Recovery of water and chemicals from textile wastewater with ceramic membranes

Abstract

Decreased water resources in our world necessitate the treatment and reuse of polluted water. Water recovery is of vital importance, both in terms of sustainability and economy, especially in industries that consume large amounts of water. One of the industries that consume a high amount of water is the textile industry. In the textile industry, 0.06-0.40 m3 water/kg product is used according to literature. In parallel with the amount of water used in the processes in the textile industry, a high amount of wastewater is generated. These wastewaters are known to contain high COD, different dyes, heavy metals, etc. For this reason, it is not possible to discharge these wastewaters into the environment without proper treatment. Many traditional methods for the treatment of textile wastewater such as coagulation flocculation, activated carbon adsorption, ozonation and biological treatment are used. However, these methods cannot meet strict discharge limits or are not economically viable. Therefore, membrane processes come to the fore in textile wastewater treatment since they are recommended for textile wastewater treatment in the BAT (Best Available Techniques) reference document. As a result of textile wastewater treatment with membrane processes, high-efficiency treatment is provided and the treated wastewater can have the potential to be reused. Polymeric membranes are generally preferred in treatment processes. However, since textile wastewaters have high temperatures and extreme pH values, the use of polymeric membranes is not suitable. The textile industry produces wastewater with temperatures that can go up to 90-95 °C. Generally, wastewater must be cooled down before membrane treatment. For efficient treatment, membranes have to be thermally stable; most polymeric membranes tend to degrade at high temperatures and therefore, they are not suitable for hot wastewater treatment.Therefore, the use of ceramic membranes in the treatment of textile wastewater is a viable method. Besides, when ceramic and polymeric membranes are compared, it can be said that ceramic membranes are having more advantageous in terms of high thermal, mechanical, and chemical stability, well-defined pore size distribution, and high flux. In this thesis, a comprehensive study was carried out on the pilot-scale water and chemical recovery using ceramic membranes from real textile wastewater and the development of halloysite nanotube doped membranes for the treatment and recovery of real textile wastewater. First, a pilot-scale ceramic ultrafiltration/nanofiltration system was operated for hot water recovery by treating real textile wastewater in a selected textile factory. Later, in the same facility, real textile wastewater with caustic content was used in order to make chemical recovery. Based on the successful results of these studies, after it was proven that water and chemical recovery can be made with ceramic membranes, halloysite nanoclay added membranes were produced in order to make this process more economical, and treatment trials were carried out with real wastewater from the same facility and important results were obtained.

Dünya üzerindeki su kaynakları, artan nüfus ve sanayileşmenin sonucu olarak günden güne azalmaktadır. İnsani kullanımın yanı sıra, endüstrilerin üretim ve diğer prosesleri için kullandığı su miktarı da ciddi boyutlardadır. Tekstil, kozmetik, kağıt ve benzeri endüstriler, hem yüksek miktarlarda su tüketmekte hem de bu miktara paralel olarak yüksek miktarlarda atıksu oluşumuna neden olmaktadır. Örneğin, literatüre bakıldığında tekstil endüstrisinde kg başına ürün için 0.06-0.40 m3 su harcandığı görülebilmektedir. Miktarın yanı sıra, tekstil atıksularının toksik olduğu da bilinmektedir. Bu nedenle, tekstil atıksularının uygun bir arıtım olmadan çevreye deşarj edilmesi mümkün değildir. Bunun yanı sıra, tekstil atıksularının uygun biçimde arıtılması, geri kazanılması ve proseslerde yeniden kullanılması hem ekolojik sürdürülebilirlik hem de ekonomik açıdan büyük önem arz etmektedir. Tekstil atıksularının arıtımı için birçok geleneksel yöntem kullanılmaktadır. Koagülasyon-flokülasyon, adsorpsiyon, ozonlama, biyolojik arıtım gibi birçok yöntem uzun yıllardır tercih edilmektedir. Fakat bu yöntemler, hem sıkı deşarj limitlerini sağlamada hem de atıksuların yeniden kullanımı için yeterli arıtımı sağlamada yetersiz kalabilmektedir. Bunların yanı sıra bu yötemlerin, hem ekonomik hem de çevresel açılardan da dezavantajları bulunmaktadır. Örneğin koagülasyon-flokülasyon prosesi sonrası fazla miktarda çamur oluşmakta, biyolojik arıtım da ise atıksu içerisindeki boyalar yeterince giderilememektedir. Bu noktada membran prosesler öne çıkmaktadır. Son yıllarda membran prosesler su ve atıksu arıtımında oldukça popüler bir yöntem haline gelmiştir. Özellikle tekstil atıksularının arıtımı için, mevcut en iyi teknikler (Best Available Techniques-BAT) referans dökümanlarında membran prosesler önerilmektedir. Membran proseslerde genel olarak polimerik membranlar tercih edilmektedir. Ancak tekstil atıksuları genellikle yüksek sıcaklıklara ve çok düşük ya da çok yüksek pH değerlerine sahip olduğundan, polimerik membranların kullanımı uygun değildir. Tekstil endüstrisi, 90-95 °C'ye kadar çıkabilen sıcaklıklarda atıksular üretmektedir. Polimerik membran kullanıldığında, atıksu membran arıtımından önce soğutulmalıdır. Etkili arıtma için membranların termal olarak dayanıklı olması gerekir; fakat polimerik membranların çoğu yüksek sıcaklıklarda bozulma eğilimindedir ve bu nedenle sıcak atıksu arıtımı için uygun değildirler. Bu nedenle tekstil atıksularının arıtılmasında seramik membranların kullanılması uygulanabilir bir yöntemdir. Ayrıca seramik ve polimerik membranlar karşılaştırıldığında, seramik membranların yüksek termal, mekanik ve kimyasal dayanıklılık, homojen gözenek boyutu dağılımı ve yüksek akı açısından daha avantajlı olduğu söylenebilir. Özellikle tekstil sektöründe sıcak atıksu arıtımında kullanıldığında, artan sıcaklık ile düşen viskoziteye bağlı olarak seramik membran akı değerleri artacaktır. Ek olarak, seramik membranların yüksek pH ve kimyasal direnci nedeniyle, membranlar daha agresif bir temizleme işlemine dayanabileceğinden membran performansı daha verimli bir şekilde geri kazanılabilir. Tekstil atıksuyunun özellikleri ile seramik membranların özellikleri birlikte düşünüldüğünde bu membranların tekstil atıksu arıtımında kullanılması literatürde de önerilmektedir. Seramik membranlar ile yapılan çalışmalar incelendiğinde, genel olarak labaratuvar ölçeğindeki çalışmaların yoğunlukta olduğu görülmektedir. Buna karşın pilot ve gerçek ölçekteki çalışmalar oldukça azdır. Laboratuvar ölçeğindeki çalışmalar birçok çalışmanın çıkış noktası olmasına ve çok değerli olmasına rağmen, gerçek uygulamalar için pilot çalışmaların gerekli olduğu düşünülmektedir. Pilot ve gerçek uygulamaların yaygın olmamasının en önemli sebeplerinden biri seramik membranların maliyetli olmasıdır. Bu sorunun aşılabilmesi için de düşük maliyetli seramik membranların üretilebilmesi önem taşımaktadır. Bu tez kapsamında, gerçek tekstil atıksularının gerçek şartlar altında pilot ölçekli seramik ultrafiltrasyon/nanofiltrasyon sistemi ile arıtılarak su ve kimyasal geri kazanımının yapılması amaçlanmıştır. Buna ek olarak bu proseslerin daha ekonomik olabilmesi açısından, halloysit nanokil katkılı seramik membranların üretimi ve gerçek tekstil atıksuyu arıtım performanslarının incelenmesi de tezin ana amaçlarındandır. Bu amaçlar doğrultusunda, ilk olarak pilot ölçekli seramik ultrafiltrasyon/nanofiltrasyon sistemi sıcak su geri kazanımı için seçilen tekstil fabrikasında işletilmiştir. Tüm denemeler, gerçek şartlar altında gerçek tekstil atıksuyu kullanılarak yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde, arıtılan sıcak tekstil atıksuyunun membran çıkışında sıcaklığının yaklaşık ortalama 15 derece kadar düştüğü bu ek olarak verimli bir şekilde arıtıldığı gözlemlenmiştir. Böylece proseste kullanılacak suyun 0 °C'den 95 °C'ye ısıtılmasının yerine, elde edilen sıcak membran süzüntüsünün 95 °C'ye ısıtılması ekonomik anlamda kar sağlayacaktır. Buna ek olarak elde edilen membran çıkış suyu ile tesis içerisinde kumaş boyama denemeleri yapılmış ve yapılan üç denemeden ikisi başarılı olmuştur. Tez kapsamında yapılan bir sonraki çalışmada ise, tekstil atıksularından kimyasal geri kazanımı hedeflenmiştir. Bu doğrultuda pilot ölçekli seramik ultrafiltrasyon/nanofiltrasyon sistemi yine aynı tekstil fabrikasında kostik içerikli atıksular ile işletilmiştir. Bu çalışmanın sonuçlar değerlendirildiğinde, yapılan tüm denemelerde en az %50 sodyumun geri kazanıldığı görülmektedir. %50 geri kazanım sağlanması, proseste kullanılan sodyum maliyetinden en azından bu oranda tasarruf edilmesi anlamına gelmektedir. Kimyasal geri kazanımın yanı sıra, bir diğer önemli nokta da aynı zamanda su geri kazanımının da gerçekleşmesidir. Membran filtrasyon sonucunda elde edilen süzüntü yeterli miktarlarda arıtıldığından ve kostik içerdiğinden tesis içerisinde uygun proseslerde tekrar kullanılabilir. Bu durum, gerçek ölçekli kullanım için oldukça umut verici bir sonuç olarak değerlendirilmektedir. Tekstil atıksularının seramik membranlarla etkin bir şekilde arıtılıp geri kazanılabileceği tez kapsamında yapılan pilot ölçekli çalışmalar ile kanıtlandığından, tezin bundan sonraki amacına odaklanılmış ve seramik membranların yaygın olarak uygulanabilmesinin önündeki en büyük sorunlardan olan yüksek membran maliyetlerinin üstesinden gelmek için seramik membran üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla ülkemizde de mevcut bir kil minerali olan halloysit nanokil kullanılarak nispeten düşük sıcaklıklarda ultrafiltrasyon ve sıkı ultrafiltrasyon seviyesinde membranların üretimi yapılmıştır. Üretilen membranlar karakterize edildikten sonra, ilk çalışmada kullanılan gerçek tekstil atıksuları ile arıtım ve performans testleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde, membranların beklenen arıtım seviyelerine ulaştıkları gözlemlenmiştir. Ayrıca, son olarak yapılan sıcak atıksu arıtım testlerinde ise membran akılarının arttığı fakat giderim verimlerinin belirgin oranda düşmediği görülmüştür. Tezde yapılan tüm çalışmalara bütünsel olarak bakıldığında, su ve kimyasalların seramik membranlar ile geri kazanıldığı ve yeniden kullanılma potansiyelinin olduğu sonucuna varılabilmektedir. Böylece hem çevresel hem de ekonomik olarak kazanımlar elde edilebilecektir. Ayrıca son dönemlerde oldukça önem verilen tehlikeli atıkların sıfır deşarjı konseptine de katkı sağlanabileceği anlaşılabilmektedir.