Treatment of cataphoresis process wastewater with a novel clinoptilolite/ G-nZVI composite (C/ G-nZVI) for reuse in the process : case of automotive industry

Abstract

Su kaynakları üzerindeki riskler, işletmeler için stratejik, operasyonel ve finansal açıdan büyük önem taşımaktadır. Özellikle su tüketiminin yüksek olduğu sektörlerde, su kıtlığı hem üretim süreçlerini hem de maliyetleri doğrudan etkileyebilir. Günümüzde birçok sanayi kuruluşu, su tüketimini optimize etmek ve atık su deşarjını en aza indirmek amacıyla yenilikçi su geri kazanım ve arıtma teknolojilerine yatırım yapmaktadır. Bu çalışma, otomotiv endüstrisinde su yönetimini daha verimli hale getirmeyi amaçlamakta ve küresel ölçekte su kaynaklarının korunmasının kritik önemine dikkat çekerek sürdürülebilir su tasarrufu stratejileri sunmayı hedeflemektedir. Bu bağlamda çalışma, otomotiv endüstrisinde en yüksek hacme ve kirletici yüküne sahip olan kataforez işlemi durulama atık sularının, klinoptilolit destekli ve yeşil çay bazlı demir nanoparçacıkları içeren yenilikçi bir yöntemle arıtılmasını raporlamaktadır. Böylece, atıksuyun diğer proses atık su kaynaklarıyla karışmadan yerinde arıtılması sağlanarak su döngüsünün daha verimli yönetilmesi amaçlanmaktadır. Çalışma kapsamında, farklı demir/ klinoptilolit kütle oranları ve demir/ ekstrakt hacim oranları kullanılarak 9 farklı kompozit sentezlenmiş ve karakterizasyonları SEM, BET, XRD, XPS ve FT-IR kullanılarak gerçekleştirilmiştir. En stabil ve etkili kompozitin 2 g klinoptilolit (destek malzeme) içinde 1/ 1 (V/ V) demir/ ekstrakt oranına sahip olduğu belirlenmiştir. Optimize edilen bu nanokompozit, otomotiv endüstrisi atık suyundan fosfat giderimi için kullanılmıştır. Laboratuvar ölçekli adsorpsiyon testleri 4.4 pH başlangıç değerinde, 120 dakika süresince 0.5, 1.0, 2.5 ve 5.0 g adsorban ile gerçekleştirilmiş ve optimize edilmiş kompozitin %99 oranında PO₄³⁻ giderimi sağladığı görülmüştür. Sabit yataklı kolon deneyleri ise, 2.9 cm iç çapında ve 25 cm uzunluğunda bir cam kolon kullanılarak yapılmış; kolon, 3.0, 6.0 ve 10.5 cm yatak derinliklerine sahip olacak şekilde sentezlenen kompozit ile doldurulmuştur. Gerçek otomotiv endüstrisi atık suyu, peristaltik pompa yardımıyla 3.5, 7.0 ve 10.5 mL/ dak akış hızlarında kolondan geçirilmiştir. Sonuçlar, optimize edilen kompozit ile %99.83 PO₄³⁻ giderimi sağlandığını göstermektedir. Otomotiv endüstrisi, hem gelişmiş hem de gelişmekte olan ekonomilerin temel taşlarından biri olup, küresel su tüketimine önemli ölçüde katkıda bulunmaktadır. Son yıllarda, otomotiv sektörü içinde sürdürülebilir su yönetimi uygulamalarına yönelik belirgin bir dönüşüm yaşanmaktadır. Bu dönüşümün başarılı olabilmesi için mevcut su tüketim modellerinin detaylı bir şekilde incelenmesi ve en uygun geri kazanım stratejilerinin belirlenmesi gerekmektedir. Bu çalışma, özellikle otomotiv endüstrisinde kataforez işlemi durulama atık su banyolarında daha etkili ve çevre dostu su geri kazanım tekniklerine duyulan ihtiyacı vurgulamakta ve su kaynaklarının korunmasına katkı sağlayacak sürdürülebilir çözümler önermektedir. Elde edilen bulgular, sektörde yenilikçi arıtma teknolojilerinin uygulanmasının yalnızca çevresel sürdürülebilirliği artırmakla kalmayıp, aynı zamanda işletmelerin operasyonel maliyetlerini de azaltacağını ortaya koymaktadır.

Water-related risks hold significant strategic, operational, and financial importance for businesses. In industries with high water consumption, water scarcity can directly impact both production processes and costs. Today, many industrial enterprises are investing in innovative water recovery and treatment technologies to optimize water consumption and minimize wastewater discharge. This study aims to enhance water management efficiency in the automotive industry while emphasizing the critical importance of global water conservation and proposing sustainable water-saving strategies. In this context, the study reports on the treatment of cataphoresis process rinse wastewater—one of the highest-volume and most pollutant-loaded wastewater streams in the automotive industry—using an innovative approach involving clinoptilolite-supported, green tea-based iron nanoparticles. This method enables the on-site treatment of wastewater without mixing it with other process wastewater sources, ensuring more efficient water cycle management. As part of the study, nine different composites were synthesized using varying iron/ clinoptilolite mass ratios and iron/ extract volume ratios, and their characterization was performed using SEM, BET, XRD, XPS, and FT-IR techniques. The most stable and effective composite was determined to have a 1/ 1 (V/ V) iron/ extract ratio within 2 g of clinoptilolite (support material). This optimized nanocomposite was utilized for phosphate removal from the automotive industry wastewater. Laboratory-scale adsorption tests were conducted at an initial pH of 4.4 for 120 minutes using 0.5, 1.0, 2.5, and 5.0 g of adsorbent, and the results demonstrated that the optimized composite achieved a 99% removal rate of PO₄³⁻. Fixed-bed column experiments were conducted using a glass column with an inner diameter of 2.9 cm and a length of 25 cm, packed with synthesized composite material at bed depths of 3.0, 6.0, and 10.5 cm. Real automotive industry wastewater was pumped through the column using a peristaltic pump at flow rates of 3.5, 7.0, and 10.5 mL/ min for 300 minutes. The results indicated a 99.83% removal efficiency of PO₄³⁻ with the optimized composite. The automotive industry is one of the cornerstones of both developed and developing economies and significantly contributes to global water consumption. In recent years, the sector has been undergoing a notable transformation toward sustainable water management practices. Understanding current water consumption patterns in the automotive sector is crucial for successfully implementing this transition. This study highlights the necessity for more effective and environmentally friendly water recovery techniques, particularly in the rinse wastewater baths of the cataphoresis process in the automotive industry. The findings emphasize the global importance of water conservation and propose sustainable solutions to contribute to the protection of water resources. The results reveal that the implementation of innovative treatment technologies in the sector not only enhances environmental sustainability but also reduces operational costs for businesses.