Klasik Fenton ve elektro-Fenton optimizasyon çalışmaları için numunenin oda sıcaklığında olduğu değerde çalışılmış ve sıcaklık parametresinin kontrolü için herhangi bir işlem gerçekleştirilmemiştir.
4.1. Klasik Fenton Oksidasyonu ile Yapılan Deneysel ÇalıĢma Sonuçları
4.1.1. Reaksiyon süresinin etkisi
Çalışma kapsamında Fenton prosesinin en etkili olduğu pH değeri olan pH 3.0 de, farklı Fe2+
ve H2O2 konsantrasyonlarında 30, 60, 90, 120 dk‟lık reaksiyon
sürelerinde çalışılmıştır. Fe2+
dozu 500 mg/L, H2O2 dozu 1000 mg/L olmak üzere 60
dk‟lık süre optimum değer olarak seçilmiştir.
4.1.2. BaĢlangıç pH’ının etkisi
Başlangıç pH‟ının Fenton oksidasyonu üzerine etkileri pH‟nın 2.0-7.1 aralığındaki başlangıç değerlerinde incelenmiştir (Şekil 4.1-4.3).
Başlangıç pH değeri 7.1 olan atıksuya Fe2+
ve H2O2 ilave edildiğinde, atıksuyun
pH değerinin birkaç dakika içerisinde 3.0~3.5 civarına indiği ve Fenton oksidasyonunun gerçekleşmesi için pH‟a müdahale etmeye gerek olmadığı belirlenmiştir.
pH‟daki ilk düşüş FeSO4.7H2O ilavesinden sonra gerçekleşmiştir. Bu düşüş
demir sülfatın asidik karakterli olmasından kaynaklanmıştır. pH‟daki ikinci düşüş H2O2
eklenmesinden sonra olmuştur ve bu düşme kademeli olarak devam etmiştir H2O2
ilavesinden sonra gerçekleşen değişim Fe3+ ve H2O2‟nin reaksiyonundan sonra redox
reaksiyonları sonucunda üretilen H+
iyonlarının olduğu söylenebilir (eşitlik 2.3, eşitlik 2.13). Ayrıca atıksu içerisindeki organik maddelerin organik asitlere parçalanması da pH‟daki bu düşüşe neden olabilir. pH‟daki bu değişimin reaksiyonun planlanladığı şekilde ilerlediğini göstermiştir (Bishop ve ark., 1968; Walling, 1975). Böylece Şekil 4.2 ve 4.3‟den de anlaşıldığı gibi atıksuyun orjinal pH‟ının kullanılmasının daha uygun olacağına karar verilmiştir.
Asidik koşullarda redoks sistemi daha iyi gerçekleşmektedir. pH değeri 3,5‟tan düşük olduğu zaman H2O2 ve Fe2+ daha kararlıdır. Fe2+ iyonları pH 4.0‟ten yüksek
olduğunda kararsızdır ve kolayca demir hidrokso kompleksleri üretmeye meyilli demir iyonları oluştururlar (Yıldırım, 2007). Yüksek pH‟ta H2O2 oksitleme yeteneği azaldığı
için kararsızdır. Fe2+ iyonları ve H
2O2 kararsızlığı oksidasyon sürecinin verimini
etkilemektedir.
ġekil 4.2. Başlangıç pH‟ının KOİ‟ye olan etkisi (Deney koşulları: H2O2=1000 mg/L, Fe2+=500 mg/L,
ġekil 4.3. Başlangıç pH‟ının KOİ giderim verimi üzerine olan etkisi (Deney koşulları: H2O2=1000
mg/L, Fe2+=500 mg/L, reaksiyon süresi 1.0 saat).
4.1.3. BaĢlangıç H2O2 dozunun etkisi
H2O2 dozunun Fenton reaksiyonu üzerindeki etkilerini görmek amacıyla
H2O2‟nin 125-2500 mg/L arasındaki değerlerinde deneysel çalışmalar yapılmıştır.
Şekil 4.4 ve 4.5‟den anlaşıldığı üzere başlangıç pH‟ı=7.1, Fe2+
=500 mg/L, 1.0 saatlik reaksiyon süresi sonunda en iyi verim H2O2=1000 mg/L dozunda elde edilmiştir.
Yeterli Fe2+‟nın bulunması hali için hidrojen peroksit fazla miktarda kullanıldığında kirlilik giderme verimi yüksek, az miktarda kullanıldığında ise düşüktür.
ġekil 4.4. Başlangıç H2O2 derişiminin KOİ‟ye olan etkisi (Deney koşulları: Başlangıç pH‟ı=7.1,
Fe2+=500 mg/L, reaksiyon süresi 1.0 saat).
ġekil 4.5. Başlangıç H2O2 derişiminin KOİ giderim verimi üzerine etkisi (Deney koşulları: Başlangıç
pH‟ı=7.1, Fe2+=500 mg/L, reaksiyon süresi 1 saat).
Ağır kirlilik yüküne sahip kirli sularda başlangıçtaki demir ve hidrojen peroksit konsantrasyonunu yüksek tutmak reaksiyon performansı açısından fayda sağlamaktadır. Ancak artan oksidan konsantrasyonu arıtımı belli bir değere kadar olumlu etkilerken; belli bir konsantrasyondan sonra aşırı H2O2‟nin OH
˙
radikalleri ile reaksiyona girerek(eşitlik 4.1) oksidasyon verimini önemli derecede düşürdüğü gözlemlenmiştir (Buxton ve ark., 1988) .
H2O2 + OH
˙
→ HO2.+ H2O (4.1)Yukarıda verilen reaksiyona göre oluşan HO2• serbest radikali de zincir
reaksiyonlarını devam ettirir, ancak OH
˙
radikaline göre daha düşük oksitleme potansiyeline sahiptir. Bu nedenle arıtım performansını, başka bir deyişle KOİ giderim verimini arttırmak için H2O2 konsantrasyonunun uygun (optimum) bir değereayarlanması çok önemlidir (Tuhkanen, 2004).
Aksi halde fazla H2O2 sistemde üretilen OH
˙
radikalini süpürerek verimidüşürmektedir. En yüksek KOİ giderim verimi 1000 mg/L‟de elde edilmiş ve artan dozlarda H2O2‟nin süpürücü etkisinden dolayı KOİ giderim verimi azalmıştır. Sonuç
olarak 1000 mg/L H2O2 dozunun optimum olduğu belirlenmiştir.
4.1.4. BaĢlangıç Fe2+ dozunun etkisi
Atıksuyun orjinal pH‟ı 7.1 başlangıç değerinde ve optimum H2O2 dozunda (1000
mg/L) Fe2+‟nın 125-2500 mg/L değerleri arasında deneyler yapılarak Fe2+‟nın Fenton reaksiyonu üzerindeki etkileri incelenmiştir.
Şekil 4.6 ve 4.7‟de sonuçları verilen deneysel çalışmalar 500 mg/L‟lik Fe2+
dozunun optimum değer olduğunu göstermektedir. Fe2+‟nin 750 mg/L ve üzerindeki
dozlarda KOİ‟de giderim artmamıştır.
Fe2+ iyonu dozunun artması hem sistem verimi hem de arıtma maliyeti üzerinde etkilidir. 500 mg/L‟den fazla Fe2+ dozları OH
˙
radikali ile reaksiyona girerek KOİ giderim verimini düşürmüştür (eşitlik 2.4).ġekil 4.6. Başlangıç Fe2+ miktarının KOİ‟ye olan etkisi (Deney koşulları: Başlangıç pH‟ı=7.1,
H2O2=1000 mg/L, reaksiyon süresi 1.0 saat).
ġekil 4.7. Başlangıç Fe2+
miktarının KOİ giderim verimi üzerine olan etkisi (Deney koşulları: Başlangıç pH‟ı=7.1, H2O2=1000 mg/L, reaksiyon süresi 1.0 saat).
4.1.5. Kinetik çalıĢma
Reaksiyon kinetiklerini belirlemek için zamana bağlı olarak alınan numuneler üzerinde KOİ, değerleri deneysel çalışma ile belirlenmiştir. Bu çalışma için öncelikle 60 dk‟ya kadar olan reaksiyon süresi içinde belirli aralıklarla alınan numunelerde elde edilen analiz sonuçları grafiğe aktarılmıştır. Fenton işlemi sırasında oluşan reaksiyonların kaçıncı dereceden olduklarını belirlemek üzere elde edilen sonuçlar için doğrusallaştırılmış reaksiyon grafikleri çizilmiştir. Grafikler anlatılan her üç derece için de çizilerek birer korelasyon katsayısı (R2
) değeri bulunmuştur. R2‟si 1‟e en yakın olan derece, reaksiyon derecesi olarak belirlenmiş, bu işlemden sonra oksidasyon modeli çıkartılmıştır.
Yapılan bu model çalışma ile kirletici giderme verimi ve oksidasyon hızı, kapasitesi üzerindeki etkinlik modellenmiştir. Uygulanan model için t‟ye karşı yüzde birim % KOİ giderimi için gereken zaman (t/x) grafiği çizilmiştir. Deneysel verilerin matematiksel model ile doğrusallaştırılması sonucunda elde edilen yüksek R2
değeri (Şekil 4.8) modelin tutarlı sonuçlar verebileceğini göstermiştir
ġekil 4.8. İki aşamalı kinetik matematiksel modelin uygulanışı.
Şekil 4.8‟den elde edilen verilerle oluşturulan denklem görülmektedir. Bu denklem de a ve b katsayılarının sırasıyla 1.7043 ve 4.7072 olduğu belirlenmiştir. Eşitlik (4.2) kullanılarak bir model denklemi türetilmiştir.
7072 . 4 7043 . 1 % t t b t a t KOİ (4.2)
Eşitlik 4.3‟te t değeri zamanı ifade etmektedir. Değerler yerlerine yerleştirilerek kirletici giderim verimleri hesaplanmıştır.
Geliştirilen bu modelin deneysel sonuçları tahmin etmedeki tutarlılığı Şekil 4.9‟da gösterilmiştir.
ġekil 4.9. Kirletici giderim verimlerinin model veriler ile ilişkisi.
Geliştirilen bu model ile türetilen verilerin, deneysel çalışmada elde edilen veriler ile uyumlu olduğu görülmüştür (Şekil 4.9). Sonuç olarak iki aşamalı kinetik matematiksel modelin klasik Fenton prosesinde, KOİ parametresine bağlı olarak kirletici giderme veriminin (proses veriminin) tahmin edilmesinde kullanılabileceği belirlenmiştir.
4.2. Elektro-Fenton Prosesi Ġle Yapılan Deneysel ÇalıĢma Sonuçları
Elektro-Fenton yöntemi ile yapılan arıtmada reaktörde kompleks bir çok reaksiyon gerçekleşebilmektedir. Arıtma sırasında reaktörde; başlangıç pH‟ı, H2O2
derişimi, akımın büyüklüğü, reaksiyon süresi gibi işletme parametreleri kullanılarak istenilen reaksiyonların baskın tutulması mümkündür. Bu nedenle de, yapılan bu
çalışma kapsamında, söz konusu parametrelerin optimum değerleri belirleme çalışmaları yapılmıştır.
4.2.1. Reaksiyon süresinin etkisi
Elektro-Fenton oksidasyon prosesinde en uygun reaksiyon süresinin belirlenmesi için 15-120 dk aralığında çeşitli süreler uygulanmıştır (Şekil 4.9-4.12).
ġekil 4.9. Reaksiyon süresinin numunenin KOİ‟sine olan etkisi (Deney Koşulları: I=1.0 A, H2O2=1500
mg/L, başlangıç pH‟ı=2.5).
ġekil 4.10. Reaksiyon süresinin numunenin KOİ verimine etkisi (Deney Koşulları: I=1.0 A, H2O2=1500
Grafiklerden de görüleceği üzere KOİ için 45 dk‟lık arıtma süresinde % 55‟lik değerle en iyi verim elde edilmiştir. Bulanıklık ve aromatikliğin göstergesi olan UV absorbansları için 60 dakikalık reaksiyon sürelerinde en iyi verimler alınmıştır. KOİ giderimi esas alınarak 45 dakikalık süre en uygun olarak kabul edilmiş ve bundan sonraki deneysel çalışmalarda bu süre kullanılmıştır.
ġekil 4.11. Reaksiyon süresinin bulanıklığa olan etkisi (Deney Koşulları: I=1.0 A, H2O2=1500 mg/L,
başlangıç pH‟ı=2.5).
ġekil 4.12. Reaksiyon süresinin aromatikliğe olan etkisi (Deney Koşulları: I=1.0 A, H2O2 =1500 mg/L,
4.2.2. BaĢlangıç pH’ının etkisi
KOİ gideriminin başlangıç pH‟ı ile değişimleri Şekil 4.12 ve 4.13‟de sunulmuştur.
.
ġekil 4.13. Başlangıç pH‟ının numunenin KOİ‟sine etkisi (Deney Koşulları: I=1.0 A, H2O2=1500 mg/L,
reaksiyon süresi 45 dk).
ġekil 4.14. Başlangıç pH‟ının numunenin KOİ verimine olan etkisi (Deney Koşulları: I=1.0 A, H2O2
=1500 mg/L, reaksiyon süresi 45 dk).
Optimum başlangıç pH değeri belirlenirken, pH 2.0-5.0 aralığında denemeler yapılmıştır. Denemeler sırasında numunenin H2O2 konsantrasyonu 1500 mg/L, akım 1.0
A olarak sabit tutulmuştur ve 45 dk reaksiyon süresi esas alınarak deneyler yürütülmüştür. Reaksiyon başlangıç pH‟ının 2.0-3.0 aralığında elektro-Fenton
oksidasyonu ile oluşan KOİ giderme verimlerinde yükselme gözlenmektedir. Bununla birlikte başlangıç pH 3.5 ile 5.0‟te ise KOİ giderme verimlerinde azalma görülmüştür (Şekil 4.14.). Şekil 4.13 ve 4.14‟den de anlaşılacağı üzere, en iyi KOİ arıtma verimi, 45 dakikalık reaksiyon süresi için, başlangıç pH‟nın 3.0 olduğu deneyde 45‟nci dakikada % 55 olarak elde edilmiştir. Başlangıç pH‟nın 3.0‟den büyük olduğu durumlarda ise verimde bir azalma gözlenmiştir. Bunun nedeni olarakta anot yüzeyinde meydana gelen reaksiyon ile ortamdaki H2O2 konsantrasyonundaki artıştan kaynaklandığı söylenebilir
(Yıldırım, 2007). pH değeri 3.5'den düşük olduğu zaman, H2O2 ve Fe2+ daha kararlıdır.
Fe2+ iyonları pH değeri 4.0'den yüksek olduğunda kararsızdır ve kolayca demir hidrokso kompleksleri üretmeye meyilli demir iyonları oluştururlar (Bishop ve ark., 1968). Yüksek pH değerlerinde H2O2, oksitleme yeteneği azaldığından kararsızdır. Fe2+
iyonları ve H2O2‟inkararsızlığı redoks sistemini etkilemektedir. Düşük pH değerlerinde
(<2.5) Fe2+ devre dışı bırakılır ve ((Fe(II)(H2O)2+ oluşur (Bishop ve ark., 1968). Bu
demir kompleksi H2O2 ile reaksiyona girer ve OH
˙
radikali üretim hızı yavaşlar böyleceKOİ giderim verimleri düşer. Ayrıca H+
iyonları OH
˙
radikalleri tutucu gibi davranak giderim verimlerinde azalmaya neden olur (Bishop ve ark., 1968). H2O2 OH˙
radikallerini süpürebileceği gibi, demirin aşırı çözünmesi de buna neden olabilir (Kiril Mert ve ark., 2010).
ġekil 4.15. Başlangıç pH‟ının bulanıklığa olan etkisi (Deney Koşulları: I=1.0 A, H2O2=1500 mg/L,
ġekil 4.16. Başlangıç pH‟ının aromatikliğe olan etkisi (Deney Koşulları: I=1.0 A, H2O2=1500 mg/L,
reaksiyon süresi 45 dk).
Şekil 4.16‟dan da görüldüğü üzere absorbans değerleri pH 3‟ten sonra düşme eğilimi göstermiş yalnız pH 3.0‟den sonra kayda değer bir azalma gözlenmemiştir.
4.2.3. BaĢlangıç H2O2 dozunun etkisi
Elektro-Fenton oksidasyonunda sistemde üretilecek OH
˙
radikallerinin ana kaynağı H2O2‟dir. Fenton reaksiyonlarında H2O2 tüketilmesi, yöntemin veriminisınırlayan en önemli etkenlerdendir. Fenton prosesinin bileşenlerinden ikincisi olan H2O2 konsantrasyonunun optimum değerinin belirlenmesi için atıksu numunesinin pH
3.0 akım 1.0 A değerinde sabit tutularak, atıksu 250-3000 mg/L arasında on bir farklı dozda incelenmiştir. Çalışmada sabit pH ve akımda değişik H2O2 dozu için yapılan
ġekil 4.17. H2O2 dozunun numunenin KOİ‟sine olan etkisi (Deney Koşulları: I=1.0 A, başlangıç
pH‟ı=3.0, reaksiyon süresi 45 dk).
ġekil 4.18. H2O2 dozunun numunenin KOİ verimine olan etkisi (Deney Koşulları: I=1.0 A, başlangıç
pH‟ı=3.0, reaksiyon süresi=45 dk).
Sisteme eklenen H2O2 dozu arttıkça uygun olarak üretilen OH˙ radikalinin
miktarının artması sonucu KOİ gideriminin de, önemli ölçüde artış gözlenmiştir (eşitlik 2.3), (Şekil 4.18). 250 mg/L için % 2.0 olan KOİ gideriminin 1500 mg/L için % 55‟e kadar yükseldiği gözlemlenmiştir. Çalışmada optimum başlangıç H2O2 dozu 1500 mg/L
olarak belirlenmiştir. H2O2 miktarının daha fazla artırılmasıyla KOİ gideriminde önemli
bir artış sağlanamamıştır. Bunun nedeni ortamda aşırı miktarda bulunan H2O2‟nin
H2O2 dozunun bulanıklık üzerinde fazlaca bir etkisi olmamıştır (Şekil 4.19). Bu
sebeple bu parametre üzerinden optimum dozun belirlenemeyeceği düşünülmüştür.
ġekil 4.19. H2O2 dozunun bulanıklığa olan etkisi (Deney Koşulları: I=1.0 A, başlangıç pH‟ı=3.0,
reaksiyon süresi 45 dk).
H2O2 dozunun atıksuyun aromatikliği üzerindeki etkisi Şekil 4.20‟de verilmiştir.
Buna göre 500 mg/L‟den itibaren aromatiklik doz arttıkça azalmıştır. Ancak H2O2‟nin
1000 mg/L‟lik dozundan sonraki azalma dikkate değer olmamıştır. Bu sebeple optimum H2O2 dozu belirlenirken KOİ‟deki değişim dikkate alınmıştır.
ġekil 4.20. H2O2 dozunun aromatikliğe olan etkisi (Deney Koşulları: I=1.0 A, başlangıç pH‟ı=3.0
4.2.4. Akım büyüklüğünün etkisi
Elektro-Fenton yönteminde bir diğer etkili işletme parametresi, sistem içerisinde elektrotlara uygulanan akımın büyüklüğüdür. Elektrotlara verilen akım değeri arttıkça, elektrokoagülasyon verimi artma gösterirken aynı zamanda da Fenton oksidasyonu için gerekli olan Fe2+‟nin reaktöre girişi hızlanmaktadır. Ayrıca yüksek akım koşullarında, yöntemin enerji tüketimi artarken, elde edilen verim çok fazla değişim göstermemektedir. Enerjiden kaynaklanan maliyetin artmaması için sistemde kullanılacak akım değerinin iyi tespit edilmesi gerekmektedir. Deneysel çalışmalarda bu amaçla farklı akım uygulamaları için arıtma verimlerinde görülen değişimler belirlenmiş ve Şekil 4.21 ve 4.24 arasında verilmiştir.
ġekil 4.21. Akım yoğunluğunun numunenin KOİ‟sine olan etkisi (Deney Koşulları: H2O2 dozu=1500
mg/L, başlangıç pH‟ı=3.0, reaksiyon süresi 45 dk).
ġekil 4.22. Akım yoğunluğunun numunenin KOİ verimine olan etkisi (Deney Koşulları: H2O2 dozu=1500
Yapılan deneylerde akım 0.5 ve 3.0 amper aralığında çalışılmış ve arıtma verimini sağlayan en uygun akım belirlenmeye çalışılmıştır. H2O2 dozu 1500 mg/L, pH
3.0 ve 45 dk‟lık arıtma süresi kullanılarak yapılan çalışmalarda en uygun akım % 55 verimle 1.0 A olarak tespit edilmiştir (Şekil 4.21 ve 4.22). Optimum akıma kadar KOİ giderim verimi artma gösterirken optimum akımdan sonra verimde düşme olduğu gözlemlenmiştir. Bunun nedeni H2O2‟ninkatot ara yüzeyinde birikmesi ve belki kısmen
bozunabilmesidir. Yüksek derişimlerde protonlar elektronlarla yarışır ve hidrojen gazı açığa çıkar. Her iki etkide de H2O2 üretiminde akım verimini azaltır. Bu nedenle asidik
çözeltilerde, katodik potansiyel ve çözelti pH‟ı akım veriminin kontrolünde iki önemli faktördür (Gözmen, B., 2002). Ayrıca akımın demir çözünürlüğünü arttırması ve sistemde fazla olan demirin OH
˙
radikallerini süpürmesi de etkili olmuş olabilir.Bulanıklığın akım büyüklüğüyle değişimi Şekil 4.23‟de verilmiştir. Bulanıklık, 1.0 Amper akıma kadar azalmış, sonrasında anlamlı bir değişme olmamıştır.
ġekil 4.23. Akım yoğunluğunun bulanıklığa olan etkisi (Deney Koşulları: H2O2 dozu=1500 mg/L,
başlangıç pH‟ı=3.0, reaksiyon süresi 45 dk).
Şekil 4.24 de atıksuyun aromatikliği‟nin akım büyüklüğüne bağlı olarak değişimi verilmiştir. Atıksuyun UV absorbans değerleri hiçbir akım büyüklüğünde azalma göstermemiş, 1.5 A‟e kadar artmış sonra değişmemiştir.
ġekil 4.24. .Akım yoğunluğunun aromatikliğe olan etkisi (Deney Koşulları: H2O2 dozu=1500 mg/L,
başlangıç pH‟ı=3.0, reaksiyon süresi 45 dk).
Akım 0.5 ve 1.0 A aralığında renge sebep olan organik bağların sadece kırılmadığı, aynı zamanda okside olduğunu da söylemek mümkündür.
Çizelge 4.1.‟de akım yoğunluğuna karşılık aşınan demir miktarları gösterilmiştir. Çizelge 4.1. Akım yoğunluğu-demir aşınması arasındaki ilişki.
Akım Yoğunluğu (A)
Demir AĢınma Miktarı (mg) Anottaki AĢınma Miktarı Katottaki AĢınma Miktarı 0.5 3.2 443.7 1 10.5 814.1 1.5 6.6 1223.8 2 12.2 1588 2.5 5.9 2034.7 3 6.6 2344.2
Çizelge 4.1.‟de görüldüğü üzere akım yoğunluğu arttıkça elektrotlardaki aşınma miktarıda artmıştır. Aşınma miktarlarının artmasının nedeni akım yoğunluğuna bağlı olarak elektron verme hızının artmasından kaynaklanmaktadır.
4.2.5. Kinetik çalıĢma
Reaksiyon kinetiklerini belirlemek için zamana bağlı olarak alınan numuneler üzerinde KOİ, değerleri deneysel çalışma ile belirlenmiştir. Bu çalışma için öncelikle t=0-60 dk arasında belirli aralıklarla alınan numunelerde elde edilen analiz sonuçları
grafiğe aktarılmıştır. Elektro-Fenton işlemi sırasında oluşan reaksiyonların kaçıncı dereceden olduklarını belirlemek üzere elde edilen sonuçlar için doğrusallaştırılmış reaksiyon grafikleri çizilmiştir. Grafikler anlatılan her üç derece için de çizilerek birer korelasyon katsayısı (R2
) değeri bulunmuştur. R2‟si 1‟e en yakın olan derece, reaksiyon derecesi olarak belirlenmiş, bu işlemden sonra oksidasyon modeli çıkartılmıştır.
Her üç derece ve iki aşamalı matematiksel kinetik model için yapılan reakiyon dereceleri belirlenmiştir.
0.derece reaksiyon için R2
değeri 0.966 1.derece reaksiyon için R2
değeri 0.912 2.derece reaksiyon için R2
değeri 0.8408 2 aşamalı matematiksel kinetik model R2
değeri 0.0157 dir .
ġekil 4.25. Kinetik çalışma modeli (0.derece reaksiyon). Grafikler üzerinde yapılan çalışmalarda R2
si en yüksek grafik olan 0. derece reaksiyon, reaksiyon derecesini belirlemek üzere seçilmiştir (Şekil 4.25).
4.3. Elektro-Fenton Oksidasyonu ve Klasik Fenton Oksidasyonu Kıyaslaması
Çalışmada belirlenen optimum şartlarda elektro-Fenton prosesi ve klasik Fenton prosesi verim, maliyet ve oluşan atık çamur hacim miktarı bakımından kıyaslanmıştır.
Elektro-Fenton oksidasyonunda başlangıç pH‟ı=3.0, H2O2 miktarı 1500 mg/L
değere ulaşılmıştır. Klasik Fenton prosesinde başlangıç pH‟ı=7.1, H2O2 miktarı 1000
mg/L, Fe2+ dozu miktarı 500 mg/L ve 60 dk‟lık süre sonunda en iyi arıtma verimi olan % 52‟lik değere ulaşılmıştır. Sonuçlardan da görüldüğü üzere elektro-Fenton prosesi kullanılarak yapılan çalışmada Fenton prosesine oranla bir miktar daha fazla verim elde edilmiştir. Fenton reaksiyonunda sisteme demir dozunun hazır verilmesi de göz önüne alınarak elektro-Fenton prosesinde üretilen demir katotta üretildiğinden dolayı demirdeki aşınma süresi ve miktarı dezavantaj gibi dursa da buna rağmen daha fazla verim elde edilmesi elektro-Fenton prosesinin etkin bir şekilde kullanımını göstermiştir.
Çizelge 4.2. Elektro-Fenton ve klasik Fenton prosesinin optimum arıtma şartları ve KOİ giderme verimleri açısından kıyaslanması.
Parametreler Klasik Fenton Elektro-Fenton
Başlangıç pH‟ı 7.1 3.0
H2O2 dozu (mg/L) 1000 1500
Fe2+ dozu (mg/L) 500 -
Demir elektrot aşınma miktarı
(mg/L) - 814.1
Reaksiyon süresi (dk) 60 45
Akım yoğunluğu (A) - 1
% KOİ giderim verimi % 52 % 55
4.4. Maliyet Analizi
Maliyet açısından elektro-Fenton prosesi için; kullanılan H2O2 miktarı, Fe
elektrotların aşınma miktarları, elektrik sarfiyatı açısından, klasik Fenton oksidasyonu için; H2O2 miktarı, Fe2+ miktarı açısından kıyaslama yapılmıştır. Kullanılan
kimyasalların miktarlarları göz önüne alınarak bir maliyet analizi oluşturulmuştur.
4.4.1. Klasik Fenton prosesi için maliyet analizi;
Kullanılan H2O2 miktarı 1000 mg/L, ve Fe2+ miktarı 500 mg/L hesaplanması
H2O2 miktarı için;
% 35‟lik H2O2 2,5 L = 45€
2,5 L‟lik ambalaj fiyatı üzerinden hesap yapılmıştır. 45 € = 112.5 TL (Anonim, 2011a)
H2O2=1000 mg/L=0.001 kg/L
H2O2‟nin bağıl yoğunluğu 1.18 g/cm3
29.5 kg H2O2 = 262.5 TL
Kullanılan H2O2 miktarının fiyatı;
Fe2+ miktarı için;
1 kg FeSO4*7H2O 5 TL
10 kg FeSO4*7H2O 2.6 TL/kg = 26 TL‟dir.
10 kg‟lık ambalaj fiyatı üzerinden hesaplama yapılmıştır; FeSO4*7H2O mol ağırlığı 278.05 g/mol
Fe mol ağırlığı 56 g/mol‟dür. FeSO4*7H2O içerisindeki Fe2+ miktarı 5‟te 1 oranındadır.
Buna göre 10 kg FeSO4*7H2O içerisinde 2 kg Fe2+ bulunmaktadır. 2kg demir elde
etmek için verilen fiyat 26 TL‟dir. 1kg Fe2+‟in fiyatı 13 TL/kg‟dır.
500 mg/L = 0.0005 kg/L Fe2+
kullanılır.
Toplam Maliyet = H2O2 sarfiyatı + Fe2+ sarfiyatı
0.00381 + 0.0065 = 0.01031 TL/L * 1000=10.31 TL/m3‟dür. kg m m v m d 29.5 25 18 . 1 3 2 2 *1000 3.81 / 00381 . 0 5 . 29 5 . 112 001 . 0 m TL O H L TL kg TL L kg 3 2 / 5 . 6 1000 * 0065 . 0 13 0005 . 0 m TL Fe L TL kg TL L kg
4.4.2. Elektro-Fenton prosesi için maliyet analizi;
Kullanılan H2O2 miktarı 1500 mg/L, akım 1.0 amper (1.0 A), ve demir aşınma
miktarı (demir elektrotların hurda demir fiyatı üzerinden hesaplanması yapılmıştır) açısından hesaplama yapılmıştır.
H2O2 miktarı için;
% 35‟lik H2O2 2.5 L = 45 €
2.5 L‟lik ambalaj fiyatı üzerinden hesap yapılmıştır. 45 €= 112.5 TL (Anonim, 2011a)
H2O2=1500 mg/L=0.0015 kg/L
H2O2‟nin bağıl yoğunluğu 1.18 g/cm3
29.5 kg H2O2 = 112.5 TL
Kullanılan H2O2 miktarının fiyatı;
Demir elektrotların aĢınma miktarları için;
Kullanılan elektrotların katot ağırlığı 37 gr‟dır.(500 mL‟lik atıksu için) 1L‟lik atıksu için 2 katı hacimde 74 gr‟lık demir elektrot kullanılırsa;
H2O2=1500 mg/L, pH=3.0, akım 1.0 A ve 45 dk‟lık süre içerinde katottaki aşınma
miktarı 0.8141 gr =814.1 mg‟dır. (500 mL atıksu için).(1.0 Lt atıksu için 1628.2 mg‟dır).
Elektrotların % 25 oranındaki ağırlığı kullanılacak şekilde hesaplaması yapılırsa; 18.5 gr elektrot ağırlığı her seferde 1.6282 gr aşınırsa yaklaşık 10 sefer kullanılır. 1 seferde 1.6282 gr aşınırsa 10 seferde;
10* 1628.2 mg =16282 mg = 16.282 gr aşınma kg m m v m d 29.5 25 18 . 1 3 2 2 *1000 5.72 / 00572 . 0 5 . 29 5 . 112 0015 . 0 m TL O H L TL kg TL L kg
10 seferde kullanılan demir miktarı 16.282 gr= 0.016282 kg‟dır. 1 kg hurda demir fiyatı 0.62 TL „dir (Anonim, 2011b).
0,016282 kg * 0,62 TL/kg = 0.01009 TL‟dir (Toplamda kullanılan demir fiyatı). 10 kerede;
(Her sefer için demir maliyeti)
1000 L=1 m3
1 m3 atıksuda 0.001009*1000=1 TL/m3‟dür.
Elektrik sarfiyatı için;
1.0 A 18.7 V 45 dk‟lık sürede harcanan elektrik maliyeti; Güç = Gerilim*Akım => P=U*I
Güç birimi = watt
Gerilim birimi = volt V (U) Akım birimi = amper (A)
Birim zamanda harcanan güç(enerji) kilowatt/saat(kw/h) P=18.7*1.0 = 18.7 watt
1 saatlik çalışma sonunda; 18.7 watt/saat (w/h) = 0.0187 kw/h (1kw=1000 w) 1 saatte 0.0187 kw/h ise 45 dk‟lık sürede 0.014025 kw enerji harcanır.
Elektriğin birim fiyatı 0.171728 TL/h‟tir (Anonim, 2011c) 1saatte 0.171728 TL ise 45 dk‟lık sürede 0.128796 TL dir. Buna göre;
45 dk‟da 0.5 litre atıksuyu arıtmak için 0.014025 kw*0.128796 = 0.001806 TL‟dir (500