Ham petrol rafinerisi atıksularından yağ-in-su emülsiyonlarının ve kalsiyumun uzaklaştırılması için elektrokoagülasyonun süreç modellenmesi ve çamur karakterizasyonu

Rafineri suyunun temizlenmesinin önemi

Modern petrol rafinerileri ham petrolü günlük hayatımızda kullandığımız yakıt ve yağlara dönüştürür; ancak aynı zamanda yağ damlacıkları ve kalsiyum gibi çözünmüş minerallerle yüklü büyük miktarda kirli su üretirler. Bu su uygun şekilde arıtılmazsa ekipman kirlenebilir, değerli su kaynakları israf edilebilir ve nehirler ile denizler kirlenebilir. Bu çalışma, hem yağ kirliliği hem de sert su minerallerini aynı anda ele alabilen ve enerji kullanımı ile maliyeti kontrol altında tutan umut verici bir elektriksel arıtma yöntemini inceliyor.

Kirleri suda yakalamanın elektriksel bir yolu

Araştırmacılar, bir reaktör içindeki metal plakaların doğru akım kaynağına bağlandığı elektrokoagülasyon adı verilen bir sürece odaklandı. Elektrik su üzerinden aktığında, bir plakadan çok küçük miktarlarda alüminyum çözünür ve su ile reaksiyona girerek tüy benzeri, yapışkan parçacıklar oluşturur. Bu parçacıklar yağ damlacıklarını ve çözünmüş kalsiyumu yakalayarak daha büyük kümeler hâline getirir; bunlar ya yüzeye köpük olarak çıkar ya da çamur şeklinde çöker. Geleneksel kimyasal arıtmadan farklı olarak bu yöntem, metal plakaların kendisinden “temizleyici kimyasallar” ürettiği için dıştan reaktif eklenmesi gereksinimini azaltır.

Daha temiz su için en uygun reçeteyi tasarlamak

Arıtma performansı mühendislerin ayarlayabileceği birçok parametreye bağlıdır: akımın uygulama süresi, akım şiddeti, suyun tuzluluğu, asidik veya bazik olması ve içindeki yağ ile kalsiyum miktarı. Deneme-yanılma yerine ekip, bu çok boyutlu alanı keşfetmek için yapısal bir istatistiksel yaklaşım kullandı. Kontrollü miktarlarda yağlayıcı yağ ve kalsiyum tuzları içeren sentetik rafineri atıksuyu hazırladılar ve ardından altı ana koşulu sistematik olarak değiştirdiler: işlem süresi, pH, akım yoğunluğu, tuz (sodyum klorür) seviyesi ve başlangıç yağ ile kalsiyum konsantrasyonları. Uzman yazılımlar 84 deneyin planlanmasına ve bu girdileri yağ ile kalsiyum giderimi, enerji kullanımı ve işletme maliyetiyle ilişkilendiren matematiksel modellerin uydurulmasına yardımcı oldu.

Deneyler ve modeller neler gösterdi

Analiz, hem yağın hem de kalsiyumun uzaklaştırılmasında en etkili tek faktörün işlem süresi olduğunu gösterdi: daha fazla zaman genellikle alüminyum bazlı flokların oluşup kirleticileri yakalaması için daha fazla süre sağladı. Akım yoğunluğu ve tuz seviyesi de güçlü roller oynadı, ancak daha karmaşık şekillerde. Yüksek akım, yeterli süre geçtikten sonra daha fazla flok ve gaz kabarcığı üreterek uzaklaştırmayı iyileştirdi; ancak kısa sürelerde flok oluşumunu bozabiliyordu. Orta düzeyde kalsiyum ve tuz elektrik iletkenliğini iyileştirdi, fakat çok fazlası elektrotlarda sert mineral tabakalarına ve alüminyum israfına yol açan istenmeyen yan reaksiyonlara neden olarak verimliliği düşürdü. Suyun pH değeri de önemliydi: yaklaşık pH 9 civarındaki hafif bazik koşullar, yağ emülsiyonlarını parçalamada ve kalsiyumu bağlamada özellikle etkili alüminyum türlerinin oluşmasını destekledi.

Performans ve maliyet için uygun bir nokta bulmak

Deney verilerini yanıt yüzeyi modellemesi ile birleştirerek ekip, yağ giderimi, kalsiyum giderimi ve maliyeti ortak şekilde optimize eden bir işletme koşulları seti belirledi. Bu koşullarda—pH 9, orta-yüksek akım yoğunluğu, belirli başlangıç yağ ve kalsiyum düzeyleri, ölçülü ilave tuz ve yaklaşık bir buçuk saatlik işlem süresi—sistem yağın %91’inden fazlasını ve kalsiyumun neredeyse %73’ünü giderdi. Aynı zamanda metreküp su başına yaklaşık 12 kilovatsaat elektrik kullandı ve metreküp başına toplam işletme maliyeti yaklaşık 0,21 ABD doları olarak elde edildi; bu, bazı önceki elektrokoagülasyon çalışmalarından daha düşüktü. COMSOL yazılımı ile yapılan bilgisayar simülasyonları, bu ayarlarda silindrik reaktör içindeki elektrik alanının daha uniform dağıldığını ve reaksiyonların su hacmi boyunca verimli şekilde ilerlemesine yardımcı olduğunu doğruladı.

Yakalanan atıkla ne oluyor

Arıtmadan sonra yakalanan kirleticiler çamur ve yüzey köpüğü karışımı olarak ortaya çıkıyor. Yazarlar bu materyali kızılötesi spektroskopi, X-ışını element analizi ve elektron mikroskobu ile incelediler. İçerisinde alüminyum hidroksit yapıları ile yağ kaynaklı karbon ve kalsiyum ve sodyum tuzlarının bulunduğunu, gözenekli, düzensiz parçacıklar oluşturduğunu ve büyük yüzey alanına sahip olduğunu buldular. Bu özellikler, çamurun sadece atılmaktan ziyade yeniden kullanılabileceğini düşündürüyor—örneğin mineral içeriğinin toprak özelliklerini iyileştirebileceği bir toprak düzenleyici olarak veya alüminyum kaynağı olarak geri kazanılıp yeni arıtma kimyasallarına dönüştürülebileceği uygulamalarda.

Daha basit bir sistemden daha temiz su

Genel olarak çalışma, mütevazı elektrik akımlarıyla çalışan ve kolayca temin edilebilen alüminyum elektrotlar kullanan nispeten basit bir elektrokoagülasyon reaktörünün, rafineri atıksularındaki emülsifiye yağ ve kalsiyumu rekabetçi maliyetle eşzamanlı olarak uzaklaştırabileceğini gösteriyor. İşletme koşullarının dikkatle ayarlanması ve deneylerin istatistiksel modelleme ile bilgisayar simülasyonlarıyla desteklenmesi sayesinde, yazarlar bu teknolojinin ağır kirlenmiş endüstriyel suyu çok daha temiz bir akıma dönüştürebileceğini ve yönetilebilir bir çamur üretebileceğini; bu çamurun ikincil kullanım olasılıkları bile olabileceğini gösteriyor. Su kıtlığı ve sıkı deşarj limitleriyle karşı karşıya kalan toplumlar ve endüstriler için, bu tür optimize edilmiş elektriksel arıtma daha güvenli ve sürdürülebilir su geri kullanımı yönünde pratik bir yol sunuyor.

Atıf: Mohamed, Y.E., El-Gayar, D.A., Amin, N.K. et al. Process modeling and sludge characterization of electrocoagulation for the removal of oil-in-water emulsions and calcium from petroleum refinery wastewater. Sci Rep 16, 7954 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37854-8

Anahtar kelimeler: petrol rafinerisi atıksuyu, elektrokoagülasyon, yağ-in-su emülsiyon, su sertliği giderimi, atıksu arıtma optimizasyonu