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.

Bu çalışma, İzmir’in Narlıdere ilçesinde bulunan İzmir Jeotermal Enerji A,Ş’ye ait Yenikale Jeotermal Isı Merkezi sahasında gerçekleştirilmiştir. Yürütülen çalışmalarda ısı merkezinin reenjeksiyon hattından alınan jeotermal reenjeksiyon suyu burada kurulu olan mini pilot ölçekli membran test sistemi aracılığıyla arıtılmıştır. Membran arıtımında NF ve RO membranları kullanılarak membran türünün ürün suyu geri kazanımına ve kalitesine olan etkisi araştırılmıştır. Mini pilot ölçekli membran test sistemine giren besleme suyu, konsantre ve süzüntü suyu olarak ayrılacağı için farklı karakterizasyona sahip olan bu suların yönetimi çevresel açıdan önemlidir. Elde edilen süzüntü suyu kalitesi sulama kriterleri açısından değerlendirilmiştir. Öte yandan, konsantre atık su farklı oranlarda besleme tankına geri beslenerek yarı kapalı döngü ile konsantre yönetimi üzerine çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında farklı TR-NE90-NF ve BW30-RO membranları kullanılarak arıtılan jeotermal su ile elde edilen ürün suyu kalitesi farklı analitik yöntemler kullanılarak incelenmiş olup, süzüntü suyu kalitesi tarımsal sulama kullanımı açısından (elektriksel iletkenlik, SAR, bor derişimi vb.) değerlendirilmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında TR-NE90-NF ve BW30-RO membranlarının performansları konsantre atık minimizasyonu açısından ayrı ayrı incelenerek elde edilen süzüntü sularının kalitesi karşılaştırılmıştır. Arıtım sonucu oluşan atık konsantre suyun belirli bir kısmı geri besleme yapılarak en aza indirilebileceği görülmüştür. Öte yandan, tüm konsantre besleme akışına beslendiğinde besleme suyunun EC'sinin artmasıyla birlikte, yüksek oranlarda yapılan geri beslemenin ürün su kalitesini hatta membran ömrünü etkileyeceği sonucuna varılmıştır. Bu çalışmadan elde edilen su aynı zamanda tarımsal sulamada da kullanılabilir. Ancak SAR ve bor değerlerinde bazı ayarlamaların sulama öncesinde yapılması gerekmektedir. Bu çalışmada basınç itici gücüyle çalıştırılan membran desalinasyon işlemlerinde konsantre akışın belirli bir bölümünün geri besleme yapılarak konsantre atık probleminin bir dereceye kadar en aza indirilebileceği açıkça görülmüştür., This study was carried out in the Yenikale Geothermal Heating Center belonging to İzmir Geothermal Energy Inc. in Narlıdere, İzmir. Geothermal re-injection water taken from the re-injection line of the heating center was treated by a mini-pilot scale membrane test system installed there. The effect of membrane type on product water recovery and quality was investigated by using NF and RO membranes in membrane treatment. Since the feed water supplied to the mini-pilot membrane test system will be separated as concentrate and permeate water, management of these waters which have different characteristics, is environmentally important. While obtained permeate water quality was checked in terms of irrigation water standards, concentrate water was fed back to the feed tank at different rates and studies were carried out on concentrate management with a semi-closed loop. Firstly, the product water quality obtained from geothermal water treated by different TR-NE90-NF and BW30-RO membranes was examined using different analytical methods and the permeate water quality was evaluated in terms of agricultural irrigation water standards (electrical conductivity, SAR, boron concentration, etc.). The second step of this study, the performances of the TR-NE90-NF and BW30-RO membranes were examined separately in terms of concentrate waste minimization and the qualities of the permeate water were compared. As a result of this, it has been observed that a certain part of the concentrate water can be minimized by recycling. On the other hand, it was concluded that using large amounts of concentrate in feed will affect product water quality badly and even membrane life since EC of the feed water will increase when all concentrate is fed into the feed stream. The water obtained from this study can also be used for agricultural irrigation. However, SAR and boron values need to adjustments before using this water for irrigation. With this study, it has been clearly seen that the problem of concentrate waste can be minimized to some extent by circulating a certain part of the concentrate flow into feed during membrane desalination processes by pressure driven membranes.

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.