Search

To reduce the negative effects of climate change and global warming, both water and energy resources are needed as alternatives besides traditional resources. Geothermal water, one of the first to come to mind as an alternative energy source, is used for electricity generation, heating and thermal health tourism. In addition to these uses, the possibility of using geothermal water as irrigation water may present an alternative approach to the problem of water scarcity. However, some components found in geothermal water do not allow direct evaluation. Therefore, geothermal water may need to undergo some treatment before use. In this study, reclamation of geothermal water by integrated membrane and ion exchange processes was aimed for removal of boron and arsenic from geothermal water by employing novel chelating resins. Another aim of this study is to obtain energy by reverse electrodialysis (RED) method from concentrate stream which is obtained by treatment of geothermal water using reverse osmosis (RO) method. In the first part of the study; novel gel like chelating ion exchange resins containing NMDG groups were used for the removal of boron and arsenic from geothermal water, its reverse osmosis permeate and concentrate. The performances of these resins were investigated by applying batch and continuous methods in laboratory studies. The second part of the study is to generate power via reverse electrodialysis method based on the salinity gradient. For this purpose, different ion exchange membranes were used in the studies. In the studies, the number of membrane pairs, the salinity difference and the flow rates of the feed solutions were investigated., İklim değişimi ve küresel ısınmanın olumsuz etkilerini azaltmak için geleneksel kaynakların yanı sıra alternatif olarak su ve enerji kaynaklarına ihtiyaç vardır. Alternatif enerji kaynağı olarak ilk akla gelenlerden biri olan jeotermal su, elektrik üretimi, ısınma ve termal sağlık turizmi için kullanılmaktadır. Bu kullanımlara ek olarak, jeotermal suların sulama suyu olarak kullanılabilmesi su kıtlığı sorununa alternatif bir yaklaşım sunabilir. Ancak jeotermal suların içinde bulunan bazı elementler bu suların doğrudan kullanılmasına imkan vermemektedir. Bu nedenle jeotermal suların kullanım öncesinde bazı işlemlerden geçmesi gerekebilir. Bu çalışmada, yenilikçi şelatlayıcı iyon değiştirici reçineler kullanılarak jeotermal suların bütünleşik membran ve iyon değişim süreçleriyle ıslahı ile bor ve arseniğin jeotermal sudan uzaklaştırılması amaçlanmıştır. Bu çalışmanın diğer bir hedefi ise, jeotermal suyun ters osmoz (TO) yöntemi ile arıtılmasıyla elde edilen konsantre bileşenden akımdan ters elektrodiyaliz (TED) yöntemi ile enerji elde etmektir. Çalışmanın ilk bölümünde; bor ve arseniğin jeotermal su, jeotermal suyun ters ozmoz süzüntüsü ve konsantresinden giderilmesi için, NMDG gruplarını içeren yeni şelatlayıcı iyon değiştirici reçineler kullanılmıştır. Laboratuvar çalışmalarında kesikli ve sürekli adsorpsiyon yöntemleri uygulanarak bu reçinelerin bot ve arsenik giderim performansları araştırılmıştır. Çalışmanın ikinci kısmı ise, tuzluluk farkına dayalı olarak ters elektrodiyaliz yöntemi ile güç üretilmesidir. Bu tez çalışmasının diğer amacı da tuzluluk farkına dayalı olarak ters elektrodiyaliz yöntemi kullanılarak güç üretimidir. Bu amaçla, farklı iyon değiştirici membranlar kullanılmıştır. Yapılan çalışmalarda membran çiftlerinin sayısı, besleme çözeltilerinin tuzluluk farkı ve besleme çözeltilerinin akış hızların etkisi incelenmiştir.

In this study, we assessed the usability of spent geothermal water for agricultural irrigation after membrane treatment. Preliminary membrane tests were conducted on a laboratory-scale set up followed by mini-pilot scale tests in a geothermal heating center. Commercially available membranes (XLE BWRO, NF90, and Osmonics CK- NF) were tested using a cross-flow flat-sheet membrane testing unit (Sepa CF II, GE-Osmonics) under constant applied pressure of 20 bar. Then, different spiral wound membranes (TR-NE90-NF, TR-BE-BW, and BW30) were employed for the mini-pilot scale studies to treat store spent geothermal water and the system was operated in a continuous mode. Water recovery and applied pressure were maintained constant at 60% and 12 bar, respectively. In laboratory tests, the permeate fluxes were measured as 94.3, 87.9, and 64.3 L m−2 h−1 for XLE BWRO, CK-NF and NF90 membranes, respectively. The arsenic removals were found as 99.0%, 87.5% and 83.6% while the boron removals were 56.8%, 54.2%, and 26.1% for XLE BWRO, NF90 and CK-NF membranes, respectively. In field tests, permeate fluxes were 49.9, 26.8 and 24.0 L m−2 h−1 for TR-NF, BW30-RO and TR-BE-BW membranes, respectively. Boron removals were calculated as 49.9%, 44.1% and 40.7% for TR-BE-BW, TR-NE90-NF, and BW30-RO membranes, respectively. Removal efficiencies of arsenic in mini-pilot scale membrane tests were all over 90%. Then, the spent geothermal taken directly from reinjection stream was treated. Firstly, individual performances of different commercially available nanofiltration (NF) and reverse osmosis (RO) membranes attached to a mini-pilot membrane test system were studied. For the single membrane tests, TR-NF and NF90 as NF membranes and TR-BWRO, Vontrone, TR-SWRO and BW30 as RO membranes were employed while combination of TR-NF with TR-BWRO, Vontrone, TR-SWRO and BW30 was employed in the integrated study (with and without pH adjustment). In terms of boron removals, boron was partially removed in single membrane study as 22.7–23.6% and 30.6–56.8% by NF and RO membranes, respectively. For the integrated NF + RO membrane configuration (without pH adjustment), boron removals were in the range of 42.1–59.4% while 91.3–95.4% of boron removal was obtained in the integrated NF + RO (at elevated pH). Concentrate stream produced during water treatment by pressure driven membrane processes remain the major drawback for this technology. The membranes employed for concentrate management studies were TR-NF and BW30-RO membranes. First, studies with different concentrate to feed ratios as NF-F2, NF-F3, NF-F4 and NF-F5 (1:4, 1:3, 1:2 and 2:3) were investigated using TR-NF membrane. A control study with no concentrate recirculation was conducted as well in order to check the effect of concentrate recirculation on the membrane performance. Then, studies with BW30-RO membrane using same concentrate to feed ratios as in the case of NF membrane studies were carried out. An applied pressure of 15 bar, initial water recovery of 60% and 4 h of experimental time were employed as operational conditions for both NF and RO membrane studies. Flux values obtained were 28.62, 28.80, 28.76, 28.72 and 23.04 Lm-2h-1 for NF-F2, NF-F3, NF-F4 and NF-F5 while 32.31, 31.85, 28.62 and 27.69 Lm-2h-1 for RO-F1, RO-F2, RO-F3, RO-F4 and RO-F5, respectively. The quality of irrigation water is critical to enhancing agricultural productivity. As a result, this research was carried out with the aim of treating spent geothermal water based on Turkish Ministry of Forestry and Urbanization (TR-MEU). While doing that, cost analysis of the system was taken into consideration as well. The product water was targeted to suit irrigation water standards for tomato plants. According to TR-MEU irrigation water standards, the results obtained from this study it was clearly seen that, both NF and RO product waters meet the quality I irrigation water standards with respect total dissolved substances (TDS), electrical conductivity (EC), Na+ and Cl-. Quality 1 means, the produced water will not cause any environmental effect when employed for irrigation purpose. Nevertheless, produced water was found not to complied with irrigation standards with respect to sodium adsorption ratio (SAR) and boron (quality III category). Quality III means, the water will cause soil infiltration problems when employed for irrigation purpose. Quality II of TR-MEU standard was targeted for the irrigation of tomato in the field study. Two commercially available pressure-driven membranes (NF8040-70 as NF and TM720D-400 as RO) installed in a pilot-membrane treatment system were employed for the production of tomato irrigation water. A constant applied pressure of 15 bar and 60% water recovery were kept constant during the product water production while mode of operation of the membrane system was continuous mode. A mixing using 50 or 60% of well water with the product water of NF (50%) and RO (40%) was found to be the optimum ratios to produce the requested tomato irrigation water quality. Quality II (can be applied with caution) of irrigation water was targeted in terms of SAR as well as boron concentration (2-4 and 4-6 mg/L) while determining the mixing ratios. The cost of the product water was found as 0.76 and 1.56 $/m3 for NF and RO processes, respectively. For the membrane fouling test, BW30-RO membrane was employed. Six cycle experiments including rinsing with RO permeate following RO treatment, chemical cleaning, rinsing with RO permeate were conducted with spent geothermal water. A chemical cleaning with citric acid solution was employed for the fouled membranes. Nevertheless, flux recovery was found to be low with values of 2.98, 5.31, 1.27, 0.68, 4.98 and 4.28% for cycles 1, 2, 3, 4, 5 and 6 respectively. In the solar energy powered membrane tests study, mini-pilot scale desalination system employed for the treatment of waste geothermal water. Solar-powered desalination membrane system was operated at 15 bar of applied pressure, 4 h experimental time, and 60% of water recovery. The system was monitored for a period of 12 months, and the efficiency of the solar energy, as well as desalinated water quality, was evaluated. The maximum energy produced by the solar system was 2603 W, while the energy consumption of the desalination system was calculated as 1456 W. Quality of the permeate water produced was accessed according to Turkish Ministry of Forestry and Urbanization (TR-MEU) irrigation water standards., Bu çalışmada, jeotermal ısı merkezinde ısıtma amaçlı kullanım sonrasında elde edilen kullanılmış jeotermal suyun membran arıtımından sonra tarımsal sulamada kullanılabilirliği değerlendirilmiştir. Bu amaçla yapılan ilk aşama çalışmalarda ticari olarak temin edilebilen üç farklı ters osmoz ve nanofiltrasyon membranı (XLE BWRO, NF90 ve Osmonics CK-NF), 20 bar'lık sabit uygulama basıncı altında çapraz akışlı düz tabaka membran test ünitesi (Sepa CF II, GE-Osmonics) kullanılarak test edilmiştir. Bir sonradaki çalışma, İzmir Jeotermal A.Ş.‘nin Yeni Kale Jeotermal Isı Merkezi sahasında kurulmuş olan mini-pilot ölçekli membran test sistemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla farklı tipte spiral sarım nanofiltrasyon ve ters osmoz membranları (TR-NE90-NF, TR-BE-BW, BW30 ve Vontrone) kullanılmıştır. Çalışmalarda uygulanan su geri kazanımı ve uygulama basıncı sırasıyla %60 ve 12 bar olacak şekilde sabit tutulmuştur. Gerçekleştirilen laboratuvar testlerinde XLE BWRO, CK-NF ve NF90 membranları için süzüntü akıları sırasıyla 94.3, 87.9 ve 64.3 L m-2h-1 olarakölçülmüştür. XLE BWRO, NF90 ve CK-NF membranları için arsenik giderimi sırasıyla %99.0, %87.5 ve %83.6 iken, bu membranların bor giderimleri ise sırasıyla %56.8, %54.2 ve %26.1 olarak bulunmuştur. Saha testlerinde TR-NF, BW30, Vontrone ve TR-BE-BW membranları kullanılarak elde edilen süzüntü akıları sırasıyla 49.92, 27.70, 25.29 ve 23.04 Lm-2h-1‘dir. Jeotermal sudan bor giderimleri TR-BE-BW, TR-NE90-NF, BW30-RO ve Vontrone membranları için sırasıyla %49.9, %44.1, %40.7 ve %39.7 olarak hesaplanmıştır. Mini pilot ölçekli membran testlerinde kullanılan tüm membranlar ile jeotermal sudan arsenik %91'in üzerinde bir giderim ile uzaklaştırılabilmiştir. Re-enjeksiyon hattından doğrudan alınan jeotermal su kullanılarak mini-pilot membran test sisteminde tekli, bütünleşik membran ayrıca atık jeotermal sudan bor giderimine pH‘ın etkisi araştırılmıştır. Çalışmalarda farklı tipte spiral sarım nanofiltrasyon ve ters osmoz membranları (TR-NE90-NF, TR-BE-BW, BW30 ve Vontrone) kullanılmıştır. Çalışmalarda uygulanan su geri kazanımı ve uygulama basıncı sırasıyla %60 ve 15 bar olacak şekilde sabit tutulmuştur. İlk çalışmalar jeotermal suyun pH‘ında tekli membran çalışmaları olarak gerçekleştirilmiştir. İkinci çalışmada, NF (TR-NF) membranının her bir RO (TR-BWRO, Vontrone, TR-SWRO ve BW30) membranı ile entegrasyonları ya da RO (TR-BWRO) ile RO (TR-BWRO, Vontrone ve BW30) entegrasyonu pH ayarı olmaksızın gerçekleştirilmiştir. Bütünleşik membran çalışmalarının ikinci aşaması için, RO membran çalışmasından (ikinci geçiş) önce ilk olarak sürekli modda (ilk geçiş olarak) NF/RO süzüntüsü toplanırken, ikinci geçiş için sistem kapalı döngüde çalıştırılmıştır. Bütünleşik çalışmaların ilk aşamasında 15 barlık uygulama basıncı, %60 su geri kazanımı ve 4 saatlik deney süresi, RO çalışmasından önce her iki NF/RO süzüntü toplama çalışmaları için sabit tutulmuştur. İkinci aşama RO çalışmasında ise NF+RO entegrasyonu için 15 bar, RO+RO entegrasyonu için ise 10 bar basınç uygulanmıştır. Üçüncü çalışmada ise, NF (TR-NF) membranının her bir RO (TR-BWRO, Vontrone, TR-SWRO ve BW30) membranı ile entegrasyonları ikinci RO geçişinde besleme suyunun pH‘ı 10,5‘e ayarlanarak gerçekleştirilmiştir. pH'ın 10,5'e ayarlanması dışında, tüm deneysel koşullar, pH ayarlaması olmadan yapılan bütünleşik NF+RO çalışmalarında olduğu gibi sabit tutulmuştur. Çalışmada yüksek pH'da ikinci geçiş için, 10 ve 15 bar'lık bir basınç uygulanmıştır. Tek tek membranların performansları incelendiğinde, tüm çalışmalarda deneysel çalışma süresi boyunca (4 saat) süzüntü akısında önemli bir azalma olmadığı görülmüştür. Bor giderimleri açısından, tek membranla yapılan çalışmalarda bor giderimi NF ve RO membranları ile sırasıyla %22,7-23,6 ve %30,6-56,8 düzeyinde kısmen gerçekleşmiştir. Bütünleşik NF+RO membran konfigürasyonu için (pH ayarlaması olmadan) bor giderimi %42,1-59,4 aralığında iken, ikinci aşamada pH‘ın 10,5‘e ayarlandığı bütünleşik NF+RO çalışmasında bor giderimi %91,3-%95,4 olarak elde edilmiştir. Jeotermal su arıtımında meydana gelen konsantre akışın, çevresel problemlere sebep olmaması amacıyla konsantre, sisteme geri beslenerek konsantre atık minimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Konsantrenin minimizasyonunda, TR-NE90-NF membranı ile elde edilen konsantre, farklı oranlarda (1:4, 1:3, 1:2 ve 2:3) besleme suyu ile karıştırılarak besleme tankına geri beslenmiştir. Bu karışımlar, geri besleme olmaksızın gerçekleştirilen kontrol çalışmasıyla kıyaslanmış olup, konsantre çevriminin membran performansına etkisi araştırılmıştır. Daha sonra aynı konsantre/besleme oranları kullanılarak BW30-RO membranı ile benzer çalışmalar yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, 1:4, 1:3, 1:2 ve 2:3 geri besleme oranına sahip konsantre çalışmalar için hesaplanan ortalama akı değerleri sırasıyla 30.29, 28.80, 25.92 Lm-2h-1‘dir. Benzer şekilde BW30-RO membranınaait geri beslemesiz pilot çalışma ile 1:4, 1:3, 1:2 ve 2:3 geri besleme oranına sahip çalışmalar için hesaplanan ortalama akı değerleri ise sırasıyla 32.77, 31.85, 27.69 Lm-2h-1‘dir. Yeni Kale Jeotermal Isı Merkezi bahçesinde domates yetiştirmek için sulama suyu üretiminde kullanılan büyük pilot ölçek membran arıtma sisteminde takılı olan NF ve RO membranlarının performans değerlendirmeside yapılmış olup, bu çalışma re-enjeksiyon hattından alınan atık jeotermal su büyük pilot ölçek membran arıtma sisteminde arıtılarak geçlekleştirilmiştir. Sulama suyu kalitesi, tarımsal verimliliği artırmak için oldukça önemlidir. Bu araştırma ile tarımsal sulamada kullanmak amacıyla jeotermal suyun arıtılması hedeflenmiştir. Buna bağlı olarak çalışmalarda elde edilen sonuçlar T.C Çevre, Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı‘nın sulama suyu standartlarına göre değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, hem NF hem de RO ürün sularının toplam çözünmüş madde (TDS) açısından Sınıf I sulama suyu standartlarını karşıladığı açıkça görülmüştür. Öte yandan, elektriksel iletkenlik (EC), Na+ ve Cl- değerlerinin de Sınıf I kalite değerlerini karşıladığı görülmüştür. Bu durumda, ürün suyu sulama amacıyla kullanıldığında herhangi bir çevresel etkiye neden olmayacağı anlaşılmıştır. Bunun yanı sıra ele geçen süzüntü suyunun sodyum adsorpsiyon oranı (SAR) ve bor açısından Sınıf II sulama suyu kalitesinde olduğu tespit edilmiştir. Bitki büyümesi için ihtiyaç duyulan minerallerin çoğu NF ve RO membranları tarafından giderildiğinden ürün suyu, kuyu suyu ile (remineralizasyon için) belirlenen oranlarda karıştırılmıştır. NF (%50) ve RO (%40) membranlarının ürün suyu, %50 veya %60 oranında kuyu suyu ile karıştırılarak istenen domates sulama suyu kalitesini elde etmek için optimum oranlar bulunmuştur. Karıştırma oranları belirlenirken sulama suyunun, SAR ve bor derişimi (2-4 ve 4-6 mg/L) açısından II. Sınıf olması (dikkatle uygulanabilir) hedeflenmiştir. Bu çalışma boyunca sistemin maliyet analizi de göz önüne alınmıştır. Ürün suyunun maliyeti NF ve RO prosesleri için sırasıyla 0.76 ve 1.56$/m3 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca membran tıkanmasının tespitine ilişkin BW30-RO membranı kullanılarak bazı testleri yapılmıştır. Bu testler 6 farklı döngü şeklinde gerçekleştirilmiştir. Çalışmalar sonunda döngü sayısı arttıkça membran geçirgenliğinin azaldığı tespit edilmiştir. Kirlenen membranların temizliği sitrik asit ile yapılmıştır. Döngüler 1, 2, 3, 4, 5 ve 6 olmak üzere akı geri kazanımları sırasıyla %2.98, 5.31, 1.27, 0.68, 4.98 ve %4.28 olarak hesaplanmıştır. Güneş enerjisiyle çalışan membranların test çalışmasında, atık jeotermal suyun arıtılması için mini pilot ölçekli desalinasyon sistemi kullanılmıştır. Güneş enerjili desalinasyon membran sistemi 15 bar uygulama basıncı, 4 saatlik deney süresi ve %60 su geri kazanımında çalıştırılmıştır. Sistem 12 aylık süre boyunca izlenerek güneş enerjisinin verimliliği ve tuzdan arındırılmış su kalitesi değerlendirilmiştir. Güneş sisteminin ürettiği maksimum enerji 2603 W, desalinasyon sisteminin enerji tüketimi ise 1456 W olarak hesaplanmıştır.

A clean and sustainable energy source is necessary as an alternative to reduce the negative effect of greenhouse gases on climate change and global warming. In this sense, geothermal energy had a greater place as renewable energy source for keeping the earth clean for the new generations. One of the direct uses of geothermal energy is the geothermal fluids/waters for domestic, industrial, and commercial purposes. However, some toxic elements such as boron, arsenic and heavy metals can make a complex with the ions present in the underground waters by passing through soil. These complexes can be more toxic than elements presented as alone. Therefore, elimination of these substances from geothermal water have an important place from the environmental viewpoint. In this thesis, boron and arsenic removal from geothermal water obtained from the wells of İzmir-Balçova Geothermal Co. were carried out in adsorption-membrane filtration hybrid system by using the novel ion exchange resins (1JW, 2JW, 1PTN and 2PTN) synthesized in the laboratory of our project partner in Poland (Wroclaw University of Science and Technology). Boron and arsenic removal performances of novel ion exchange resins were compared with the that by commercially available boron and arsenic selective ion exchange resins (Dowex XUS 43594.00, Arsenxnp, Lewatit FO 36) and the effect of resin type and concentration on boron and arsenic removal were investigated. In second stage hybrid studies, reverse osmosis permeate of geothermal water (GW-ROP) was obtained by using Sepa CF-II membrane filtration test system in our laboratory. Adsorption-membrane filtration hybrid system was utilized to remove boron from GW-ROP solution. Moreover, reverse osmosis concentrate (GW-ROC-2 and GW-ROC-3) of the geothermal water obtained by pilot-scale reverse osmosis system installed at the Yenikale Heat Center were utilized in adsorption membrane filtration hybrid studies. For this purpose, novel boron selective and commercially available ion exchange resins were utilized in hybrid system to investigate arsenic and boron removal efficiencies. The obtained results showed that novel N-methyl-D-glucamine functionalized ion exchange resins are applicable to use in adsorption-membrane filtration hybrid process for boron and arsenic removal from geothermal water, reverse osmosis permeate and concentrate of geothermal water. These resins were able to decrease final boron concentration below to the permissible level (< 1.0 mg/L) and became comparable to commercially available boron and arsenic selective ion exchange resins. Considering the arsenic removal performances of these resins, it can be said that the final arsenic concentration in geothermal water could not be reduced below the permissible level; but their arsenic removal performances were enhanced for the reverse osmosis concentrate of geothermal water. In the third stage hybrid studies, laboratory scale bipolar membrane electrodialysis systems were operated to removal and recover boron and lithium from model solution. In bipolar membrane electrodialysis studies carried out by using two different electrodialysis systems, it was found that the acid and base solutions used in the acid and base compartments, the electrode solution used in the electrode compartment and the electrical potential affected boron and lithium separation and recovery from the model solution., Sera gazlarının iklim değişikliği ve küresel ısınma üzerindeki olumsuz etkisini azaltmak için alternatif olarak temiz ve sürdürülebilir bir enerji kaynağı gereklidir. Bu anlamda jeotermal enerji, dünyanın temiz tutulması anlamında yenilenebilir enerji kaynağı olarak büyük bir yere sahiptir. Jeotermal enerjinin doğrudan kullanımlarından biri, evsel, endüstriyel ve ticari amaçlar için jeotermal akışkanların/suların kullanılmasıdır. Ancak, bor, arsenik ve ağır metaller gibi bazı toksik elementler, topraktan geçerek yeraltı sularında bulunan iyonlarla kompleks oluşturabilir. Bu kompleksler, tek başına var olan elementlerden daha toksik olabilir. Bu nedenle, bu maddelerin jeotermal sudan giderilmesi çevresel anlamda önemlidir. Bu tez çalışmasında İzmir Jeotermal A.Ş.'nin Balçova'da bulunan kuyularından temin edilen jeotermal sudan bor ve arsenik giderilmesi için laboratuvarımızda bulunan adsorpsiyon-membran filtrasyon hibrit sisteminde Polonya'daki (Wroclaw Bilim ve Teknoloji Üniversitesi) proje ortağımızın laboratuvarında sentezlenen yeni nesil iyon değiştirici reçineler (1JW, 2JW, 1PTN ve 2PTN) kullanılmıştır. Bu reçinelerin, bor ve arsenik giderim performansları, ticari bor ve arsenik seçimli iyon değiştirici reçineler (Dowex XUS 43594.00, ArsenXnp, Lewatit FO 36) ile karşılaştırılmış, reçine tipi ve derişiminin bor ve arsenik giderimi üzerindeki etkisi araştırılmıştır. İkinci aşama hibrit çalışmalarda, laboratuvarımızda bulunan Sepa CF-II membran filtrasyon test sistemi kullanılarak jeotermal suyun ters osmoz süzüntüsü (GW-ROP) elde edilmiştir. GW-ROP çözeltisinden bor giderilmesi için adsorpsiyon-membran filtrasyon hibrit sistemi kullanılmıştır. Ayrıca, Yenikale Isı Merkezi'nde kurulu olan pilot-ölçekli ters osmoz sistemi kullanılarak elde edilen jeotermal suyun ters osmoz konsantresinden (GW-ROC-2 ve GW-ROC-3) bor ve arsenik giderilmesi çalışmaları da yapılmıştır. GW-ROC-2 ve GW-ROC-3 çözeltilerinden arsenik ve bor giderimlerini araştırmak için adsorpsiyon membran filtrasyon hibrit çalışmalarında yeni nesil bor seçimli ve ticari iyon değiştirici reçineler kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar, yeni N-metil-D-glukamin fonksiyonel gruplarını içeren iyon değiştirici reçinelerin, jeotermal su, jeotermal suyun ters osmoz süzüntüsü ve konsantresinden bor ve arsenik giderimi için adsorpsiyon-membran filtrasyon hibrit işleminde uygulanabilir olduklarını göstermiştir. Bu reçineler, uygun koşullar altında nihai bor derişimini izin verilen seviyenin altına (

This thesis is subdivided in two main parts: Simultaneous boron and lithium separations and recoveries using bipolar membrane electrodilaysis process (BMED) process and production of ultrapure water from RO permeate using electrodeionization (EDI) process. In the first part, parametric studies based investigation of the influence of applied electrical potential on simultaneous boron and lithium separations and recoveries and initial sample concentration by using ASTOM ACYLYSER EX3 BMED. In addition, the influence of applied electrical potential, sample solution volume and pH, acid and base compartments solutions composition was monitored using PCCell 64004 BMED system. Later on, both ASTOM and PCCell BMED systems were compared with Mega BMED system applied in their optimal operational conditions. All the systems tested were effective in simultaneous boron and lithium separations and recoveries. But each system showed differences in terms of optimal operational conditions to obtain maximum performance. In the second part, the applicability of electrodeionization method to produce ultrapure water from RO permeate of geothermal water. In studies, the effects of feed flow rate, electrical potential applied, cell number, type of ion exchange membranes and ion exchange resins employed on electrical conductivity, contents of boron, silicon and arsenic were investigated. In addition, recycle use of EDI system was studied., Bu tez çalışması, iki ayrı ana bölümden oluşmaktadır: Bipolar membran elektrodiyaliz (BMED) yöntemiyle bor ve lityum ayrılması, geri kazanılması ve jeotermal suyun ters ozmos süzüntüsünden elektrodeiyonizasyon (EDI) yöntemi kullanılarak ultra saf su üretilmesidir. Birinci bölümde, ASTOM ACYLYSER EX3 BMED kullanılarak gerçekleştirilen parametrik çalışmalarda; uygulanan elektriksel potansiyelin ve başlangıç derişiminin sulu çözeltiden bor ve lityumun eşzamanlı ayırılması ve geri kazanımlarına olan etkisi incelenmiştir. Ayrıca, uygulanan elektriksel potansiyel, örnek çözelti hacmi, pH, asit ve baz bölmelerindeki çözelti bileşimlerinin etkileri PCCell 64004 BMED sistemi kullanılarak izlenmiştir. Hem Astom hem de PCCell sisteminde elde edilen optimum çalışma koşulları, Mega BMED sistemin de kullanılarak karşılaştırma yapılmıştır. Test edilen tüm sistemler bor ve lityumun aynı anda ayrılmasında ve geri kazanımında etkili olmuştur. Fakat her bir sistemin maksimum performansı farklı çalışma koşullarında elde edilmiştir. İkinci bölümde, jeotermal suyun ters ozmos süzüntüsünden ultra saf su üretiminde elektrodeiyonizasyon yönteminin uygulanabilirliği incelenmiştir. Çalışmalarda akış hızı, elektriksel potansiyel, hücre sayısı, membran tipi, iyon değiştirici reçine türü gibi proses değişkenlerinin ürün suyun elektriksel iletkenliği bor, silisyum ve arsenik içeriğine olan etkileri incelenmiştir. Ayrıca, EDI sistemin geri kullanımı da araştırılmıştır.

Direct release of geothermal waters to the environment may cause some adverse effects to plants because they contain some toxic species such as boron, arsenic, fluoride etc. despite valuable minerals including lithium. Although boron is essential element for some metabolic activities in plants, there is a small range between boron deficiency and boron toxicity for plants. In this study, batch and column mode tests were performed to evaluate the abilities of boron selective ion exchange resins, Diaion CRB 02 and Diaion CRB 05, as well as a novel chelating fiber Chelest Fiber GRY-HW for boron removal from geothermal water. On the other hand, geothermal water with higher lithium concentration (1-10 mg/L) due to the thermal interactions with rocks and sand in the aquifer can be considered as an alternative resource for lithium which has a very important place in many applications such as ion batteries, thermonuclear fusion, medicines, ceramic glasses, adhesives and electrode welding, when compared to the lithium concentration of seawater (~0.17 mg/L), which is widely used for lithium recovery. For the separation of lithium from geothermal water batch and column adsorption studies were performed by using both powdery and granulated forms of λ-MnO2 derived from spinel-type lithium manganese dioxide. In addition, a hybrid process coupling adsorption and membrane filtration was used to separate lithium from geothermal water. In these studies, the effect of process parameters on the separation of lithium such as adsorbent type, adsorbent concentration, the replacement speed of fresh and saturated adsorbents and flow rate of permeate stream were investigated. Besides, by utilization of a boron selective resin, Dowex XUS-43594.00, together with λ-MnO2 in the hybrid studies, simultaneous separation of boron and lithium from geothermal water was also conducted. All data obtained from batch adsorption studies were interpreted by using adsorption isotherm models. Moreover, mathematical models related with adsorption kinetics were used to figure out the rate order and rate determining step of boron and lithium sorption for both boron and lithium selective materials. The results showed that boron selective chelating resins along with novel chelating fiber could be employed as efficient adsorbents to decrease boron concentration in geothermal water below the permissible level for irrigation water (, Jeotermal suların çevreye doğrudan salınması, lityum da dahil olmak üzere içerdiği değerli minerallere rağmen bor, arsenik, florür vb. gibi bazı toksik türleri de içerdiğinden bitkiler üzerinde bazı olumsuz etkilere neden olabilir. Bor, bitkilerdeki bazı metabolik faaliyetler için gerekli olmasına rağmen, bitkilerde bor eksikliği ile bor toksisitesi arasında küçük bir aralık vardır. Bu çalışmada, yeni bir şelatlayıcı fiber malzeme olan Chelest Fiber GRY-HW'nin yanı sıra bor seçimli iyon değiştirici reçineler Diaion CRB 02 ve Diaion CRB 05'in jeotermal sudan bor giderim performanslarını değerlendirmek için kesikli ve kolon testleri gerçekleştirilmiştir. Öte yandan, iyon pilleri, termonükleer füzyon, tıbbi ilaçlar, seramik camlar, yapıştırıcılar ve elektrot kaynağı gibi birçok uygulama alanında oldukça önemli bir yere sahip olan lityumun eldesi için yaygın olarak kullanılan deniz suyunun lityum derişimi (~0.17 mg/L) ile karşılaştırıldığında, jeotermal suyun akiferdeki kayalar ve kumlarla termal etkileşimine bağlı olarak içerdiği daha yüksek lityum derişimi (1-10 mg/L) alternatif bir kaynak olarak düşünülmesini sağlamaktadır. Jeotermal sudan lityum ayrılması için, spinel türdeki lityum manganez dioksitten türetilen toz haline getirilmiş ve granüle edilmiş λ-MnO2 kullanarak kesikli ve kolon adsorpsiyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, adsorpsiyon ve membran filtrasyonu bütünleştiren hibrit yöntem jeotermal sudan lityum ayrılması için kullanılmıştır. Çalışmalarda adsorbent tipi, adsorbent derişimi, taze ve doygun adsorbentlerin yer değiştirme hızı ile süzüntü akış hızı gibi proses parametrelerinin lityum ayrılması üzerine etkisi incelenmiştir. Bunun yanı sıra hibrit çalışmalarda, λ-MnO2 ile bor seçimli Dowex XUS-43594.00 reçinesinin bir arada kullanılmasıyla jeotermal sudan eş zamanlı olarak bor ve lityum ayrılmaya çalışılmıştır. Kesikli adsorpsiyon çalışmaları sonucunda elde edilen veriler, adsorpsiyon izoterm modelleri ile yorumlanmıştır. Hem bor hem de lityum seçimli malzemelerin tepkime derecesi ve hız tayin basamağının belirlenmesi için adsorpsiyon kinetiği ile ilgili matematik modeller de kullanılmıştır. Sonuçlar, bor seçimli şelatlayıcı reçinelerinin, yeni şelatlayıcı fiber ile birlikte, jeotermal suyun bor derişimini sulama suyu için izin verilen seviyenin (

Bor bitkiler, hayvanlar ve insanlar için önemli bir besin elementidir fakat yeterlilik ve asırılık arasındaki oran azdır. Onun eser miktarı bitkilerin ve hayvanların etkili büyümesi için yeterli görülmektedir. Baska bir deyisle daha fazla dozlar toksik olabilir. Sulama suyundaki minimum bor konsantrasyonu hücresel çogalma, nükleik asit metabolizması, fotosentetik islemi kontrol eden sekerin metabolizması gibi bitkilerin bazı metabolik aktiviteleri için gereklidir. Baska bir deyisle su sıkıntısı gerçegi vardır. Bütün su kaynakları bitkilerin ve insanların yasamlarını sürdürmeleri için büyük bir dikkatle kullanılmalıdır. Bu kaynakların bir tanesi de jeotermal sudur. Bu çalısmada Balçova (Izmir) jeotermal suyundan iyon degistirici reçine ve fiberler kullanılarak borun uzaklastırılması arastırılmıstır. Giderim çalısmaları kesikli ve kolon denemeleri seklinde çalısılmıstır. Aynı zamanda borun jeotermal su ve jeotermal su ters osmoz akıntısından giderilmesi için basınç ve bekleme süresi parametreleri göz önünde bulundurularak adsorbsiyon-ultrafiltration hibrit prosesi kullanılmıstır. Borun jeotermal su ve jeotermal su ters osmoz akıntısından giderilmesi için reçine ve fiber olarak N-metil glukamin grubu içeren reçine, Dowex XUS- 43594.00 ve bor seçimli fiber olan Smopex 248V kullanılmıstır.

Dünyada kullanılacak yeterli suyun olmaması sorunu, yeni su kaynaklarının ve su arıtım yöntemlerinin geliştirilmesini gerektirmektedir. Jeotermal suların kullanımı bu soruna alternatif bir çözüm olarak görülebilmektedir. Ancak jeotermal sular mineral çözünmesi sonucu bor ve arseniğin yanında pek çok element içermektedir. Yapılan çalışmalardan elde edilen sonuçlar arsenik ve borun insanlar, hayvanlar ve bitkiler üzerindeki olumsuz etkilerini göstermektedir ve bu durum suda bulunmasına izin verilecek maksimum kirlilik düzeyleri için düzenlemelerin yapılmasına neden olmaktadır.Bu çalışmada, iyon değiştirici reçineler ile jeotermal sulardan arsenik ve borun uzaklaştırılması amaçlanmıştır. Jeotermal su örnekleri Balçova, İzmir ve Hachoubaru, Kyushu, Japonya'dan alınmıştır.Balçova ve Hachoubaru jeotermal sularından borun uzaklaştırılması deneyleri, kesikli çalışmalar ve kolon çalışmaları şeklinde gerçekleştirilmiştir. Bor giderimi için bora seçimli farklı iyon değiştiriciler (Lewatit MK 51, Diaion CRB03, DOWEX XUS-43594.00, Amberlite PWA 10, Smopex 248V ve bora seçimli kompozit fiber) kullanılmış ve sonuçlar bor giderimi verimi açısından karşılaştırılmıştır. Kesikli çalışmalar ve kolon çalışmalarının yanı sıra, yeni bir yöntem olan batık sorpsiyon-membran filtrasyonu sistemi de Balçova jeotermal suyundan borun uzaklaştırılması için kullanılmıştır. Ayrıca bora seçimli iyon değiştirici reçine, DOWEX XUS-43594.00, ile Balçova jeotermal suyu kullanılarak, bor sorpsiyonunun kinetik olarak tepkime derecesi ve hız tayin basamağının belirlenmesi için literatürde mevcut bazı matematiksel modeller kullanılmıştır.Reçine miktarının arsenik giderimi üzerindeki etkisini incelemek için Hachoubaru jeotermal suyu ile arseniğe seçimli iyon değiştirici reçineler, Lewatit FO 36 ve ArsenXnp, ve Balçova jeotermal suyu ile Lewatit FO 36 reçinesi kullanılarak kesikli çalışmalar yapılmıştır. Ayrıca Hachoubaru jeotermal suyundan arseniğin uzaklaştırılması için Lewatit FO 36 ve ArsenXnp reçineleri ile kolon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Reçinelerin kolon performansları incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. The water shortage around the world makes it necessary to find out new water sources and water treatment methods. Utilization of geothermal waters can be an alternative solution to this problem. But as a result of mineral dissolution, geothermal waters contain various types of species which includes boron and arsenic. In literature, accumulated data indicate the remarkable negative effects of arsenic and boron on human, animals and plants, which cause the regulations of maximum contamination levels of them in water.In this study, removal of boron and arsenic from geothermal waters by ion exchange resins was aimed. Geothermal water samples used were taken from Balçova, İzmir and Hachoubaru, Kyushu, Japan.Boron removal studies from Balçova and Hachoubaru geothermal waters were performed as batch-mode and column-mode tests. Different kinds of ion exchangers (Lewatit MK 51, Diaion CRB03, DOWEX XUS-43594.00, Amberlite PWA 10, Smopex 248V and a composite boron selective fiber) were used for boron removal and compared in terms of boron removal efficiency. Besides batch-mode and column-mode tests, a novel submerged sorption-membrane filtration method was used for boron removal from Balçova geothermal water. Also mathematical modeling study for boron selective ion-exchange resin, DOWEX XUS-43594.00, was performed to investigate the rate order and rate determining step of boron sorption on the resin by using Balçova geothermal water.Batch-mode tests were performed to determine the effect of resin amount on arsenic removal with ArsenXnp and Lewatit FO 36 by using Hachoubaru geothermal water and with Lewatit FO 36 by using Balçova geothermal water. Also, column-mode tests were performed for remediation of arsenic from Hachoubaru geothermal water by using ion exchange resins, Lewatit FO 36 and ArsenXnp. The column performances of these resins were investigated and compared. 171

Bor bitkilerin bazı metabolik aktivitelerini tamamlayabilmeleri için gerekli bir elementtir. Ancak yüksek düzeyde bor, bitkinin gelişimini olumsuz yönde etkilemektedir. Farklı bitkiler farklı bor seviyelerine duyarlıdırlar. Örneğin, turunçgiller için en uygun bor derişim aralığı 0.3-0.5 mg/L iken, mısır için 0.5-0.75 mg/L' dir. Dünya Sağlık Örgütü (WHO) borun insan sağlığı üzerindeki zararlı etkilerini göz önünde bulundurarak, içme sularındaki limit bor derişim düzeyini 0.3 mg/L olarak belirlemiştir. Bu sebeplerden dolayı, borun su ve atık sulardan giderilmesi günümüzde üzerinde önemle çalışılması gereken bir konu olarak karşımıza çıkmaktadır.Bu çalışmada, iyon değiştirme prosesi ve klasik arıtım yöntemlerine göre bazı avantajlara sahip olan iyon değiştirme-membran filtrasyon hibrit yöntem kullanılarak model çözelti ve jeotermal sulardan bor giderimine ilişkin elde edilen sonuçlar sunulacaktır.İlk bölümde, farklı iyonik türlere sahip model bor çözeltileri ve iyon değiştirici reçineler kullanılarak adsorpsiyon izotermleri incelenmiştir. Daha sonra, reçinelerin farklı iyonik şiddet ortamından bor giderimlerine ilişkin kinetik performansları karşılaştırılmıştır. Kızıldere ve Balçova jeotermal sularından bor giderimi için gerekli olan optimum reçine miktarı belirlendikten sonra Kızıldere jeotermal suyundan bor gideriminde reçine tanecik boyutunun ve karıştırma hızının; Balçova jeotermal suyundan bor gideriminde ise reçine tanecik boyutu, sıcaklık ve pH'ın sorpsiyon kinetiği üzerindeki etkileri incelenmiştir. Kinetik çalışmalardan elde edilen sonuçlar, psödo birinci-ikinci mertebe kinetik modelleri ile difüzyon ve reaksiyon kinetik modelleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Ayrıca, Diaion CRB 02 reçinesi kullanılarak bor gideriminde sıyırıcı derişiminin etkisi incelenmiştir. Son olarak, Balçova Jeotermal suyundan sürekli yöntemle bor giderimi bora seçimli Diaion CRB 02 ve Dowex (XUS 43594.00) reçineleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Dowex (XUS 43594.00) reçinesi kullanılarak sürekli yöntemle Balçova jeotermal suyundan bor giderimi üzerinde akış hızının etkisi incelenmiştir.İkinci bölümde, iyon değiştirme-membran hibrit prosesinin model bor çözeltisi ve jeotermal sulardan bor giderimindeki kinetik performansı Vivascience, Micropore ve daldırılmış (submerged) membran filtrasyon sistemler kullanılarak incelenmiştir.Vivascience membrane filtrasyon sistem ile sorpsiyon-yıkama-sıyırma-yıkama-rejenerasyon-yıkama basamaklarından oluşan beş döngü ile Diaion CRB 02 ve Dowex (XUS 43594.00) reçineleri kullanılarak model bor çözeltisinden bor giderimi test edilmiştir. Ayrıca, Micropore membran filtrasyon sistemi kullanılarak iyon değiştirme-membran filtrasyon hibrit prosesinin farklı iyonik şiddetteki model bor çözeltisi ve Balçova jeotermal suyundan bor giderimindeki kinetik performansı incelenmiştir. İyon değiştirme-mikrofiltrasyon hibrit sisteme ait kinetik model (karıştırmalı tanka ait) ile ?non-equilibrium model? kullanılarak deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlar teorik sonuçlarla karşılaştırılmış ve borun reçine içindeki yayınımına ilişkin etkin difüzyon katsayısı ile kütle transfer katsayısı elde edilmiştir. Son olarak, daldırılmış (submerged) membran filtrasyon sistem kullanılarak, model bor çözeltisinden ve yüksek bor derişimi içeren Kızıldere ve Balçova jeotermal sularından bor giderimi incelenmiştir. Bu çalışma ile, jeotermal sudan bor gideriminde membran filtrasyon sisteminin verimini belirlemede etkin olan reçine tanecik boyutu, akış hızı ve reçine derişimi gibi optimum proses parametreleri saptanmıştır. Boron is an element which is required for certain metabolic activities in plants. However, higher boron levels accelerate plant decay and expiration. Different plants can withstand different boron levels. For example, the optimal boron concentration range is 0.3?0.5 mg/L for citrus and grapes but is 0.5?0.75 mg/L for corn. The WHO recommends a maximum concentration limit of boron of 0.3 mg B/L for drinking water. So, there is a need for removal of boron from water and wastewater to obtain the limit concentration value for environmental pollution control.In this study, the results related to boron removal from model boron solution and geothermal water by ion exchange method and ion exchange-membrane filtration hybrid system which has many advantages comparing with conventionally used fixed bed systems were explained.In the first part of the study, adsorption isotherm studies were carried out using ion exchange resins and the solutions containing different boron concentrations at different ionic strengths. After that, kinetic performances of the ion exchange resins for boron removal from model boron solutions at different ionic strengths were investigated. Besides, after determination of optimum resin amount for boron removal from Kızıldere and Balçova geothermal waters, the effects of resin particle size, stirring rate, temperature, and pH on kinetic performance of ion exchange resins for boron removal from Kızıldere and Balçova geothermal waters were determined. The results obtained were evaluated using pseudo first-second order and diffusional kinetic models. Also, effect of eluting agent concentration on elution performance was investigated using Diaion CRB 02 resin. As the last part, the efficiency of boron removal from Balçova geothermal water was investigated using boron selective ion exchange resins Diaion CRB 02 and Dowex (XUS 43594.00) by column-mode studies. Effect of feed flow rate on boron removal from geothermal water by column-mode study was additionally tested using Dowex (XUS 43594.00) resin.In the second part of the study, kinetic performance of ion exchange-membrane filtration hybrid process for boron removal from model boron solution and geothermal water was investiagted using different kinds of hybrid systems such as Vivascience, Micropore, and submerged membrane filtration systems.Vivascience membrane filtration system was tested for boron removal from model boron solution for five successive sorption-washing-elution-washing-regeneration-washing cycles using Diaion CRB 02 and Dowex (XUS 43594.00) resins. Elsewhere, kinetic performance of ion exchange-membrane hybrid process for boron removal from model boron solutions at different ionic strengths and from Balçova geothermal water was also investigated using Micropore membrane filtration system. Seeded microfiltration cell kinetic and non-equilibrium modelling approaches were used to compare the theoretical and experimental data and to determine the diffusivity of boron inside the resin and mass transfer coefficients. Additionally, submerged membrane filtration system was applied for boron removal from model boron solution, Kızıldere, and Balçova geothermal waters containing high level of boron. In this study, the optimum process parameters such as resin particle size, flow rate, and resin concentration that govern the efficiency of separation process for boron removal from geothermal water were determined. 314

Su canlılar için temel yaşam kaynaklarından biridir. Günümüzde su kaynaklarının hızla tükenmesi ve kirlenmesi dünyanın birçok bölgesinde giderek önem kazanan ve çözüm bekleyen bir konu olarak karşımıza çıkmaktadır. Sudaki bor kirliliği önemli bir çevre problemidir. Bu nedenle bor, hem insan hem de hayvan sağlığı ve bitkiler üzerindeki olumsuz etkilerinden dolayı su iyileştirme kuruluşları tarafından dikkatlice izlenmektedir.Bu çalışmada, polimer destekli ultrafiltrasyon yöntemi kullanılarak model çözeltilerden (2.0 mg B/L ve 10.0 mg B/L) ve jeotermal sudan (bor derişimi 10.5 mg B/L olan) bor giderimi incelenmiştir. Çalışmalarımızda farklı geçerli sınır moleküler ağırlıklı (NMWL-5,000; 10,000; 50,000) Millipore ultrafiltrasyon membranları ve bor seçimli iyon değiştirici reçine Dowex XUS (0.355-0.500 mm ve 0-20 ?m) kullanılmıştır. Jeotermal sulardan ve model çözeltilerden borun giderilmesinde reçine miktarı, reçine tanecik boyutu, uygulanan basınç ve reçine-çözelti temas süresi gibi parametrelerin etkileri incelenmiştir. Sulama suları için önerilen limit bor derişimi (1 mg B/L) polimer destekli ultrafiltrasyon yöntemiyle kullanılan jeotermal su için elde edilmeye çalışılmıştır. The water is one of the basic life sources for the people. The rapid decrease and pollution in the water resources is becoming an increasingly important issue in many areas of the world. Water contamination by boron is a widespread environmental problem. That?s why, boron is gaining wide attention by water treatment community due to its adverse effects both on human/animal health and on agriculture.In this study, boron removal from model solutions (2.0 mg B/L and 10.0 mg B/L) and geothermal water (containing 10.5 mg B/L) was performed using polymer-assisted ultrafiltration method. Millipore ultrafiltration membranes with different nominal moleculer weight limit (NMWL- 5,000; 10,000; 50,000) and boron selective ion exchange resin Dowex XUS 43594.00 (0.355-0.500 mm and 0-20 ?m) were used for the experimental work. The effects of the such parameters as resin concentration, resin particle size, applied pressure, and the contact time between resin and solution on boron removal from model solutions and geothermal water were studied. The recommended limit boron concentration for irrigation water (1 mg B/L) for geothermal water was tried to obtain by polymer- assisted ultrafiltration method. 222