Membran Teknolojisi İle Geri Kazanilmiş Tekstil Atiksularinin Ürün Kalitesine Olan Etkisinin Değerlendirilmesi- Mem-Tek

T.C

NAMIK KEMAL ÜNİVERSİTESİ ÇORLU MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

PROJE GRUBU

Doç. Dr. Günay YILDIZ TÖRE (Yürütücü) Araş. Gör. Dr. Gül KAYKIOĞLU

Reyhan GÜRKAN

ÇORLU, 2015

MEMBRAN TEKNOLOJİSİ İLE GERİ KAZANILMIŞ TEKSTİL

ATIKSULARININ ÜRÜN KALİTESİNE OLAN ETKİSİNİN DEĞERLENDİRİLMESİ- MEM-TEK

1

PROJE NO: NKUBAP.00.17.AR.13.09 PROJE BAŞLAMA TARİHİ: 01.05.2013

RAPORUN KAPSADIĞI DÖNEM: 01.05.2013-01.05.2015 (24 Ay)

DESTEK MİKTARI ŞİMDİYE KADAR HARCANAN KALAN MİKTAR

12 998, 04 TL 12 998 TL -

PROJE ADI:

MEMBRAN TEKNOLOJİSİ İLE GERİ KAZANILMIŞ TEKSTİL ATIKSULARININ ÜRÜN KALİTESİNE OLAN ETKİSİNİN DEĞERLENDİRİLMESİ – MEM-TEK

PROJE YÖNETİCİSİNİN

ÜNVANI, ADI, SOYADI : Doç. Dr. Günay YILDIZ TÖRE

BİRİMİ : Çorlu Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü

YAPILAN HARCAMALARIN DETAYI

03.2 TÜKETİME YÖNELİK MAL VE MALZEME ALIMI :

03.3 YOLLUKLAR :

03.5 HİZMET ALIMLARI :

03.7 MENKUL MAL, GAYRİ MADDİ HAK ALIM, BAKIM

VE ONARIM GİDERLERİ :

06.1 MAMUL MAL ALIMLARI :

TOPLAM : 12 998 TL

2

ÖNSÖZ

Bu çalışmada, denim yıkama ve boyama işlemlerinin yürütüldüğü yoğun su tüketen bir endüstrinin aktif çamur sisteminde arıtılmış atıksu akımının, UF ve NF membranlar kullanılarak tekrar kullanım olanakları araştırılmış ve elde edilen süzüntü sularının gerçek koşulların simüle edildiği laboratuar ölçekli tekstil kumaşı boyama ünitesinde yarı mamul üzerinde birebir denenip tekrar kullanıma uygunluğu test edilerek değerlendirilmesi yapılmıştır.

Proje ekibi olarak; bu çalışmanın yürütülmesinde öncelikle NKUBAP.00.17.AR.13.09 kodlu projeye desteğinden ötürü öncelikle NKU BAP komisyonuna, sonra proje materyaline destek veren Denim Yıkama ve Boyama endüstrisi ile membran denemeleri için bizimle araştırma altyapısını paylaşan Yıldız Teknik Üniversitesi Çevre Mühendisliği Bölümü’nün değerli öğretim üyelerine sonsuz teşekkürlerimizi sunarız.

PROJE GRUBU

Doç. Dr. Günay YILDIZ TÖRE (Yürütücü) Araş. Gör. Dr. Gül kaykıoğlu

Reyhan GÜRKAN

ÇORLU, 2015

3

ÖZET

Tekstil endüstrisi, bol miktarda su tüketen ve temiz suya ihtiyaç duyan bir endüstridir. Her geçen gün azalan yer altı su seviyeleri ve Avrupa Birliğine uyum sürecinde sıkılaşan çevre mevzuatları sebebiyle atıksuların arıtılmasının yanında geri kazanımı da güncel bir konu haline gelmiştir. Membran teknolojileri, su ve atıksu geri kazanımında başarısını kanıtlanmış, ilgi uyandıran ve daha fazla araştırma ve geliştirmeye ihtiyaç duyulan bir metotdur. Bu sebeple bu çalışmada öncelikle tekstil endüstrisi kategorsinde yer alan bir denim yıkama ve boyama endüstrisinin biyolojik olarak arıtılmış atıksularının membran teknolojisi ile (UC100, UC030, NP010, NP030) geri kazanımı değerlendirilmektedir. Bu amaçla, elde edilen süzüntü suları öncelikle su kalitesi açısından değerlendirilmiş ardından laboratuar ölçekli tekstil boyama ünitesinde incelenen endüstrinin ham kumaşı üzerinde test edilerek, bu suların kullanılan su kalitesi açısından hassas bir proses olarak değerlendirilen boyama prosesinde yeniden kullanılabilirliği irdelenmiştir.

Çalışmada; aerobik arıtma çıkış atık suyu ile membranlardan elde edilen süzüntü suyu örneklerinde İletkenlik, Sertlik, Renk, KOİ, Mangan, Çinko, Bakır, Demir ve Bikarbonat iyonu değerleri ölçülmüştür. Su kalitesi ile süzüntü suyu akı değerleri açısından en iyi sonuç UC100 Ultrafiltrasyon(UF) membranı sonrasında NP030 Nanofiltrasyon(NF) membranından 8 bar basınçta geçirilmesi ile elde edilmiştir. Ayrıca çalışma sonuçları enerji tasarrufu açısından basıncın 8 bar altına hatta 4 bar’a düşürülmesinin bir alternatif olabileceğini, membran maliyetleri açısından bakıldığında ise sadece NP030 Nanofiltrasyon(NF) membran prosesinin de önerilebileceğini ortaya koymuştur. Diğer yandan, incelenen endüstrinin ham kumaş boyama kalitesi üzerine etkisini (Ter haslığı, Sürtme haslığı,Yıkama haslığı, Suya karşı renk haslığı, Yapay ışığa karşı renk haslığı, Kumaş üzerinden renk ölçümü) değerlendirmek amacıyla yapılan ölçümlerde, 8 Bar basınçta çalışılan NF 10, NF 30, UC 100 + NF10 ve UC 100 + NF30 membran çıkış sularının boyama kalitesi üzerinde herhangi olumsuz bir etki yapmadığı sonucuna ulaşılmıştır. Tekstil endüstrisinde çok farklı alt kategoriler bulunması sebebiyle, proses suyu kalitesi ile ilgili net bir standart bulunmamaktadır.

Bu çalışmada elde edilen sonuçlar; optimum geri kazanım uygulaması sonrasında elde edilen suyun üretimde proses suyu olarak kullanılması ile büyük miktarlarda su ihtiyacı gerektiren tekstil endüstrileri için alternatif bir su kaynağını tanımlaması açısından yol gösterici niteliktedir. Bunun yanında ülkemizde Aralık 2011 yılında yürürlüğe giren TEKSTİL SEKTÖRÜNDE ENTEGRE KİRLİLİK ÖNLEME VE KONTROL TEBLİĞİ ile ilk etapta yoğun su tüketimi ile karakterize edilen Tekstil endüstrilerinde Mevcut En İyi Teknikler (MET) uygulamalarına da bilimsel bir yaklaşım getirmektedir.

Anahtar Kelimeler:Membran prosesi, geri kazanım, nanofiltrasyon, ultrafiltrasyon, alternatif su kaynağı

4

SUMMARY

Textile industry is an industry that requires large amounts of water-efficient and clean water. Every passing day, declining groundwater levels and due to stringent environmental legislation to the adaptation process of the European Union, recycling has become a topical issue.next to the treatment of wastewater.

Membrane technology is a method that sounds as proven the success of the recovery of water and wastewater, and the compelling, and need for more research and development. Therefore, in this study, primarily it is considered recovery of biologically treated wastewater of dyeing and denim washing industry located in the textile industry categories by means of membrane technology of (UC100, UC030, NP010, NP030). For this purpose, the resulting filtrate water first evaluated in terms of water quality and then examined in the laboratory-scale textile dyeing units by testing on raw fabric of the industry, in terms of water quality used these waters in the process of painting considered as a sensitive process reusability were examined.

In this study; conductivity, hardness, color, COD, Manganese, Zinc, Copper, Iron and bicarbonate ion were measured.for aerobic waste water treatment output and filtrate water samples obtained from membranes.

The best results, in terms of water quality and filtrate water flux, was prepared by passing the 8 bar pressure with NP030 nanofiltration (NF) membrane after UC100 ultrafiltration (UF) membrane, In addition, study results, in terms of energy savings, under the pressure of 8 bar or even lowering to 4 bar could be an alternative, when viewed in terms of costs of membrane only NP030 nanofiltration (NF) membrane processes have also revealed to be recommended.

On the other hand, the impact on the raw fabric dyeing quality was analyzed in industry (Perspiration fastness, rubbing fastness, washing fastness, color fastness to water, color fastness to artificial light, color measurement through the fabric) in the measurements performed to evaluate, it has been concluded that NF 10, NF 30, UC and UC 100 + 100 + NF10 NF30 membrane effluent studied at 8 bar pressure, don’t have any negative impact on the quality of dyeing of fabric. Since there are many different sub-categories in the textile industry, there is no clear standards regarding the quality of the process water. The results obtained in this study; using as process water of obtained water after optimum recovery applications has a guideline for defining an alternate source of water for large quantities of water need textile industries.

Available in addition, in our country for textile industries, characterized with heavy water consumption at first stage, it is provided scientific approach to the Best Available Techniques (BAT) applications by the NOTIFICATION of INTEGRATED POLLUTION PREVENTION and CONTROL in TEXTILE SECTOR came into force in December 2011.

Key words; Membrane process, recovery, nanofiltration, ultrafiltration, alternate water source.

5

İÇİNDEKİLER ^Sayfa

ÖNSÖZ 3

ÖZET 4

SUMMARY 5

ŞEKİL DİZİNİ 9

RESİM DİZİNİ 10

TABLO LİSTESİ 10

BÖLÜM I: GİRİŞ 12

BÖLÜM II: LİTERATÜR ARAŞTIRMASI 14

II.1 Membran Filtrasyon Sİstemleri 14

II.2 Atıksu geri kazanımında Membran Prosesi Uygulamaları 19

II.3 Ekonomik Ve Çevresel Boyut 29

II.4 Membran Sistemlerde Karşılaşılan Sorunlar Nedenleri/Çözümleri 30

BÖLÜM III: ÇALIŞMADA KULLANILAN MATERYAL VE METOD 32

3.1 MATERYAL 32

3.1.1. İncelenen Endüstrinin Üretimi 32

3.1.2. İncelenen Endüstrinin Su Tüketimi 35

3.1.3. İncelenen Endüstrinin Atıksu Arıtma Tesisi 37

3.1.4. Tekstil Boyama İşleminde Kullanılan Kumaş ve Kimyasallar 39 3.1.5. Membran Sisteminin Kurulumu ve İşletmeye Alınması 40

3.1.6. Tekstil Boyama Ünitesi 42

6

3.2. METOD 43 3.2.1. Membran Filtrasyon Süzüntü Suyu Karakterizasyonu Esaslı Deneysel

Çalışmalar 43

3.2.2. Tekstil Boyama Ünitesinden Çıkan Boyalı Kumaş Kalitesine Yönelik Deneysel

Çalışmalar 44

3.2.2.1. Spektrofotometre (Renk Ölçüm) Cihazı 44

3.2.2.2. Krokmetre (Sürtmeye Karşı Renk Haslığı) Testi 46

3.2.2.3. Ter’e Karşı Renk Haslığı Testi 47

3.2.2.4. Yıkamaya Karşı Renk Haslığı Testi 48

3.2.2.5. Suya Karşı Renk Haslığı Testi 49

3.2.2.6. Işığa Karşı Renk Haslığı Testi 50

3.3. METOD 50

3.3.1. Membran Filtrasyonu Süzüntü Sularının analizi 50

3.3.2. İncelenen Endüstrideki Boyama Koşullarının Birebir Simüle Edildiği

Laboratuvar Ölçekli Tekstil Boyama Çalışmaları 50

IV. BULGULAR VE TARTIŞMA 53

4.1. Membran Deneyleri 53

4.2.Membran Denemelerinde Akı Sonuçları 54

4.2.3. UC100+NP010 ve UC100+NP030 Membran Denemeleri 56

4.2.4. UC030+ NP010 ve UC030+NP030 Membran Denemeleri 58

4.2.5 UC100 ve UC030’un ön arıtma olarak kullanımının NF akı değerine etkisi 59

4.2.6. Süzüntü Suyu Kalitesinin Değerlendirilmesi 61

4.2.7. İncelenen endüstrideki boyama koşullarının birebir simüle edildiği laboratuvar 67

7

ölçekli boyama çalışmaları

4.2.7.1. Spektrofotometrik Renk Ölçümü

67

4.2.7.2. Renk Haslığı Testleri 69

BÖLÜM V: SONUÇLAR VE TARTIŞMA 71

KAYNAKLAR 74

8

ŞEKİL DİZİNİ ^Sayfa

Şekil 2. 1 Membran akımlarının şematik gösterimi ¹⁴

Şekil 2.2 Ozmotik basınç diyagramı. ¹⁶

Şekil 3.1. Endüstriye ait üretim akım şeması ³³

Şekil 3.2. Endüstriye ait aerobik biyolojik atıksu arıtma tesisi akım şeması ³⁸ Şekil 3.3. Membran prosesinin şematik gösterimi (Debik ve Kaykıoğlu, 2010) ⁴⁰ Şekil 3.4. Spektrofotometre Cihazının Çalışma Şeması ve Kesit Görünümü

(Duran, 2001) ⁴⁴

Şekil 3.5. CIE Lab Değerleri ⁴⁵

Şekil 3.6. Krokmetre (Sürtmeye Karşı Renk Haslığı) Testi ⁴⁷

Şekil 3.6. Ter e Karşı Renk Haslığı Testi ⁴⁸

Şekil 3.8. Yıkamaya Karşı Renk Haslığı Testi ⁴⁹

Şekil 3.9. Tüm Haslık Testlerinde Kullanılan Gri skala ⁴⁹

Şekil 3.10. Işığa Karşı Renk Haslığı Testi ⁵⁰

Şekil 3.11. Laboratuvar koşullarında yürütülen boyama işlemi ⁵² Şekil 4.2. UC100 VE UC030 Ultrafiltrasyon(UF) membranlarının zamana

bağlı akı değerleri değişim grafiği ⁵⁵

Şekil 4.3. NP010 Nanofiltrasyon (NF) membranın zamana bağlı akı değişim

grafiği ⁵⁶

Şekil 4.4. NP030 Nanofiltrasyon(NF) membranın zamana bağlı akı değişim

grafiği ⁵⁶

Şekil 4.5. UC100 + NP010 denemesinin zamana bağlı akı değişim grafiği ⁵⁷ Şekil 4.6. UC100+ NP030 denemesinin zamana bağlı akı değişim grafiği ⁵⁷ Şekil 4.7. UC030+NP010 denemelerinde elde edilen zamana bağlı akı

değişim grafiği ⁵⁸

Şekil 4.8. UC030+NP030 denemelerinde elde edilen zamana bağlı akı

değişim grafiği ⁵⁹

9

Şekil 4.9 Farklı membran basınçları altında NP010, UC100+NP010 ve

UC030+NP010 uygulamaları sonucunda akı değişimleri ⁶⁰

Şekil 4.10 Farklı membran basınçları altında NP030, UC100+NP030 ve

UC030+NP030 uygulamaları sonucunda akı değişimleri ⁶¹

Şekil 4.11 Membran denemelerinde KOİ, Renk ve iletkenlik parametreleri

elde edilen giderme verimleri ⁶⁶

Şekil 4.12. Membran denemelerinde KOİ, Renk ve iletkenlik parametreleri

elde edilen giderme verimleri ⁶⁹

RESİM DİZİNİ ^Sayfa

Resim 2.1 Hollow-Fiber modül formu

Resim 2.1 Hollow-Fiber modül formu 17

Resim 2.2 Spiral sarımlı modül formu ¹⁷

Resim 2.3 Düz panel şeklindeki modüler ¹⁷

Resim 2.4 Düz panel şeklindeki modüler ¹⁸

Resim 3.1 Membran deney tesisatı ₄₁

Resim 3.2. HT Laboratuar Tipi Boyama Cihazı ₄₃

TABLO LİSTESİ ^Sayfa

Tablo 2.1. Basınç altında çalışan membran sistemlerinin özellikleri ¹⁵ Tablo 2.2. Membran sistemleri ile diğer arıtma yöntemlerinin kombinasyonları ²⁵ Tablo 3.1 İncelenen Endüstrinin Günlük Su Tüketimi (Güngör 2011) ³⁵ Tablo 3.3. İncelenen endüstrinin talep ettiği atıksu geri kazanım suyu kriterleri ³⁶ Tablo 3.4. İncelenen endüstrinin mevcut arıtma tesisi giriş ve çıkış suyu

karakteristikleri ³⁹

Tablo 3.5. Membran filtrasyon sisteminde kullanılan membranlara ait teknik

bilgiler ⁴²

10

Tablo 3.6. Hazırlanan Su Numuneleri ve Kodları ⁵¹ Tablo 4.1. İncelenen periyotta endüstrinin aerobik atıksu arıtma tesisi son

çöktürme havuzu çıkış suyu değerleri ⁵³

Tablo 4.2. Membran denemelerinde elde edilen akı sonuçları ⁵⁴ Tablo 4.9. Farklı membran basınçları altında NP010, UC100+NP010 ve

UC030+NP010 uygulamaları sonucunda akı değerleri ⁶⁰

Tablo 4.10. Farklı membran basınçları altında NP030, UC100+NP030 ve

UC030+NP030 uygulamaları sonucunda akı değerleri ⁶¹

Tablo 4.11. Membran denemeleri sonrası süzüntü suyu numunelerinin analiz

sonuçları ⁶²

Tablo 4.12. Literatüre göre tekstil endüstrisinde tekrar kullanılabilir suyun

karakteristikleri ⁶⁵

Tablo 4.13. Boyalı Kumaşların Renk Ölçümü Değerleri ⁶⁸ Tablo 4.14. Boyalı Kumaşların Renk Haslığı Değerleri ⁷⁰

11

BÖLÜM I: GİRİŞ

Tüm dünya üzerinde de endüstrileşme ile beraber temiz su rezervleri ve kaynakları gittikçe azalmaktadır. Bu nedenledir ki, atıksuların geri kazanımı ve yeniden kullanılmasına dair uygulamalar ve teknolojiler daha çok önem kazanmaktadır.

Genel istatistiklere göre; suyun yaklaşık %50 si evsel kulanım, diğer % 50 si de endüstriyel kullanım için harcanmaktadır. Bu durum suyun geri kazanımı ve yeniden kulanımının önemini arttırmaktadır (Kim, Park,2002).

Tekstil endüstrisi atık suyu boyama, son işlemler (finishing), yıkama, durulama prosesleri ile çok fazla miktarda su ve kimyasal tükettiğinden belirgin miktarda renkli, KOİ ve inorganik tuz oranı yüksek atık su karakterizasyonuna sahiptir (Zyłła, 2006; Orhon, 2001; Lin, 1997; Kim, 2002; Vandevivere, 1998). Bu özelliklerde atıksuları fizikokimyasal (Kim, 2002, 2004; Golob, 2005) yada biyolojik (Kim, 2002;

Chang, 2002; Libra, 2004) konvensiyonel metodlarla arıtarak deşarj etmek yasal düzenleme limitlerini tam olarak karşılayamaz (Orhon, 2001).

Bu kapsamda Orhon vd. yaptıkları çalışmada denim prosesi atık suyunun %90 oranında biyodegrede olabilen fraksiyonlu yüksek KOİ içerdiğini ortaya koymuştur.

Ayrıca, bu çalışmada atıksuyun KOİ oranının 2000 mg/L den 150–300 mg/L ye özel dizayn edilmiş aktif çamur yöntemi ile düşürülebileceğine de dikkat çekmiştir ((Orhon, 2001).

Benzer şekilde, Pala ve Tokat, tekstil endüstrisi atık suyunun KOİ giderim veriminin aktif çamur yöntemi ile %95 lere kadar varabileceğini, ancak renk gideriminin bu yöntemle çok verimli olamadığını çalışmaları sonucu belirtmişlerdir (Chang, 2002; Libra, 2004; Pala, 2003).

Türkiye’de tekstil endüstrisi atık su arıtımında KOİ ve BOİ giderimi kadar renk giderimi de oldukça önemlidir. Tekstil firmaları su kıtlığı yada sınırlı su miktarları ile karşı karşıya kalma tehlikesi altındadır. Yakın gelecekte, bir çok tekstil fabrikası

12

atık sularını yeniden kullanabilmek için atık su kalitesini yüzey suları kalitesine iyileştirmek zorundadır (Bruggen, Kim, 2004).

Bu nedenle, biyolojik arıtma yönteminin membran filtrasyonu (Zyłła, S´ojka- Ledakowicz, 2006), ozonlama (Barredo-Damas, 2005; Bes-P´ıa, 2004;

Chakraborty, 2005) ve adsorbsiyon gibi daha ileri arıtma yöntemleri ile birleştirerek atık su kalitesini yeniden kullanılabilir su kalitesine yükseltmeye gereksinim vardır. Adsorbsiyon ve ozonlama aktif çamur yöntemi ile arıtma sonrasında kalan rengin ve KOİ nın giderilmesinde efektif bir yöntem olsa da iletkenlik giderimi sadece membran sistemleri ile mümkündür (Bes-Pi´a, Mendoza- Roca, 2003). M¨antt¨ari vd., çalışmalarında Nanofiltrasyon (NF) öncesinde aktif çamur yönteminin iyi bir ön arıtma yöntemi olduğunu ortaya koymuştur (M¨antt¨ari, Viitikko, 2006).

Bu çalışmanın amacı, membran teknolojisi ile geri kazanılmış arıtılmış tekstil atıksularının boyanan kumaş kalitesi üzerine olan etkisinin değerlendirilmesidir.

Bunun için Tekirdağ bölgesinde denim boyama yapan bir firmanın aerobik arıtma tesisi çıkışından alınan arıtılmış atıksu farklı filtrasyon özelliklerine sahip membran prosesi kullanarak geri kazanıma tabi tutulmuştur. Elde edilen süzüntü suları üzerinde laboratuarda analizler yapılarak, geri kazanım verimliliği değerlendirilmiştir.

13

BÖLÜM II: LİTERATÜR ARAŞTIRMASI w operating press

II.1 Membran Filtrasyon Sİstemleri

Membran Sistemlerinin çalışması sıvı yada gaz akımlarda katı halde ve farklı boyutlardaki partiküllerin membran yüzeyine tutunarak ayrılması esasına dayanır.

(EPA, 815-R-06-009, ,2005)

Membran prosesleri deniz suyundan içme suyu elde etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Günümüzde gıda, metalürji, tekstil, ilaç, otomotive ve kimya sektörleri gibi endüstriyel atık suların geri kazanımında da kullanılması için yoğun çalışmalar gerçekleşmektedir.

Membran prosesleri ile ayırma işlemi besleme çözeltisinin itici kuvvetlerin (∆P, ∆C,

∆T, ∆E) etkisiyle membran yüzeyinden diğer tarafa geçmesiyle olur. Bunun sonunda geçen su süzüntü akımı ve geçmeyen akım ise konsantre akım olmak üzere iki tür akım olarak membrandan çıkar (Yalçın, 1998; Koyuncu, 2001). Bu durumun şematik gösterimi aşağıda olduğu gibidir.

Şekil 2. 1 Membran akımlarının şematik gösterimi

Membran prosesleri; giderme mekanizması ve hedef kirliliğe göre aşağıdaki gruplara ayrılır.

Sürücü Kuvvetler (∆P, ∆C, ∆T, ∆E) Besleme

Konsantre Membran

Süzüntü II. Faz

14

• Mikrofiltrasyon (MF),

• Ultrafiltrasyon (UF),

• Nanofiltrasyon (NF),

• Ters Osmoz (RO)

Diğer bir kategori olarak da Membran Kartuş Filtreleri olarak eklenebilir. (EPA, 815-R-06-009, ,2005)

Membran sistemi suyun geçmesini sağlayan ancak gözeneklerinden daha büyük partiküllerin geçmesini engelleyen barriyer görevini yapar. Gözenek boyutları Mikrofiltrasyon (MF) için 0.1-0.2 µm ve Ultrafiltrasyon (UF) için 0.001-0.05 µmdir.

Membran filtrasyonunda partiküllerin ayrılması basınç yada vakum yardımı ile gerçekleşir. (EPA, 815-R-06-009, ,2005)

Basınç altında çalışan membran sistemlerine dair bilgiler Tablo 2.1 de verilmiştir.

Tablo 2.1. Basınç altında çalışan membran sistemlerinin özellikleri

Membran Proses Membran Tipi Uygulanan Basınç Türü

Uygulamalar Membran Kalınlığı

Mikrofiltrasyon Simetrik ve asimetrik, mikroboşluklu

Hidrostatik basınç (<2 bar)

Partikül ayırımı, Steril Filtrasyonu

10-150 µm

Ultrafiltrasyon Asimetrik, mikroboşluklu

Hidrostatik basınç (1-8 bar)

Makromoleküllerin ayırmı

0.1-1 µm

Nanofiltrasyon Asimetrik Hidrostatik basınç (10-30 bar)

Küçük organik bileşiklerin ve seçilmiş tuzların ayırımı

0.1-1 µm

Ters Osmoz Asimetrik, ince filmli kompozit

Hidrostatik basınç (10-100 bar)

Küçük moleküler ağırlıklı çözünmüş maddelerin ayrımı

0.1-1 µm

Nanofiltrasyon (NF) ve Ters Osmoz (RO) membranlar genellikle çözünmüş kirliliklerin giderilmesinde, yumuşatma yada disalinasyon (tuzsuzlaştırma)

15

işlemlerinde kullanılır. Ozmos solventin yada suyun yarı geçirgen bir membrandan daha az konsantrasyondan daha yüksek konsantrasyonlu tarafa geçmesidir. Akış her iki taraftafi konsantrasyonun eşitlenmesine dek devam eder. (EPA, 815-R-06- 009, ,2005)

Şekil 2.2 Ozmotik basınç diyagramı.

Nanofiltrasyon (NF), ters ozmosdan farkı sadece çözünmüş maddelerde özellikle de monovalent iyonlardaki daha düşük giderme verimidir. (EPA, 815-R-06-009, ,2005)

Membran modülleri aşağıdaki gibi sıralanabilir;

• Hollow-Fiber modüller,

• Spiral sarımlı modüller,

• Düz panel şeklinde modüller (plate ve frame),

• Tubuler (Tüp Şeklinde) modüller

Hollow-Fiber modüller de sıvı girişi dışardan içeriye (lümene) olduğu gibi, içeriden (lümenden) dışarıya doğru da olabilir. İçeriden dışarıya doğru olan sistemlerde su modülün fiberr merkezinden beslenir, duvarlara doğru çıkış yaparak filtrasyon gerçekleştirilir. Filtrat fiberin dışında toplanır. (EPA, 815-R-06- 009, ,2005)

Sıvı girişinin dışarıdan içeriye doğru olduğu modüllerde, sıvı fiber duvarından içeriye (lümene) girer, filtrat merkezde lümende toplanır. Hollow-Fiber modül Resim 2.1 de görülmektedir.

16

Resim 2.1 Hollow-Fiber modül formu

Spiral sarımlı modüller flat – düz şekildeki membran yaprakları kendi merkezleri etrafında sarılmış haldedir. Gazetenin rulo haline gelmiş görüntüsüne benzerler.

Tek sarımlı yada çok sarımlı formları vardır. Beslenen sıvı Resim 2.2 de görüldüğü gibi yaprakların arasındaki boşluklardan süzülerek arkasında partiükül haldeki kirleticileri bırakıp merkezdeki tübe gelir. (EPA, 815-R-06-009, ,2005)

Resim 2.2 Spiral sarımlı modül formu Düz panel şeklindeki modüler,

Resim 2.3 Düz panel şeklindeki modüler

Bu tipteki membranlar ilk geliştirilen membran tipidir. Düz membran yapraklarının alternatif filtrat tutucuları ve besleme/konsentrat tutucuları ile ayrılması şeklinde dizayn edilmişlerdir. (EPA, 815-R-06-009, ,2005)

17

Tüp şeklindeki membran modülleri, daha geniş ve daha dayanıklı tipte membran modülleridir. Tüp ve membran materyali kolaylıkla tıkanma eğiliminde değildir ve daha kolay temizlenebilir. Mikrofiltrasyon (MF) ve Ultrafiltrasyon (UF) membranları ile Nanofiltrasyon (NF) ve Ters Osmoz (RO) membranları tüp şeklindeki membran modülleri olarak tasarlanır. (EPA, 815-R-06-009, ,2005)

Resim 2.4 Düz panel şeklindeki modüler

Membran sistemlerinin perfomansının ölçülmesinde kullanılan parametrelerin başında “akı” gelir. Akı; birim zamanda birim membran yüzey alanından geçen süzüntü (filtrat) akışıdır. Denklemi aşağıda ifade edildiği gibidir, (EPA, 815-R-06- 009, ,2005)

Denklem 1.

Burada; J= akı (gfd)

Qp= Filtrat akışı (gpd)

Am = membran yüzey alanı (ft²)

Diğer bir membran performans parametresi giderme verimidir. “R” harfi ile gösterilir. İki tür giderme vermi hesaplanır;

• R gözlenen (Ro)

• R gerçek (Rg)

0(%) ^{f p} 1 ^p

f f

C C C

R C C

= − = − Denklem 2

18

(%) ^{m p} 1 ^p

g

m m

C C C

R C C

= − = − . Denklem 3

Ro : Gözlenen giderme verimi, Rg : Gerçek giderme verimi,

Cp : Süzüntü akımı konsantrasyonunu, Cf : Besleme çözeltisinin konsantrasyonu,

Cm : Membran yüzeyindeki konsantrasyonu dur. (Koyuncu, 2001; Kural, 2000).

II.2 Atıksu geri kazanımında Membran Prosesi Uygulamaları

Atık suyun geri kazanımı ve kullanılması konusu tekstil endüstrisi için oldukça caziptir. Tekstil endüstrisi suyun en çok kullanıldığı endüstrilerin başında gelir. 1 kg kumaş için yaklaşık 200-400 lt su kullanılır. Tekstil endüstrisi atık suyunun bir başka özelliği de atık su kalitesinin korunmasında büyük sorunlar ortaya çıkarmasıdır (M.Marcucci,2001). Tekstil endüstrisi suyun yanında çok çeşitli kimyasalların da en çok kullanıldığı sektörlerin başında geldiğinden çok renkli, organik ve inorganik çözünmüş katı oranının yüksek olduğu atıksu üretimine neden olur (Tang, Chen, 2001). Özellikle tekstil yıkama, ağartma, boyama ve kaplama aşamalarında atıksu oluşumu oldukça yüksektir. Çevresel problemler boya banyolarında yüksek konsantrasyonlarda farklı komponentler kullanılması ile ortaya çıkmaya başlamıştır. Boya kendisi başlı başına bir problemdir. Çevresel anlamda bu komponentler askıda katı madde, KOİ, BOİ, yüksek Ph ve güçlü renklenmeler demektir (Fersi, Gzara,2005).

Yasal gereklilikleri karşılayabilmek için tekstil atık suları genellikle kimyasal-fiziksel yada daha çoğunlukla da aktif çamur yöntemleri ile arıtılmaktadır. Bu yöntemler, yüksek KOİ oranı (200 mgO² L⁻¹) na ve yüksek toplam çözünmüş tuz oranına (5000 mg L⁻¹) (Gozálvez-Zafrilla,2008) sahip reaktif boyalı tekstil atıksuların giderilmesinde çok etkili değildir (Pagga ve Taeger, 1994). Oysa ki, özellikle boyama prosesi atık suyu daha ileri arıtma teknikleri kullanılarak arıtılmaya gerek duyar. Bu tekniklerden biri membran filtrasyon teknolojilerinin kullanılmasıdır.

19

Membran filtrasyon teknikleri başlangıç kurulum maliyetleri yüksek olmasına rağmen tekstil endüstrisinde kullanımı yaygındır. Maliyetler, ön filtrasyon işlemi, membran temizliklerinin düzenli olarak yapılması ve en uygun membran sisteminin seçilmesi ile düşürülebilmektedir. Güney Afrika’da Ultrafiltrasyon (UF), Ters ozmos (RO) ve Nanofiltrasyon (NF) yöntemleri tam ölçekli arıtmada ve kimyasalların geri kazanımında yaygın olarak kullanılmaktadır (Gravelet-Blondin, Carliell, 1996)

Ultrafiltrasyon yöntemi pek çok endüstride başarıyla uygulanmaktadır. Ancak tekstil endüstrisinde çok kabul gören bir yöntem değildir (Watters, Biagtan, 1991).

Bunun bir nedeni, rejeksiyon katsayısının %30 ila %90 gibi geniş bir aaralığının olmasıdır. Bu direkt olarak yeniden kullanımı imkansızlaştırır ve NF yada RO gibi daha ileri artıtımları gerekli kılar. Groves ve Buckley bu tür bir çalışma yapmışlar ve ters ozmos sisteminde tıkanma problemi yaşamışlar ve daha düşük akılarda düşük bir arıtma yapmışlardır (Groves ve Buckley, 1980).

KOİ ve çözünmüş tuz oranı yüksek tekstil atık sularında RO, atık suyun geri kazanımında oldukça elverişli bir yöntemdir. Öte yandan NF yeterli süzüntü kalitesi ile RO dan daha düşük operasyon basıncı ile öne çıkan bir yöntemdir (^J.M.

Gozálvez-Zafrilla, Sanz-Escribano, 2008). J.M. Gozálvez-Zafrilla vd. 2007 yılında yaptıkları çalışmada NF prosesinde UF sisteminin ön arıtma olarak etkisini ölçebilmek için UF ve NF çalışmalarını birleştirdiler. Sonuç olarak NF prosesinin geçirgenlik akısı yaklaşık % 50 kadar artarken, NF prosesinin beslemesinin KOİ değeri %40 olarak düştüğü gözlemlenmiştir.

Tekstil atıksuyunun azaltılması ve yeniden kullanımında nanofiltasyon yönteminin kullanılmasına gittikçe artan bir ilgi vardır. Erswell [10], reaktif boya likörünün yeniden kullanımı için yüklü membran kullanımı olasılığı üzerine çalışan ilk araştırmacıdır. Bu çalışmada yüklü ultrafiltrasyon diğer adı ile nanofiltrasyon membran bir kapalı döngü geri dönüşüm sisteminde kullanılmıştır. Boya ve tuz giderimi, süzüntü akısı açısından çeşitli şartlar izlenmiş ve sonuç olarak nanofiltrasyonun teknik olarak boya banyosu atık suyu arıtılmasında yüksek su

20

geri kazanımı yönünden çok daha fizible ve ekonomik bir yöntem olduğu görülmüştür (Erswell, Brouchaert, 1998).

M. Marcucci vd., 2001 yılında İtalya daki tekstil boyama prosesi atıksularının membran filtrasyon yöntemi ile arıtılması konusunda çalışma yapmışlardır.

Membran prosesi hem boyarmaddelerin giderilmesinde hem de boyamada kullanılan yardımcı kimyasalların giderilmesi ile temiz su oluşumunda potansiyel bir uygulamadır (Buckley, 1992). Ultrafiltrasyon (UF) partiküllerin ve makromoleküllerin giderilmesinde etkilidir. Çalışmalar İkincil tekstil atıksuyunun tek stepli (single-step) arıtma yöntemi olduğunu göstermiştir; membran süzüntü suyunun tekstil durulama, yıkama gibi aşamalarda yeniden kullanılmasına izin verir. Ancak bu süzüntü suyunun açık renkli dokuma ipliklerinin boyamasında kullanılması çok elverişli değildir (A. Bottino, G. Capannelli,2000). Nanofiltrasyon (NF), mikrofiltrasyon sonrasında tekstil atıksuyunun ikincil arıtılmasında kullanılmış ve düşük moleküler ağırlıklı organik bileşiklerin ve iki değerlikli tuzlarını giderdiği görülmüştür.

Xu vd., çalışmalarında, saf su geçirgenliği, NaCl ün kütle transfer katsayısı ve membran gözeneklerinin ortalama yarıçapı ile nanofiltrasyon membranını karakterize etmiştir. Boyanın filtrasyon çalılşmasında % 98,5 giderim verimi elde edilmiştir ( Xu, Lebrun, 1999).

NF prosesi, UF ve RO prosesleri ile kıyaslandığında düşük ozmotik basınç, daha yüksek süzüntü akısı, daha yüksek multivalent tuzların ve büyük moleküler ağırlıklı komponentlerin uzaklaştırılması, nispeten daha düşük yatırım ve operasyon, bakım maliyetleri açısından farklılıklar ortaya koymuştur (Hilal, Al-Zoubi,2004). Bir çok çalışmada NF prosesinin perfomansı değerlendirilmiş ve NF prosesinin tekstil atık suyunun arıtılmasında başarılı ve kabul gören sonuçlar verdiği ortaya konulmuştur koymuştur (Akbari, Remigy, 2002). NF nin bu performansının devamlılığını sağlamak oldukça önemli bir husus ve operasyonel bir maliyettir. Bu yüzden membran tıkanması ve zarar görmesinin önüne geçmek için uygun bir arıtma yöntemi seçmek gereklidir (Marcucci, Ciardelli,2002).

21

C.Fersi vd., 2005 yılında aktif çamur yöntemi ile birincil olarak biyolojik arıtmaya tabi tutulan tekstil atıksuyunun Mikrofiltrasyon (MF), Ultrafiltrasyon (UF) ve Nanofiltrasyon (NF) membran yöntemi ile arıtımasından sonra süzüntü akısı, KOİ, renk, iletkenlik, toplam çözünmüş tuzlar ve bulanıklık açısından değerlendirmesini yapmıştır. Sonuçlar, mikrofiltrasyonun, tekstil atıksuyunun ön arıtmasında gerçekçi bir yöntem olduğunu göstermiştir. Ayrıca, direkt olarak ultrafiltrasyonun uygulanması ile mikrofiltrasyon ön arıtması sonrasında ultrafiltasyonun uygulanmasnını sonuçları karşılaştırıldığında ikinci durumda süzüntü kalitesinin tuzluluk, renk, bulanıklık gibi parametreler açısından daha iyi olduğu görülmüştür.

Direkt olarak yüksek tuz konsantrasyonlu biyolojk arıtılmış tekstil atıksuyunun nanofiltrasyonunda KOİ oranı azaltılması ile birlikte renk giderimi, bulanıklık ve toplam çözünmüş tuzların gideriminde %90 oranında verim elde edilmiştir. Bu çalışma sonuçlarına göre yeniden kullanılan su eldesinde NF membranların kullanımı oldukça uygundur (Fersi, Gzara,2005).

Çalışmalar, nanofiltrasyon ile kütle transferinde 3 temel hususun önemli olduğunu ortaya koymuştur. Küçük gözenek yapısından dolayı, NF’da transfer difüzyon ve konveksiyon ile gerçekleşir. İlave olarak normalde aktif membran tabakası negatif yüklü kimyasal gruplar içerir ve bu sayede elektriksel alanda iyonların migrasyonu ile kütle transferi sağlanır (Tsuru, Masakatsu,1991).

Membran sistemlerinin dezavantajlarının başında gözeneklerinin tıkanması ve dolayısıyla akı azalması gelir (Unlu, Yukseler,2009). Yüksek katı konsantarsyonlarından dolayı tıkanmalara yol açtıklarından konvansiyonel arıtmadan gelen atık sular nanofiltrasyon ve ters ozmos membranlarında direkt olarak kullanılamazlar. Membran tıkanmalarını ve membran hasarlarını önlemek için ön arıtma yapmak şarttır (Sostar-Turk,2005; Petrov,2003). NF ve RO öncesinde UF ve MF gibi çok çeşitli ön arıtma yöntemleri vardır. Doğru ön arıtma prosesini seçmek akı azalmasını önleme ve membran prosesinin performnsının arttırılmasında oldukça önemli bir faktördür (Unlu, Yukseler,2009). Tekstil endüstrisi atıksularının arıtılmasında en yaygın olarak uygulanan ön arıtma

22

yöntemleri, koagülasyon, adsorbsiyon, kum filtrasyonu, membran proseslerinden Mikrofiltrasyon (MF), Ultrafiltrasyon (UF), Kimyasal Çöktürme ve ozonlamadır (Bruggen, Curcio, 2004). Bu alternatifler arasında ekonomik açıdan bakıldığında MF daha kabul edilen bir yöntem olarak görülür. Yapılan çalışmalarda, nanofiltrasyon öncesinde boya banyosu atıklarından kolloidal türlerin giderilmesinde MF un kullanımını önermektedir (Treffry-Goatley, Buckley,1983;

Buckley,1992). S. Barredo-Damas ve ark bu yöntemler üzerine çalışmışlardır (S.Barredo-Damas*, M.I. Alcaina-Miranda,2006). Çalışmaları, tekstil atık suyunun geri kazanımında NF/RO prosesi öncesinde ön arıtma olarak Ultrafiltrasyon oldukça uygun bir teknik olduğunu ortaya koymuştur. Burada teknik ve ekonomik olarak prosesi optimize etmek açısından membran seçimi oldukça önemli olduğu da vurgulanmıştır. Membran materyalinin çapraz akı hızı ve geçirgenlik akısı üzerinde oldukça etkili olduğu, öte yandan ise KOİ ve renk gideriminde o derecede etkili olmadığı da ortaya konulmuştur. İspanya da yapılan çalışmada fiziksel-kimyasal ve hidrodinamik faktörlerin etkileşimlerinden dolayı seramik membranların oraganik olanlara nazaran çok daha yüksek geçirgenlik akılarına sahip olduğu da belirtilmiştir.

M. Unlu vd., tarafından 2008 yılında yapılan çalışmada Türkiye Kayseri’de faaliyet gösteren firmanın indigo boyama durulama suyunun arıtılmasında ön arıtma olarak koagülasyon ve filtrasyon prosesleri uygulanmıştır. Sonuçlar koagülasyonun yüksek oranda koagulant gerektirdiğinden dolayı çok efektif bir ön arıtma metodu olmadığını göstermiştir. 0,45 µm por boyutlarında Mikrofiltrasyon membranı ile yapılan arıtma işleminde %64 oranında renk giderimi, %29 oranında KOİ giderimi ve süzüntü suyunda 2493 Pt-Co renk değeri ve 892 mg/L KOİ değeri elde edilmiştir. Daha sonrasında ultrafiltrasyon prosesi uygulanmış ve bu sayede de %62 oranında renk giderimi, %4 oranında KOİ giderimi ve süzüntü suyunda 960 Pt-Co renk değeri ve 856 mg/L KOİ değeri elde edilmiştir.Buna göre, mikrofiltrasyon sonrasında ultrafiltrasyonun kullanılması ve MF un ön arıtma olarak tek başına ön arıtma olarak kullanılması Nanofiltrasyon öncesinde umut verici yöntemlerdir. MF ön arıtma uygulanmış atık suya NF uygulaması ile %99

23

renk giderimi ve %97 oranında KOİ giderimi ve 15 Pt-Co renk değeri ve 20 mg/L KOİ değeri elde edilmiştir (Unlu, Yukseler, 2009).

M.I. Alcaina-Miranda vd., tarafından 2008 yılında İspanya’da yapılan başka bir çalışmada da, tekstil endüstrisi atık suyuna önce ultrafiltrasyon daha sonrasında da Nanofiltrasyon prosesleri uygulanarak arıtma yapılmıştır. Burada besleme suyunun pH ı ve Nanofiltrasyonun transmembran basıncı araştırılmıştır. Çalışma UF sonunda en yüksek akı değerine pH 11 ve 10 bar basınçta de ulaşıldığını, iki tip NF ile çalışmada ise NF270 aynı çalışma koşullarında Duraslick NF dan daha iyi akı değerleri ve tuz rejeksiyonu sağladığını ortaya koymuştur.Duraslick NF KOİ ve renk giderimi açısından diğerinden biraz daha iyi performans göstermiştir. UF nun NF öncesinde iyi bir ön arıtma yaptığı görülmüştür. UF prosesi ön arıtma olarak NF öncesinde uygulandığında membranın hemen tıkanması ve zarar görmesini önlemiştir (Alcaina-Miranda, Barredo-Damas,2009).

Petrinic vd., 2007 yılında, sentetik olarak hazırladıkları reaktif boya baskı atıksuyundan, NF membran kullanarak renk, Na⁺ ve KOİ giderimi üzerine çalışma yapmışlardır. Farklı çapraz akış hızları (0,4-0,6 ve 0,8 m/sn) ve basınç (2-15 bar) uygulanan çalışmada kullanılan 4 boyanın her biri için yüksek boya (%99.4-99.9) ve elektrolit (%63-73) giderim verimi elde etmişlerdir. Organik maddelerin giderimi basınca bağlı olarak %20-50 olmakla beraber, yüksek basınçta, yüksek çapraz akış hızları kullanılarak yüksek giderme verimi elde etmişlerdir. Süzüntü akısında, konsantrasyon polarizasyonu ve boya adsorpsiyonu nedeniyle %50 civarında azalma meydana geldiğini ve akı azalmasının, işletme şartlarının değiştirilmesi ile minimize edilebileceğini belirtmişlerdir. Ayrıca, çapraz akış hızının artmasıyla akının arttığını vurgulamışlardır.

C.Tang vd., 2002 yılında çapraz akışlı ince film kompozit polisülfon membran ile reaktif boya içeren sentetik tekstil atıksuyuna nanofiltrasyon uygulayarak elektrolit çözeltinin geri kazanımını ve renk giderimini sağlamışlardır. Çapraz akış hızı, başlangıç boya konsantrasyonu, besleme basıncı ve elektrolit konsantrasyonu değerleri değiştirilerek akı ve giderme mekanizmalarının kontrolüne odaklanılan

24

çalışma sonuçları, NaCl varlığında oluşan ozmotik basınç ile akının daha baskın hale geldiğini ve boya konsantrasyonunun akı ve gidermeyi etkilemediği görülmüştür. 500 kPa kadar olan düşük basınçlarda, nispeten daha yüksek akılar ve %98 e varan boya giderimleri ve %14 den daha az oranda NaCl giderimleri tespit edilmiştir. Böylece, çok sayıda çalışma döngüsüne rağmen membran tıkanmaları da olmamıştır (Tang, Chen, 2002).

Membran sistemleri öncesinde ön arıtma olarak diğer arıtma yöntemleri kullanılmasının daha iyi sonuçlar verdiği yapılan çalışmalarla ortaya konmuştur.

Burada en iyi verimi almanın yanısıra, membran tıkanmalarının önlemek ve membran ömrünü öuzatmak için doğru ön arıtma yöntemini seçmek oldukça kritiktir.

Tablo 2.2 de birden fazla arıtma yönteminin bir arada kullanıldığı uygulama örnekleri mevcuttur. ( Lau, Ismail, 2009)

Tablo 2.2. Membran sistemleri ile diğer arıtma yöntemlerinin kombinasyonları Artıma Prosesi İlk aşama İkinci

aşama Açıklama

Fiziksel/

Membran arıtma prosesi (2007)

Koagülasyon UF

Aktif dayanıklı kolloidal partiküllerin giderimi (>97%) türbiditi-bulanıklık giderimi) , kullanılan koagülant türü ve dozajına bağlıdır. Membran tıkanma derecesi ise, kullanılan koagülant türüne oldukça bağlıdır. Çalışma inorganik koagülantların polimerik olanalar nazaran tıkanmayı azaltmada daha etkili olduğunu göstermiştir (Choo, Choia, 2007).

25

Membran arıtma

prosesi (2006) UF NF

Araştırmacılar tekstil atık suyu için NF/RO prosesine ön arıtma olarak UF uygulamasının oldukça uygun bir yöntem olduğunu ortaya koymuşlardır. KOİ ve iletkenlik değerleri oldukça yüksek olan atıksuların arıtımı için membran yüzeyi üzerinde katı birikmesi nedeniyle en düşük çapraz akış hızında belirgin bir ölçüde akı azalması olduğu gözlenmlenmiştir (Barredo-Damas, M.I.

Alcaina-Miranda, 2006).

Fiziksel / Membran arıtma

prosesi (2005)

Koagülasyon/

Flokülasyon NF

Çalışma koagülasyon/flokülasyon sonrasında süzüntü suyu kalitesinin yeniden kullanım için gereken kriterleri karşılamadığını göstermiştir. Ancak, bu metod membran tıkanmasını önlemek için MF öncesinde bir ön arıtma yöntemi olarak kullanılabilir. Bu entegre yöntemi kullanarak, yüksek kalitede süzüntü suyu elde edilmiştir (Suksaroj, Heran, 2005).

Kimyasal / Membran arıtma

prosesi (2005)

Elektrokimyasal

oksidasyon Membran

Çalışma, kombine proseslerin tekstil atıksuyu arıtımında etkin olduğunu ortaya koymuştur. Elektrokimyasal oksidayson yöntemi arıtma öncesinde membran prosesi uygulanması KOİ, türbidite ve renk giderimi değerleri açısından ((RCOD = 89.2%, Rturbidity = 98.3%;

Rcolor = 91.1%;) membran prosesi öncesinde elektrokimyasal oksidasyon prosesine (RCOD = 86.2%, Rturbidity

=95.1%, Rcolor = 85.2%) göre daha umut vericidir. Bunun nedeni, elektrokimyasal oksidasyon sonrasında daha düşük renk konsantrasyonu kalmasıdır (Chen, Shen,2005).

26

Kimyasal / Biyolojik arıtma

prosesi (2003)

Ozonlama Aerobik

Ön arıtma yöntemi olarak ozonlama yapılması aerobik proses ile arıtılma öncesinde boyanın biyoyararlılığını arttırmıştır. Dha yüksek renk (99.8%) ve çözünmüş oksijen konsantrasyonu -DOC (85%) giderimi için daha yüksek dozlarda ozon gerekli olmuştur. Bu durum arıtmanın daha az ekonomik olmadına neden olmuştur (Libra ve Sosath,2003).

Fiziksel / Membran arıtma

prosesi (1997)

Kum filtrasyonu

ve MF NF

Pilot ölçekli tesisde kum filtrasyonu ve MF askıda katı maddelerin (100%) ve türbiditenin (78%) azaltılmasında temel teşkil etmiştir. KOİ, iletkenlik ve renk gideriminin tamamen sağlanabilmesi nden NF sorumludur (Marcucci, Ciardelli, 2002).

Fiziksel / Kimyasal arıtma

prosesi (1997)

Koagülasyon ve elektrokimyasal

oksidasyon

Iyon değişimi

Bu entegre arıtma sisteminden çıkan su renk, türbidite ve KOİ giderimi açısından iyi olarak tanımlanabilir. Ancak, arıtma verimleri H202 nin farklı reaksiyon süreleri ve mevcut elektrokimyasal arıtma türüne göre farklılık gösterir (Lin ve Chen,1997).

Fiziksel / Kimyasal/

Biyolojik arıtma prosesi (1996)

Koagülasyon ve elektrokimyasal

oksidasyon

Aktif çamur yöntemi

Sürekli arıtma prosesinin konvensiyonel metodlara kıyasla süzüntü suyu kalitesi olarak %24 oranında daha az maliyet li olduğu bu çalışmada görülmüştür.

Ancak, arıtma perfomensını optimize edebilmek için farklı operasyon şartları (örneğin; atıksu akış oranı, uygulanan akım, aktif çamurun havalandırma

süresi…vb) göz önünde bulundurulmalıdır (Lin ve Pengn,1996).

Fiziksel / Kimyasal arıtma

prosesi (1997)

Koagülasyon Ozonlama

Koagülasyon prosesinden sonra atıksuyun ozonlanamsı enk ve KOİ giderimi açısından ozonlama sonrası atıksuyun koagülasyon prosesine kıyasla daha verimli olduğu bu çalışma ile ortaya konmuştur. Bu koagülasyon prosesi sonrasında ozonlama yapılması ile %90 renk ve %20-25 oranımda KOİ gideriminin elde eidilmesi ile gösterilmiştir (Tzitzi, Vayenas, 1994).

Bu çalışmada Tablo 3.1 de teknik bilgileri verilen tipte, dayanıklı Polietersülfon dan üretilmiş hidrofilik nanofiltrasyon (NF) ve selülozdan üretilen ultrafiltrasyon (UF)

27

membranları kullanılmıştır. Bu membranlar ile ilgili olarak yapılan litertür araştırmasında Polimerik NF Kompozit Memmbranların karakterizasyonu ile ilgili bilgiler elde edilmiştir.

Bu bilgilere göre ticari olarak çok sayıda NF membranları mevcuttur. Mevcut TFC- NF membranlar polisülfon (PSf) veya polietersülfondan (PES) hazırlanmış gözenekli destek tabaka üzerinde ince poliamid (PA) aktif tabakadan oluşur (Zhang, Xiao,2006; Song, Sun,2005).

Membranlar özellikle NF membranlar tesktil atıksuyu arıtılmasında öne çıkarken, TFC-NF membranlar hem geçirgenlik hem de yüksek inorganic tuz giderimi açısından başarılıdır. TFC-NF membranların perfomansları çoğunlukla laboratuar yada pilot ölçekli olarak araştırılmıştır. Dolayısıyla, endüstriyel olarak tam ölçekli çalışmalardan alınacak bilgilere ihtiyaç vardır (Lau, Ismail, 2009).

Şahinkaya.E. ve ark tarafından 2007 yılında Ankara’da yapılan çalışmada aktif çamur yöntemi ve sonrasında Nanofiltrasyon prosesi birleştirilerek denim tekstil atıksuyunun arıtılmasında atıksuyun yeniden kullanımı için kalitesinin yükseltilmesi hedeflenmiştir. Aktif çamur reaktöründe KOİ giderim verimi oldukça yüksek olup toplamda % 91±2 ve çözünür besleme suyunda % 84±2 oranındadır. Renk giderim verimi % 75±10 dır. Giderilen rengin ve %50 ila %70 oranı biyokütleye adsorblanarak reaktör içine çöktürülmüştür. 8 mS/cm lik yüksek atık su iletkenliği sistem performansını etkilememiştir. Biyolojik arıtma olduıkça verimli olmasına rağmen atıksuyun yeniden kullanım kriterlerini karşılamadığı tespit edilmiştir.Bu nedenledir ki nanofiltrasyon ile arıtım uygulanmıştır. Nanofiltrasyon öncesinde kaba partikülleri uzaklaştırmak için 5 µm luk gözenek boyutlarında Mikrofiltrasyon işlemi uygulanmıştır. Nanofiltrasyon sonrasında renk gideriminin neredeyse tamamen (10 Pt-Co dan az) olduğu, KOİ gideriminin % 80-100 olduğu gözlenmiştir. Süzüntü suyu iletkenliği 1.98 ile 2,67 mS/cm (%65 iletkenlik giderimi) ölçülmüştür. Sonuç olarak denim tesktil atıksuyunda yeniden kullanım kriterlerinin karşılanması için biyolojik arıtma sonrasında Nanofiltrasyon prosesi uygulanmalıdır (Sahinkaya, Uzal, 2008).

28

Membran proseslerinin ozonla kimyasal oksidasyonu ya da UV – radyasyon ve ozon ve H2O2 kombinasyonları da oldukça verimli olarak kullanılmaktadır. Ancak bu proses kombinasyonlarının maliyetleri yüksektir (Bes-Pia, Iborra-Clar, 2005).

II.3 Ekonomik Ve Çevresel Boyut

Membran teknolojisindeki son gelişmelerle membran sistemlerinin maliyetleri oldukça düşmüştür. Bu sayede de atıksu arıtmada membran sistemlerinin uygulamaları da artış göstermektedir. Tekstil endüstrisinde maliyet olağanüstü derecede önemli olmasına rağmen bir arıtma sistemi kurmanın maliyetini öngörmek oldukça zordur. Bu zorluk ham su karaterizasyonun oldukça değişken olmasından kaynaklanır. Teknolojik inovasyonlar, sistem kapasitesi, süzüntü suyu karakteristikleri vs. sistemin maliyet açısından değerlendirmesinde önemli hususlardır (Babursah, M. Çakmakcı).

Membran sistemleri kullanılarak yapılan arıtma sistemlerinin konvensiyonel sistemlere göre en önemli avantajı boyanın devamlı arıtılması ve konsantre edilerek atıksudan uzaklaştırılmasının mümkün olmasıdır (Kocaer ve Alkan, 2002) Atık suyun geri kazanımı yada yeniden kulanımı ile membran sistemlerinin yüksek ilk yatırım maliyetleri telafi edilmiş, bu telafi tekstil atıksuyunun arıtılmasında 2 yıldan daha düşük bir zaman dilimi içinde gerçekleşebilmektedir (Koyuncu, Topacık, 2004).

Ayrıca, çok çeşitli komponentlerin satın alma fiyatları ve operasyon maliyetleri ülkeden ülkeye farklılık gösterir. Tekstil endüstrisinde tam ölçekli uygulamalara dair bilgiler yeterli değildir. Pilot ölçekli olarak entegre membran sistemleri ile tekstil atık suyu arıtılmasına dair sınırlı sayıda maliyet analiz çalışmaları yapılmıştır. Yinede bu durum, ilerleyen günlerde tam olarak endüstriyel ölçekli uygulamaların ekonomik fzibilitesinin bir göstergesi olabilir (Lau, Ismail, 2009)

29

Ciardelli ve ark., tarafından 2000 yılında yapılan çalışmaya göre İtalya’da boyahane atıksularının arıtılmasında uygulanan membran teknikleri için hesaplanan maliyet yaklaşık US $1.27/m³ tür (Ciardelli, Corsi, 2000). Bunun ilerleyen günlerde daha da artması söz konusudur. Hindistan’da su arıtımı ve RO/NF membranlarının geri kazanımına dair toplam maliyet yaklaşık US $1.80/m³ tür (Ranganathan, Karunagaran, 2007). Maliyetler çok yüksek olsa da yine de çalışmalar Hindistan Tirupur’da boyama için iyi kalitede su satınalma maliyetleri kadar olmadığını göstermiştir. Babürşah ve ark., 2006 yılında (Babursah, Çakmakci, 2006) Türkiye İstanbul’da o günkü ticari pazar şartlarında tekstil atıksuyunun membran sistemi kullanılarak geri kazanım maliyetinin US $0,55/m³ olduğunu belirtmişlerdir. Membran teknolojilerinin maliyetlerine dair yapılmış daha farklı çalışmalar da mevcuttur (Marcucci, Tognotti; Madwar, Tarazi, 2002). Tekstil atıksuyunun membran prosesleri ile arıtılmasının ekonomik boyutları ile ilgili daha detaylı çalışmalar ihtiyaç olduğu ortadadır.

II.4 Membran Sistemlerde Karşılaşılan Sorunlar Nedenleri/Çözümleri

Membranlarla arıtmada yaşanan en önemli problem, membran yüzeyinde moleküllerin birikmesi nedeniyle süzüntü akısının azalmasıdır (Akbari vd., 2002).

Akı azalması iki ayrı nedenden ortaya çıkar.

• konsantrasyon polarizasyonu

• yüzeyde biriken maddeler

Membran sistemlerinde membranın selektivitesi nedeniyle membran yüzeyinde bir konsantrasyon artışı (konsantrasyon polarizasyonu) olur. Bunun sonucunda askıda katı maddeler membran yüzeyinde bir tabaka oluştururlar (fouling).

Çözünmüş maddeler sebebiyle tabaka oluşumu ise ancak çözünme sınırının (doygunluk) aşılmasıyla başlar (Tang ve Chen, 2002).

Membran sistemlerinin kullanım ömrünü belirleyen kritik faktör “tabakalaşma” dır.

Bu problemin giderilmesi türbülanslı akım rejimi ile sağlanabilir (Petrinic, Andersen 2007; Fersi, Gzara, 2005). Membran proseslerde bu problemin diğer bir çözüm

30

yöntemi doğru ön arıtma sisteminin seçimidir (Baburşah, Çakmakci, 2006). Ön arıtma ile membrandaki tabakalaşma ve modüllerin zarar görmesi engellenmiş olabilmektedir (Marcucci, 2002).

Membran sistemlerin işletilmesinde çapraz akış hızı, kritik işletme parametresidir.

Membran yüzeyine yapışık tabakanın inceliği başlangıçta çapraz akış hızıyla kontrol edilebilmektedir. Artan hız genellikle kek direncinin düşmesi ve kek atılması sebebiyle akıyı arttırmaktadır. En yüksek akış hızında, en yüksek basınç, tabakalaşmanın azalmasıyla elde edilir. Gözlenen en yüksek çapraz akış hızları da artan akıları meydana getirmekte ve bu hızlar konsantrasyon polorizasyonu tabakasını küçük tutmayı sağlamaktadır. Böylece süzüntü akısı sınırlanmamış olmaktadır (Petrinic, Andersen, 2007). Değişik işletme basınçlarında (^∆P= 3,5,7,9,11 bar) yapılan çalışmalar, basıncın artmasıyla orantılı olarak süzüntü akısının arttığını göstermiştir (Fersi, Gzara, 2005).

NF membranlarda ozmotik basınç akının azalmasına neden olmaktadır. Atıksu kirlilik yüklerindeki değişiklikler de membran sistemlerini olumsuz yönde etkileyen diğer bir husustur. (Baburşah, Çakmakci, 2006). Akbari vd. 2002 yılında yaptıkları bir çalışmada yedi çeşit boya ve Desal 5DK tipi membran (MWCO 150-300 g/mol) kullanılarak pH ve tuzun boya giderme verimine etkilerini araştırmışlardır.

Araştırmalarda yüksek molekül ağırlıklı boyaların giderimi %100 iken, anyonik boyaların pH 3-6 da düşük giderme verimlerine sahip olduğu tespit edilmiş olup, katyonik boyalarda ise daha da düşük giderme verimleri gözlenmiştir.

Uygun ön arıtma metot yada metodlarını seçmek membran proseslerinde yaşanan yukarıda bahsi geçen sorunların yaşanmaması ya da daha az oranda yaşanmasını sağlar. Ön arıtma metodları; biyolojik parçalama, koagülasyon- flokülasyon, mikrofiltrasyon (MF) ve UF olarak ifade edilmektedir (Uzal, Yılmaz, 2006).

31

BÖLÜM III: ÇALIŞMADA KULLANILAN MATERYAL VE METOD 3.1 MATERYAL

3.1.1. İncelenen Endüstrinin Üretimi

Bu çalışma; Çorlu/Tekirdağ’da bulunan ve %100 pamuk esaslı iplikten dokunmuş ve indigo boya (bitkisel kökenli boya) ile boyanmış denim kumaşı, gabardin ve benzeri kumaşların kullanıma hazır hale getirilmesi amacıyla muhtelif tekstil terbiye işlemlerinin uygulandığı bir tekstil endüstrisinin arıtılmış atıksuları üzerinde yürütülmüştür. Dokunmuş Kumaş Terbiyesi (denim yıkama) yapan endüstrinin kurulu kapasitesi 30.000 adet pantolon/gündür. Hali hazırda kullanılan kapasite ise bölümlere göre değişmektedir. Endüstri 27.997 m²’lik toplam alan üzerinde faaliyet gösterecek şekilde planlanmış olup, üretimin gerçekleştirildiği kapalı alan 20.585 m² ve arıtma tesisinin kurulu olduğu alan 1.916 m²’dir. Endüstride yaklaşık 2.000 işçi, günde 3 vardiya ve haftada 6 gün ve yılda yaklaşık 312 gün faaliyet göstermektedir (Güngör 2011). Endüstriye ait üretim akım şeması Şekil 3.1’de verilmiştir. Bu şema, bir ürünün işletmede uğrayabileceği her noktayı göstermektedir. Ancak bunun anlamı her ürünün bu şemada bahsi geçen her adımdan geçmesi gerektiği değildir. Her ürünün mutlaka uğradığı adımlar: Kesim, Metolama, Dikim, Ürün Kabul, Ölçü ve Kalite Kontrolü, İlik Açma,Yıkama Hazırlık, Yıkama Islak İşlemler, Proses, Metal Aksesuar Çakma ve Son İşlemdir. Ürünün bu bölümler haricinde hangi bölümde işlem göreceğini ise referans adı verilen rotalar belirler. Genel olarak işletmedeki iş akışı; Pamuklu dokuma işlemlerinden çıkmış ve indigo boya ile boyanmış toplar (rulo) halinde gelen kumaşlara Tekstil Destek Bölümü’nde yıkama tiplerine göre çekme ve renk testi uygulanır. Modelhaneden gelen kalıp, çekme ve renk testi sonuçları , siparişin beden dağılımı ve kesim planı dikkate alınarak asorti planları yapılır ve ürünler kesilir. Metolama bölümünde siparişe bağlı olarak parça nakış, parça baskı, parça zımpara işlemleri yapılabilir. Bu işlemleri görmüş yada sadece kesimi yapılmış pantolon parçaları beden ve siparişe göre etiketlenerek karışıklık olması engellenir.

32

Şekil 3.1. Endüstriye ait üretim akım şeması

NOT: SARI RENKLİ PROSES ADIMLARINDA SU VE/VEYA KİMYASAL KULLANIMI SÖZ ÜRÜN KABUL

İŞLEMLER

AĞARTMA

KİMYASALLI İŞLEMLER RİNSE YIKAMA VEYA

TAŞ YIKAMA

LOKAL DURULMA

PROSES

METOLAMA PARÇA

NAKIŞ

PARÇA ZIMPARA PARÇA

BASKI

DİKİM KESİM

FIRIN ÖLÇÜ VE

KALİTE

REÇİNE ATMA KIRIŞTIMA

İLİK AÇMA

BIYIK VE LAZER BIYIK

LAZER RODEO VEYA ZIMPARA

YIKAMA HAZIRLIK

Tamir

KILÇIK ÇAKMA

FİLE VEYA KILÇIK BAĞLAMA

OKEY Mİ

Yıkama ve/veya Lokal Tamiri

YIPRATMA DESTROY

TİNT BOYAMA PİGMENT PROSES OKEY Mİ

Parça Boya ve/veya Destroy

BASKI

EKSTRA DİKİM İŞLEMLERİ

METAL AKSESUAR ÇAKMA SON İŞLEM PARÇA

BOYAMA

SEVKİYAT

33

engellenir. Amaç aynı ürün üzerinde renk farkları olmasını engellemektir. Dikim atölyesine gelen kesilmiş ürünler; dikim talimatı ve numune baz alınarak bant sistemi ile birleştirilir. Dikilmiş bütün ürünler ürün kabul bölümüne gelir ve burada fason atölyeden gelen ürünler için ölçü ve kalite kontrolü yapılır. Dikimden gelen her ürün için deneme adı verilen bir işlem uygulanır ve deneme sonuçları onaylanmadan ürünler işleme alınmazlar. Bu işlemin amacı ürünü kütlesel olarak üretmeden önce mevcut bütün işlemleri uygulayarak problem olan noktaları görmek ve üretim esnasında gereken tedbirleri almaktır.

Deneme aşamasında ayrıca ürünler için reçeteler ve şarj adetleri netleştirilir ve imalata hazır hale gelinir. Deneme işlemi tamamlanan ürünler ya kuru işlemler ve/veya reçine bölümüne ya da direkt olarak yıkama bölümüne gelir. Yıkama hazırlık yıkama öncesi sipariş, renk baz alınarak şarjların hazırlandığı bir durak noktasıdır. Deneme aşamasında onaylanan reçete üzerinden numunedeki istenilen efekti sağlayabilmek için ürün belirli kimyasallar ile yıkanır ve kurutulur.

Yıkama bölümüne gelen her ürün deneme reçetesine göre ilgili ıslak işlemlerden geçer. Ürünün renk ve model uygunluğunun kontrolü için yıkama işleminden çıkan bütün ürünler proses kontrol bölümünde teker teker gözden geçirip kontrolleri yapılır. Yapılması gereken tamirler ve uygunluk durumu incelenerek gerekli durumlarda ürün yeniden yıkama işlemlerine tabi tutulur. Bazı siparişler için kimyasallı işlemler bölümünde istenen efektlerin elde edilmesi için işlem yapılır.

Bu yapılan işlemden sonra lokal yıkama diye adlandırılan bir yıkama işlemi daha yapılır. Siparişe bağlı olarak yıkama işlemleri içinde ürün direkt boyar madde yada reaktif boyarmadde ile boyanır. Direkt boyarmadde ile yapılan işleme tint, reaktif boyarmadde ile yapılan işleme ise parça boyama adı verilir ve ardından ürün kontrol edilir. Endüstrideki yıkama işlemi müşteri tarafından istenen siparişe göre belirlenmekte, herhangi bir standardı bulunmamaktadır. Genellikle birden fazla yıkama türünün kombinasyonları uygulanmaktadır. Bu nedenle endüstride oluşan atıksular belli bir karaktere sahip olmamakla birlikte, işletmede en fazla uygulanan 5 farklı alt proses ile atıksular karakterize edilmektedir. Bu alt prosesler; taş yıkama, lokal yıkama, rinse yıkama, tint boyama ve ağartma prosesleri olarak sıralanabilir.

34

Renk ve model kontrollerinden onay alan ürün metal aksesuar çakma bölümünde numuneye bağlı kalınarak işleme tabi tutulur ve ürün üzerindeki metal aksesuarlar çakılır. Ürün üzerinde yıkama sonrası dikilecek herhangi bir aksesuar veya baskı işlemi varsa ekstra işlemler ve baskı bölümünde işleme alınır. Sevkiyat öncesinde ürünün son olarak uğradığı nokta son işlem bölümüdür. Amaç ürünlerin ütü–kalite kontrol-paketleme ve kolileme işlemlerini yaparak sevkiyata hazır hale getirmektir.

Burada özellikle kalite kontrol işlemi son derece kritiktir. Çünkü problemli olan ürünler bu noktada ayrılmakta ya yeniden işleme alınmakta ya da ikinci kalite olarak ayrılmaktadır. Amaç müşteriye doğru ürünü göndermektir. Bu sürecin çıktısı kolilenmiş üründür ve artık bütün ürünler müşteriye gönderilmek üzere hazır hale gelir.

3.1.2. İncelenen Endüstrinin Su Tüketimi

İncelenen endüstrideki su bilançosu incelendiğinde; üretimde kullanılmak üzere 3 adet kuyudan 50 m³/saat kapasite ile çalışan 2 asıl 1 yedek pompa yardımı ile ham su temin edilmektedir. Bu ham su öncelikle 350 m³ kapasiteli sert su deposuna aktarılmakta ve işletmede kullanılabilecek sertliğe (0-1,5 Fr) getirilmek üzere reçineli yumuşatma sisteminden geçirilerek 80 m³ hacimli yumuşak su deposuna alınarak üretim proseslerine gönderilmektedir. Endüstride günlük su kullanımına ait veriler Tablo 3.1’de verilmiştir.

Tablo 3.1 İncelenen Endüstrinin Günlük Su Tüketimi (Güngör 2011) SU KULLANILAN

BÖLÜM

MİKTAR (m³)

%

Yıkama 1320 84,6

Lokal 40 2,6

Yardımcı Tesis (Buhar) 128 8,2

Evsel 72 4,6

TOPLAM 1560 100

35