İnce Film Kompozit Membranlar ile Basınç Geciktirmeli Ozmos (PRO) Prosesi Kullanılarak Sürdürülebilir Enerji Üretimi

Abstract

Fosil yakıtlara bağımlılığın azalması için alternatif yenilenebilir ve temiz enerji kaynaklarının bulunmasına yönelik araştırmalar gün geçtikçe artmakta ve önem kazanmaktadır. Son yıllarda oldukça ilgi çeken “tuzluluk gradyanı esaslı ozmotik enerji” veya “mavi enerji” olarak da bilinen enerji kaynağı, artan enerji ihtiyacını karşılamada farklı bir yenilenebilir kaynak olarak ortaya çıkmıştır. Ülkemizdeki tuzluluk gradyanı esaslı enerji potansiyelinin değerlendirilmesine yönelik ilk çalışma niteliğine olan bu projede öncelikle Devlet Su İşlerinden (DSİ) elde edilen nehir debi ve tuzluluk değerleri esas alınarak teorik enerji potansiyeli hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. Teorik hesaplamalar tamamlandıktan sonra, enerji potansiyelinin deneysel olarak belirlenmesi için sentetik ve gerçek su örnekleri kullanılarak basınç geciktirmeli ozmos (PRO) prosesinde deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla dört farklı (BW30-LE, SW30-HR, AG, AC) ticari ince film kompozit (TFC) ters osmos membran 3-(3,4-Dihydroxyphenyl)-L-alanine (L-DOPA) ve LDOPA ile birlikte nanomalzemeler (MWCNT, TiO2, SiO2, Al2O3) kullanılarak modifiye edilmiş ve PRO sisteminde işletilerek enerji üretim performansı lab-ölçekli deneyler ile belirlenmiştir. TFC yapıdaki RO membranların modifikasyonu sonrası aktif yüzeylerinde meydana gelen yapısal değişiklerin belirlenmesinde SEM, FTIR, temas açısı, ve AFM analizleri gerçekleştirilmiştir. Deney sonuçları ışığında L-DOPA ile birlikte %1wt TiO2 nanomalzeme ile modifiye edilmiş BW30-LEmembranı 1,61 W/ m2 en yüksek PRO güç üretim potansiyelini göstermiştir. Gerçek su örnekleri ile gerçekleştirilen PRO deneylerinde Akdeniz, Karadeniz, Marmara ve Ege Denizlerinden deniz suyu ve bu denizlere dökülen Seyhan, Ceyhan, Büyük Menderes, Gediz, Susurluk, Kızılırmak ve Yeşilırmak nehirlerinin karıştığı noktalardan örnekler alınarak ülkemizde tuzluluk gradyanı esaslı bu enerjiye ilişkin potansiyel belirlenmiştir. Geçek su numunelerinde en yüksek enerji üretim performansı 56,8 mS/cm iletkenliğe sahip Akdeniz ile 586 µS/cm iletkenliğe sahip Ceyhan ve Seyhan nehrinin PRO prosesi uygulamasından 5 ve 10 barda sırasıyla 0,47 ve 0,68 W/m2 olarak bulunmuştur.

In order to decrease dependence on fossil fuels, researches on finding alternative renewable and clean energy sources have been increasing and gaining importance. In recent years, the energy source, also known as “salinity gradient based osmotic energy” or “blue energy” which attracts quite attention, has emerged as a alternative renewable resource in meeting the increasing energy need. In this project, which is the first study to evaluate the salinity gradient based energy potential in our country, primarily theoretical energy potential calculations have been made by taking the river flow and salinity values obtained from State Hydraulic Works (DSI). After the theoretical calculations were completed, experimental studies were carried out in the PRO process using synthetic and real water samples to determine the experimentally energy potential. For this purpose, four different (BW30-LE, SW30-HR, AG, AC) commercial thin film composite (TFC) reverse osmosis membranes have been modified using nanomaterials with 3-(3,4-Dihydroxyphenyl)-L-alanine (L-DOPA) and LDOPA (MWCNT, TiO2, SiO2, Al2O3) and energy production by the pressure retarded osmosis (PRO) system performance was determined by lab-scale experiments. SEM, FTIR, contact angle, and AFM analyzes were performed to determine the structural changes in active surfaces after modification of RO membranes in TFC character. According to the test results, BW30-LE membrane modified with 1% wt TiO2 nanomaterial with L-DOPA showed the highest PRO power generation potential of 1.61 W/m2 . In the PRO experiments carried out with real water samples collected from the Mediterranean, Black Sea, Marmara and Aegean Seas and the rivers poured into these seas, Seyhan, Ceyhan, Büyük Menderes, Gediz, Susurluk, Kızılırmak and Yeşilırmak rivers, the potential for this energy based on salinity gradient was determined. The highest energy production performances were observed as 0.47 and 0.68W/m2 in 5 and 10 bar, respectively, from application of PRO process of Ceyhan ans Seyhan river having 586 µS/cm conductivity and Mediterranean, having 56.8 mS/cm conductivity.