TEKNOFEST
HAVACILIK, UZAY VE TEKNOLOJİ FESTİVALİ
ÇEVRE VE ENERJİ TEKNOLOJİLERİ YARIŞMASI
PROJE DETAY RAPORU
TAKIM ADI: REMUS
PROJE ADI: TUZMOZ BAŞVURU ID:78192
DANIŞMAN: VOLKAN GÖNEN
İçindekiler
KAPAK………1
1. Proje Özeti………...2
2. Problem/Sorun………2
3. Çözüm………..3
4. Yöntem………3
5. Yenilikçi (İnovatif) Yön………..………...5
6. Uygulanabilirlik……….5
7. Tahmini Maliyet ve Proje Zaman Planlaması………5
8. Proje Fikrinin Hedef Kitlesi……….6
9. Riskler………6
10. Proje Ekibi……….6
11. Kaynaklar………..7
12. Proje Görseli………..8
1. Proje Özeti (Proje Tanımı)
Günümüz dünyasının en ciddi sorunlarından biri olan su kaynaklarının yok olması sorununa bir çözüm olarak ortaya çıkan su arıtma tesisleri kullandığı fosil yakıtlar yüzünden doğaya ciddi bir şekilde zarar vermektedir. Remus takımı olarak, bu soruna bir çözüm önerisi olarak arıtma tesisinde bol miktarda bulunan atık su ve arıtılmış tatlı suyun tuzluluk oranları farkından enerji üreten bir batarya geliştirdik. Geliştirilen batarya ters elektrodiyaliz (Reverse Electrodialysis - RED) teknolojisi ile çalışmaktadır. Aralarında iyon farkı olan iki sıvıyı (tatlı ve tuzlu olarak da adlandırılabilir) katyon ve anyon değişimlerine karşı enerji üreten membranlar kullanarak tuzluluk gradyanından elektrik üretimi yapan RED metodu, termodinamikteki “Gibbs Serbest Enerji” değişkenine dayanmaktadır. Projemizin ana hedefi, atıksu arıtma tesislerindeki tuzluluk gradyanı yüksek atıksuları ve tuzluluk gradyanı düşük temiz suları kullanarak ters elektrodiyaliz uygulamak ve elde edilen elektriği aynı atıksuların filtrasyonunda kullanarak amacı halihazırda temiz enerji üretmek olan tesislerin şebekeden elektrik çekmesini engelleyerek karbon emisyonlarını sıfırlamaya yardımcı olmaktır.
2. Problem/Sorun:
Nüfus artışı, endüstriyel faaliyetler ve teknolojinin gelişmesinden kaynaklı ortaya çıkan su sorunu dünyadaki canlı yaşamını ciddi anlamda tehdit etmektedir. Beşeri faaliyetler sonucu harcanan ve atık suya dönüşen kaynaklar, salt durumda bir fayda sağlamasa da atıksu tesisleri sayesinde sulama suyu olarak değerlendirilebilmektedir. Ancak, membran biyoreaktör (MBR) ve ters ozmos (RO) gibi işlemlerde çalışan atık su tesisleri
kullandıkları fosil yakıtlar sebebiyle karbon emisyonuna sebep olmaktadır. Remus takımı olarak atıksu kaynaklarının yeniden değerlendirilmesinde kullanılan proseslerin fosil yakıtlar tarafından gerçekleşmesini önlemeyi, ve atıksu/sızıntı suyu ürünleri olan farklı iyon yüklerindeki arıtılmış sulardan değişim membranları ile iyon iletken aralayıcıları kullanarak enerji üreten bir çözüm geliştirmeyi amaçlamaktayız.
3. Çözüm
Atık ve sızıntı suları, arıtma aşamalarından geçerken yüksek ozmotik farklılıklar içermektedir, bu sayede ters elektrodiyalizde kullanılmaya uygunlardır. RED ile geliştirdiğimiz batarya, ozmotik gradyan ya da çözünen madde farkına dayalıdır ve su arıtma tesislerinde sıkça kullanılan membran biyoreaktör (MBR) işlemini kapsayan ultrafiltrasyon ve nanofiltrasyon döngüsünde bulunur. Bütün bu sebepler gerekçesiyle atıksu tesislerindeki işleme entegre olmaya uygun hatta idealdir. Ters Elektrodiyaliz bir membran teknolojisidir, işlemde bir anot ve bir katot arasında bulunan anyon değişim membranı (ADM) ve katyon değişim membranı (KDM) kullanılır. Hem elektrotlar hem de membranlar arasında aralayıcılar bulunacak şekilde; elektrot, ADM, KDM, ADM, elektrot (temsili) diziliminde monte edilir. Farklı ozmotik potansiyeldeki sular arasındaki iyon değişimi sayesinde öncesinde verilen dış elektrik yükünden daha yüksek voltajda elektrik elde edilir. ‘Mavi enerji’ üretimini amaçlayan projemiz, bir yandan da hem atıksu arıtma tesislerinde kullanılması hem de işlemde konvansiyonel yöntemlerin tersine atıksu kullanmasıyla “sıfır atık projesine” katkıda bulunacaktır.
4. Yöntem
RED için gerekli malzemelerin ihtiyaç listesi ve market taraması yapıldı.
Malzemeler temin edildi.
2 adet elektrot (anot ve katot), 1 adet spacer, 1 adet 15cm2 Katyon Değişim Membranı (KDM), 2 adet 15cm2 Anyon Değişim Membranı (ADM) gerekli dizilimde monte edildi.
Akıların basıncını ve karışmazlığını sabit tutmak için membran ile düzenek kutusu arasına slikon izolasyon uygulaması yapıldı.
RED’den geçecek tuzluluk oranı farklı sular için düzenek kuruldu. Tesislerde var olan membran biyoreaktör (MBR) düzeneklerinin Ultra ve Nanofiltrasyon süreçlerindeki farklı iyon/parçacık potansiyelli suları temsilen farklı tuzluluk miktarında (NaCl iyon potansiyeli) sular kullanıldı.
RED’de verilecek ve daha sonra elde edilecek elektrik için voltmetreye bağlı bir devre kuruldu.
KDM ve ADM’ler arası potansiyel farkının enerjiye dönüştürülmesi için bağlantılar yapıldı.
KDM-ADM çiftleri, ikili birimler halinde dikkate alındı ve toplam enerjinin artırımı için birimler birleştirildi.
Membranlar arası su sızıntısının yokluğu, tuzluluk oranlarının teyit edilmesiyle doğrulandı.
Teyit, RED işleminden önceki elektrik iletkenliği ve işlem sonrası iletkenliği ile karşılaştırma yoluyla yapıldı.
Difüzyon, Gibbs Serbest Enerji prensibini kullanarak gerçekleşir. İki membran arasındaki bir herhangi bir kesiti dikkate alarak hesaplama yapmak mümkündür. Görsel (X), herhangi bir alan kesisi (A) için N(x) parçacığın N(x+Δx) parçacık barındıran bir başka tarafa olan alışverişi göstermektedir. Değişken (x)’e bağlı olan bir vektör de bu alışverişin yönünü ve boyutunu sembolize eder.
Görsel X: Gradyan Akısı ile Parçacık yönü arasındaki ilişki. Kaynak: Physical Biology of the Cell. Garland Science. (2018).
Birinci Fick Yasası, akının (potansiyelin) konsantrasyon farkı ile doğru orantılı olduğunu bize gösterir. Bu ilişkiye göre sürekli ve diskrit durumlar için aşağıdaki iki teoreme ulaşabiliriz.
J : Akı | d : Delta/değişim belirteci | c : Konsantrasyon | x : Parçacık | D : Sıvıya özgü difüzyon katsayısı
Serbest Gibbs Enerji Denklemi ise bize Birinci Fick Yasasından kanıtlayabildiğimiz iyon konsantrasyonu ile doğru orantıda olan sistemdeki enerjiyi verir.
ΔG : Serbest Gibbs Enerji Değişimi | R : R = 8.314 J/mol-K evrensel gaz sabiti | T = Sıcaklık (K) | C : Konsantrasyon
Arıtma sürecinde proje düzeneğinin yerleştirileceği sistemin iso-termal (sabit sıcaklıkta) olan sıvılar vereceğini kabul ettiğimizde, spesifik iki su arasındaki serbest difüzyon enerjisini hesaplayabiliriz.
En sonunda, elde edilen voltaj değeri, (Dlugolecki vd. 2009; Vermaas vd. 2012) formülüyle bulunabilir:
OCV : Açık Devre Voltajı | R : R = 8.314 J/mol-K evrensel gaz sabiti |
T = Sıcaklık (K) | C : Konsantrasyon | α : Membrana özgü geçirgenlik/seçkinlik değeri | F: Faraday sabiti | γ : Aktivite sabiti
Yöntem sonucu elde edilecek voltaj değerinin bu sayede hesaplanması ve arıtma merkezindeki kontrol dairesine ulaştırılması mümkün olmaktadır.
5. Yenilikçi (İnovatif) Yönü
Tuzluluk oranları farklı iki sudan enerji üretimi hakkında teoriksel olan birçok çalışma bulunmasına rağmen hayata geçirilmiş proje sayısı çok azdır. Geliştirilen Proje sayesinde teorik çalışmaları hayata geçiren dünyadaki sınırlı sayıdaki RED pili projelerden birini oluşturulmuştur. Ayrıca dünyadaki hiçbir RED projesi bir atıksu tesisine enerji üretmemektedir ama geliştirilen proje sayesinde bu konuda bir ilk gerçekleştirilmektedir. Geliştirilen projeyi diğer projelerden ayıran diğer bir özellik ise normalde verimliliği az olan RED bataryasının verimliliğini arttırmak amacıyla projemizde iyon iletken aralayıcılar (ion conductive spacer) sayesinde verim ciddi bir şekilde artmakta ve bir atıksu tesisinin enerji ihtiyacını rahatlıkla karşılayabilmektedir.
6. Uygulanabilirlik
Üretilen proje pratiğe dönüştürmek için uygundur. Üretim koşulları nedeniyle geliştirdiğimiz prototip küçük boyuttadır ama gerekli koşullar sağlandığında, bir atık su tesisinin enerji ihtiyacını çevreye zarar vermeden rahatlıkla karşılayabilecek boyutta üretmek mümkündür. Ayrıca kullanılan RED teknolojisi bilimsel literatürde araştırılmış bir metoddur bu yüzden üretimi zor değildir. Özellikle de bir arıtma su tesisine sağladığı yararlar göz önünde bulundurulduğunda kârlı bir üretim yapısına sahiptir. Ters Elektrodiyaliz, atıksu arıtma tesislerinde kullanılan membran biyoreaktör tabanlı ultrafiltrasyon ile nanofiltrasyon proseslerinin ara geçişinde yer alarak gerekli osmotik potansiyel (iyon) farkını elde eder. Böylece, ürün halihazırda var olan atıksu arıtma sistemlerine entegre edilebilir.
7. Tahmini Maliyet ve Proje Zaman Planlaması
MALZEMELER FİYAT
Lonsep-AM-A anyon değişim membranı 40$
Iyonsep-AM-C katyon değişim membranı 40$
NY2004700 Milipore Nylon Net Filter 142€
JING DE LONG Grafit Bipolar Plaka 5$
Genel Maliyet 258$
Yapılan İş Zaman Aralıkları
Aralık Ocak Şubat Mart Nisan Mart Mayıs Haziran
Literatür taraması x x x
Veri Toplanması x x x x x
Deneylerin Yapılması x x
8. Proje Fikrinin Hedef Kitlesi (Kullanıcılar):
Üretilen batarya atıksu ile arıtılmış suyun buluştuğu nokta olan Atıksu Arıtma Tesislerinde kullanılması için tasarlanmıştır. Bir atıksu Tesisinin bütün enerjisini üretebilecek kapasiteye sahiptir ama tuzluluk oranı yüksek bir su ile tuzluluk oranı düşük olan bir suyun buluştuğu her noktada enerji üretebildiği için Atıksu Tesislerin dışında nehir ağızları gibi birçok yerle kullanılabilme potansiyeline sahiptir.
9. Riskler
OLASI RİSK OLASI SONUÇ ÇÖZÜM VE DEĞİŞKENLER Membran düzeneğinin
doğru kurulmaması
Normal düzenekte bağımsız ve temassız olan kirli su akısının temiz su akısıyla karışması
Spesifikasyonlara uygun düzenek kurulması için Proje
dokümantasyonunun gerekli mercilere ulaştırılması, kuru sistemi akışa sokmadan önce kontrollerin gerçekleştirilmesinin sağlanması Tesiste ultrafiltrasyon
(membran biyoreaktör - MBR) prosesinin uygulanmaması
Ters Elektrodiyalizin tesisin sistemine entegre olamaması
Atıksu tesislerinin projelendirme
aşamasında bu bilgiyi gözden geçirmesi, il bazındaki diğer atıksu işleme
tesislerine önem verilmesi (Projenin temellendiği MBR sistemi, en yaygın son aşama su arıtma teknolojisidir)
10. Proje Ekibi
Adı Soyadı Projedeki Görevi Okul Projeyle veya problemle ilgili
tecrübesi Sinan
Maximilian Klein
Takım Lideri
Teorik literatür araştırma, fiziki değişkenlere göre projeyi tasnif etme ve temellendirme üzerinde çalışmıştır.
Özel Saint Michel Fransız Lisesi
1 yıldır bilimsel proje çalışması yapmaktadır
Cemal Efe Seven
Takım Üyesi
Raporun akademik standartlara uygunluğunu sağlama, mevcut sektörel uygulama alanlarını bulma , prototipleme sürecini araştırma üzerinde çalışmıştır.
Özel Saint Michel Fransız Lisesi
1 yıldır bilimsel proje çalışması yapmaktadır
11. Kaynakça
[1]: Długołęcki, P., Dąbrowska, J., Nijmeijer, K., & Wessling, M. (2010). Ion conductive spacers for increased power generation in reverse electrodialysis. Journal of Membrane Science, 347(1), 101–107.
[2]: Balster, J., Stamatialis, D. F., & Wessling, M. (2010). Membrane with integrated spacer. Journal of Membrane Science, 360(1), 185–189.
[3]: Mehdizadeh, S., Yasukawa, M., Abo, T., Kakihana, Y., & Higa, M. (2019). Effect of spacer geometry on membrane and solution compartment resistances in reverse electrodialysis. Journal of Membrane Science, 572, 271–280.
[4]: Turek, M., & Bandura, B. (2007). Renewable energy by reverse electrodialysis.
Desalination, 205(1), 67–74. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.desal.2006.04.041 [5]: Türkiye Çevre Koruma Vakfı. (2018). Su/Atıksu Arıtılması ve Geri Kazanılmasında Membran Teknolojileri ve Uygulamaları.
http://www.cevresehirkutuphanesi.com/assets/files/slider/cilt-2.pdf
[6]: Wang, Q., Gao, X., Zhang, Y., He, Z., Ji, Z., Wang, X., & Gao, C. (2017). Hybrid RED/ED system: Simultaneous osmotic energy recovery and desalination of high-salinity wastewater. Desalination, 405, 59–67.
[7]: Ahmet H. Avci, Ramato A. Tufa, Enrica Fontananova, Gianluca Di Profio, Efrem Curcio, Reverse Electrodialysis for energy production from natural river water and seawater,
Energy,165, Part A, 512-521.
[8]: Adriana D'Angelo, Michele Tedesco, Andrea Cipollina, Alessandro Galia, Giorgio Micale, Onofrio Scialdone,
Reverse electrodialysis performed at pilot plant scale: Evaluation of redox processes and simultaneous generation of electric energy and treatment of wastewater,Water Research, 125, 123-131.
12. Proje Görselleri
Görsel-1-2
Lonsep-AM-A anyon değişim membranı- Iyonsep-AM-C katyon değişim membranı
Görsel-3 Görsel-4
İç sistemin kurulu olduğu prototip NY2004700 Milipore Nylon Net Filter
