin de etkili bir ön arıtma seçeneği olabileceğini göstermektedir. Polioller, borat iyonlarıyla kararlı kompleksler oluşturarak bor giderimini artırmış, ancak membran tıkanmasına yol açmamıştır. SEM ve SEM-EDX analizleri, seramik membranların yapısal bütünlüğünü ve gözenek homojenliğini doğrulamıştır. Ekonomik değerlendirmede, özellikle ksilitol kullanımı işletme maliyetlerini artırmıştır. Ancak seramik membranların uzun ömürlü ve tıkanmaya karşı dirençli yapısı, uzun vadede jeotermal uygulamalarda avantaj sağlayabileceğini göstermektedir. Bu bulgular, bor giderimi için seramik membran ve poliol kullanımının potansiyelini ortaya koymakta; ancak sulama standartlarına ulaşmak için ek arıtma adımları gerekliliğini de göstermektedir. Gelecek çalışmalar, proses verimliliğini artırırken çevresel ve ekonomik sürdürülebilirliği hedeflemelidir.
Özet (Çeviri)
In recent years, the growing interest in clean and renewable energy sources has made the sustainable use of geothermal resources important. Additionally, the increasing demand for clean and sustainable water sources has highlighted the need for effective treatment technologies for geothermal waters with high boron (B) content. Geothermal waters are emerging as an alternative source in areas such as electricity generation, district heating, and agricultural applications. However, the high B content of these waters poses environmental and agricultural hazards when discharged without proper treatment. Excess boron negatively affects agricultural productivity by causing soil structure degradation, groundwater contamination, and plant toxicity. This thesis aims to develop an innovative and cost-effective method for B removal from geothermal waters using a tubular ceramic ultrafiltration (fine-UF) membrane with a pore size of 1 kDa. The main objective of the study is to evaluate B removal from model and real geothermal waters using polyol-supported (mannitol, sorbitol, and xylitol) membranes and to determine the optimal operating conditions. Ceramic membranes offer significant advantages over polymeric membranes due to their superior chemical, thermal, and mechanical durability in high-temperature geothermal water applications. However, the limited boron retention capacity of existing ceramic membranes restricts the widespread use of these technologies. To overcome this limitation, a hybrid approach using polyol compounds that can form stable complexes with boron is proposed. Polyol compounds increase their molecular size by forming complexes with boric acid (H₃BO₃), enabling them to be more effectively retained by ceramic membranes. The thesis study was conducted in four main phases. In Phases I and II, the performance of ceramic membranes was evaluated using model boron and model geothermal water samples; in Phases III and IV, polyol-supported boron removal was investigated using model and real geothermal water samples. Filtration experiments conducted in Phases I and II were performed at different operating pressures (1, 2, and 4 bar) and pH levels (natural and pH 9.5). The results obtained showed that the boron removal efficiency of ceramic membranes alone ranged between 0-11% (model geothermal water) and that these levels did not meet irrigation water standards. In Phase III and Phase IV experiments, laboratory-scale cross-flow ceramic membrane tests were conducted; membrane pressure (2 and 4 bar), feed water pH (natural and 9.5), and different boron concentrations (10 and 20 ppm B-model geothermal water) using model and real geothermal water samples (18 ppm B). The data obtained showed that boron removal efficiency varied significantly depending on the pH of the solution, the applied pressure, and the type of polyol used. In general, sorbitol provided higher boron removal under natural pH conditions, while mannitol was more effective under pH 9.5 conditions; xylitol showed moderate performance under both conditions. In the sorbitol-added model geothermal water, the highest boron removal of 41% was achieved at a boron concentration of 20 ppm, pH 9.5, and 4 bar pressure. Similarly, in model water containing mannitol (10 ppm B, pH 9.5), 38% removal was achieved, reducing the B concentration in the filtrate to ~6 ppm. This value is compatible with the recommended irrigation water limits for tolerant plants (4.0-6.0 ppm B: alfalfa, purple flowered plant, parsley, red beet, sugar beet, tomato) and highly tolerant plants (6.0-10.0 ppm B: sorghum, cotton, celery). The highest boron removal efficiency for actual geothermal water was recorded at 34% with sorbitol at 4 bar and pH 9.5. However, boron concentrations in the treated water remained between ~12-14 ppm in actual water samples, failing to meet agricultural irrigation standards (≤10.5 mg/L). In filtration tests, the filtrate flow rate was affected by operating pressure and pH. The highest permeate flux was measured at 38 LMH in model geothermal water containing mannitol at 4 bar pressure and pH 7.5, and at 29 LMH in real geothermal water containing sorbitol at 4 bar pressure and pH 7.4. This study quantitatively demonstrates for the first time that the boron retention efficiency of ceramic UF membranes, which have very low boron removal capacity (0-11%) under specified conditions, can be increased up to 41% by adding polyol. Thus, while preserving the structural advantages of the membranes, functional selectivity has been imparted. However, the boron concentration in the treated real geothermal water (~12 ppm) remains above the limits prescribed for agricultural irrigation. This indicates that the proposed approach alone is not sufficient; however, it shows that multi-stage treatment systems can be an effective pre-treatment option before advanced treatment technologies such as reverse osmosis. Polyols increased boron removal by forming stable complexes with borate ions, but did not cause membrane fouling. SEM and SEM-EDX analyses confirmed the structural integrity and pore homogeneity of the ceramic membranes. In the economic evaluation, the use of xylitol, in particular, increased operating costs. However, the long-lasting and clog-resistant structure of ceramic membranes suggests that they may offer advantages in geothermal applications in the long term. These findings highlight the potential of ceramic membranes and polyol use for boron removal; however, they also indicate the necessity of additional treatment steps to meet irrigation standards. Future studies should aim to improve process efficiency while targeting environmental and economic sustainability.
Benzer Tezler
- A comparative study for removal of boron by chelating adsorbents containing N-methyl-D-glucamine group and separation of lithium by λ-MnO2 from geothermal waters
Jeotermal sulardan N-metil-D-glukamin içeren şelatlayıcı adsorbentler ile bor giderilmesi ve λ-MnO2 ile lityum ayrılması için karşılaştırmalı bir çalışma
YAŞAR KEMAL RECEPOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Kimya MühendisliğiEge ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NALAN KABAY
DOÇ. DR. İDİL YILMAZ İPEK
- Polimerik/modifiye seramik hibrit membran prosesi ile endüstriyel atık sudan bakır giderimi ve geri kazanımı
Copper removal and recovery from industrial wastewater with polymeric/modified ceramic hybrid membrane process
NİYAZİ ERDEM DELİKANLI
Doktora
Türkçe
2019
Çevre MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEVZAT ÖZGÜ YİĞİT
DOÇ. DR. HASAN KÖSEOĞLU
- Sol-jel yöntemi ile kil esaslı altlık üzerine La2O3 solüsyon kaplama ve seramik membran üretimi
Başlık çevirisi yok
BAHRİ ERSOY
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Maden Mühendisliği ve MadencilikDumlupınar ÜniversitesiMaden Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. VOLKAN GÜNAY
- Seramik üretimi prosesi atıksularının arıtılması
Treatment of ceramic production process wastewater
EMEL ERDOĞAN BÜYÜKKUTLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Çevre MühendisliğiErciyes ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NURAY ATEŞ
- Hibrit seramik membran prosesiyle su arıtımı
Water treatment with hybrid ceramic membrane process
BİLGEHAN İLKER HARMAN
Doktora
Türkçe
2011
Çevre MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MEHMET BEYHAN