Elektrokoagülasyon Yöntemi

Elektrokoagülasyon kullanımı en yaygın olan elektrokimyasal arıtım yöntemidir [57]. Atık suların içerisinde farklı büyüklüklerde bulunan kirleticilerin pek çoğu yerçekimi ile çökemeyecek kadar küçük yapıdadır. Bu maddelerin çökebilir formlara dönüştürülmesi koagülasyon işlemi ile gerçekleştirilmektedir. Kimyasal koagülasyon, askıda kalmış, yüklü katı maddelerin bulunduğu sulu ortama zıt yüklü iyonlar ilave edilerek nötralizasyon ile bir araya toplanması olayıdır [58]. Koagülasyon işlemi suya kimyasal madde ilave ederek gerçekleştirilmesinin yanı sıra suya elektrik akımı verilerek de elektrokoagülasyon işlemi ile gerçekleştirilebilmektedir.

Elektrokoagülasyon yönteminde kimyasal koagülasyondan farklı olarak koagülant, anot olarak seçilen metalin elektrolitik oksidasyonu sonucunda oluşur. Bu yöntemde, anottan çözünen metal iyonları ve ortamda bulunan yüklü iyonlar bir araya gelerek metal hidroksit flokları oluşmaktadır [59]. Elektrokoagülasyon yöntemi uygulandığı sırada mekanizmasında belirli miktarda flotasyon, absorbsiyon, adsorbsiyon ve çöktürme prosesleride meydana geldiğinden dolayı kirletici giderim verimi çok yüksektir.

Elektrokoagülasyonda yaygın olarak alüminyum (Al3+_{) ve demir (Fe}3+ _{ve Fe}2+₎ elektrotlar tercih edilmektedir [57]. Elektrokoagülasyonda anotta yükseltgenme katotta indirgenme meydana gelmektedir. Yapılan çalışmalarda suyun akışı plaka elektrotların arasından olup, elektrik akımı akış yönüne dik bir yönde olacak şekilde dikey olarak düzenlenmiştir [62], [57].

çözünerek metal iyonlarını oluşturur. Bu metal iyonları (Al3+_{, Fe}2+ _{ve Fe}3+_{) sudaki} hidroksil iyonları ile birleşerek Al(OH)3, Fe(OH)2 ve Fe(OH)3 gibi metal hidroksitleri oluşturmaktadır. Elektrokoagülasyon anında oluşan metal hidroksitler oldukça yüksek adsorbsiyon özelliklerine sahiptir ve mikrokirleticileri adsorbe etmektedir.

Sistemde paralel reaksiyonlarla anotta oksijen, katotta hidrojen kabarcıkları oluşmaktadır. Bu gaz kabarcıkları da floküle olmuş kirleticileri su yüzeyine çıkarmaktadır.

Şekil 3.2. Elektrokoagülasyon düzeneği.

Alüminyum anodun elektrolitik çözünmesiyle, düşük pH değerlerinde Al3+ _{ve Al(OH)2}+

gibi katyonik monomerler oluşmaktadır. Bu türler daha sonra Al(OH)3’e ve son olarak polimerleşerek Aln(OH)3n’e dönüşmektedirler. Alüminyum elektrot kullanıldığında meydana gelen reaksiyonlar aşağıda sıralanmıştır.

 Anot bölgesinde: 𝐴𝑙_(𝑠) → 𝐴𝑙_(𝑎𝑞)3+ + 3𝑒− _(3.7) 𝑛𝐴𝑙(𝑂𝐻)₃ → 𝐴𝑙_𝑛(𝑂𝐻)_3𝑛 (3.8)  Katot bölgesinde: 3𝐻₂𝑂 + 3 𝑒− _{→ 3/2𝐻} 2(𝑔) + 3𝑂𝐻− (3.9)

Diğer yandan yüksek pH değerlerinde, katotta OH- _{iyonlarının kimyasal tepkimesi} sonucunda H2 gazı oluşur.

2𝐴𝑙_(𝑠)+ 6𝐻₂𝑂 + 2𝑂𝐻_(𝑎𝑞)− → 2𝐴𝑙(𝑂𝐻)_4(𝑎𝑞)− + 3𝐻_2(𝑔) (3.10) Elektrotlarda gerçekleşen reaksiyonlar sonucunda oluşan Al3+ _{ve OH}- _iyonları reaksiyona girerek, Al(OH)2+_{, Al(OH)2}+_{, Al2(OH)24}+_{, Al(OH)4}- _{gibi çeşitli monomer} türlerini ve Al6(OH)153+_{, Al7(OH)174}+_{, Al8(OH)204}+_{, Al13O4(OH)247}+_{, Al13(OH)345}+ _gibi çeşitli polimerik türleri oluştururlar. Bu türler kompleks çökelme kinetiklerine göre sonunda Al(OH)3’e dönüşürler.

 Toplam reaksiyon:

𝐴𝑙_(𝑎𝑞)3+ + 3𝐻2𝑂 → 𝐴𝑙(𝑂𝐻)3 + 3𝐻+ (3.11)

Demir ise elektrolitik sistemde çözündüğünde demir hidroksit oluşmaktadır [16]. Demir elektrot kullanıldığında ise aşağıdaki reaksiyonlar oluşmaktadır. Burada iki mekanizmadan bahsedilebilir, Mekanizma 1  Anot bölgesinde: 𝐹𝑒_(𝑠) → 𝐹𝑒_(𝑎𝑞)2+ + 2𝑒− (3.12) 𝐹𝑒_(𝑎𝑞)2+ + 2𝑂𝐻_(𝑎𝑞)− → 𝐹𝑒(𝑂𝐻)2(𝑠) (3.13)  Katot bölgesinde: 2𝐻₂𝑂 + 2𝑒− _{→ 𝐻} 2(𝑔) + 2𝑂𝐻(𝑎𝑞)− (3.14)  Toplam reaksiyon: 𝐹𝑒 + 2𝐻₂𝑂 → 𝐹𝑒(𝑂𝐻)_2(𝑠) + 𝐻_2(𝑔) (3.15) Mekanizma 2  Anot bölgesinde: 4𝐹𝑒(𝑠) → 4𝐹𝑒(𝑎𝑞)2+ + 8𝑒− (3.16) 4𝐹𝑒_(𝑎𝑞)2+ + 10𝐻2𝑂 + 𝑂2(𝑔) → 4𝐹𝑒(𝑂𝐻)3(𝑠) + 8𝐻(𝑎𝑞)+ (3.17)

 Katot bölgesinde:

8𝐻_(𝑎𝑞)+ + 8𝑒− → 4𝐻2(𝑔) (3.18)

 Toplam reaksiyon:

4𝐹𝑒_(𝑠) + 10𝐻₂𝑂 + 𝑂_2(𝑔) → 4𝐹𝑒(𝑂𝐻)_3(𝑠) + 4𝐻_2(𝑔) (3.19)

Şekil 3.3. Elektrokoagülasyonda anot ve katot arasında gerçekleşen reaksiyonlar. Demir elektrotun elektrokimyasal oksidasyonu sonucunda, sıvı ortamda, pH değerlerine bağlı olarak Fe(H2O)63+_{, Fe(H2O)5(OH)2}+_{, Fe(H2O)4(OH)2}+_{, Fe2(H2O)8(OH)24}+ _ve Fe2(H2O)6(OH)44+ gibi monomerik ve polimerik kompleks bileşikler oluşmaktadır [60].

Atık su arıtımında kullanılan elektrokoagülasyon yönteminin avantajları aşağıdaki gibi sıralanabilir.

 Elektrokoagülasyon prosesinde metal elektrotların belirli zamanda anot ve katot kutupları yer değiştirilebilir. Buna bağlı olarak elektrotların kullanım verimi artmaktadır [61].

 3.3.1 de anlatıldığı gibi elektrokoagülasyon yöntemi gerçekleştiği sırada elektrotlardan oluşan gazlar flotasyona neden olur. Böylece elektroflotasyon yönteminin verimi artar.

 Sistemde basit donanım kullanılmasından dolayı kurulum maliyeti

düşüktür ve işletim şartları kolaydır. Karşılaşılan sorunların çözümü kolay ve bakım maliyeti düşüktür [48].

sağlayarak koagüle olmalarını kolaylaştırır. Kimyasal madde ilavesi olmadığı için çamur oluşumu oldukça azdır. Oluşan çamur, metal hidroksitlerden meydana geldiği için kolayca kararlı hale getirilebilir [55].

 Arıtma işlemi sırasında oluşan floklar büyük ve kararlı yapıdadır. Floklar az miktarda su içerdiği için filtrasyon ile kolayca sudan ayrılabilirler.

 Elektrokoagülasyon ile arıtımı yapılan atık su berrak, kokusuz ve renksizdir.

 Arıtma sisteminde düşük akımlar kullanıldığından, kimyasal madde

ilavesi gerektirmemesinden ve çevreye duyarlı olmasından dolayı yeşil yöntemler arasında sayılabilmektedir.

Atık su arıtımında kullanılan elektrokoagülasyon yönteminin dezavantajları aşağıdaki gibi sıralanabilir.

 Elektrotlar elektrik akımı etkisiyle sürekli çözüneceği için bir süre sonra tükenecektir ve periyodik olarak değiştirilmelidir. Ayrıca atık su içerisindeki çözünmüş maddelerin oksidasyonu sonucu elektrotlar kolayca oksitlenebilir.

 Organik madde içeren atık suyun arıtılması sırasında bazı klorlu bileşiklerin parçalanması klor içeriğinden dolayı zor olabilir.

 Proseste anottan çözünme katotta birikme olduğu için, katot üzerinde bir tabaka oluşabilir ve bu durum verimi düşürür. Bunun önlenmesi için kutupların belirli aralıklara değiştirilmesi gerekir.

 Arıtma prosesinde verimin yüksek olması için atık suyun iletkenliğinin yüksek olması gerekmektedir.

3.3.1.1. Akım Yoğunluğunun Elektrokoagülasyona Etkisi

Akım, elektrokoagülasyon yönteminde her bir elektrottan çıkan Fe2+ _{veya Al}3+ iyonlarının miktarı ile belirlenmektedir. Fazla akım, küçük elektrokoagülasyon ünitesi anlamına gelmektedir [48]. Yani, akım verimindeki düşüşe çok yüksek akım yoğunluğu neden olmaktadır. Alüminyum elektrotların akım verimi amfoter bir metal olmasından dolayı demir elektrotlara göre daha fazla fazladır. Akım verimi alüminyum için % 130-

140, demir için ise % 100 olarak bulunmuştur. EK yöntemi uzun süre, kesintisiz ve verimli çalışması için önerilen akım yoğunluğu 2-3 mA/cm2_{’dir. Ayrıca akım} yoğunluğunu belirlenirken pH, sıcaklık ve akış hızı gibi parametrelerde dikkate alınmalıdır. Bu nedenle EK yönteminde atık suyun arıtımı üretilen iyonların miktarına, sisteme verilen akıma ve zamana bağlı olarak değişmektedir. Elektriksel yük maksimum değere ulaştığında akımı arttırmak çıkış suyunun kalitesini etkilemez [62].

3.3.1.2. İletkenliğin Elektrokoagülasyona Etkisi

Elektrokimyasal yöntemler elektrot yüzeyinden çözünüp çözeltiye geçen ve çözelti

içinde ise iyon transferi ile gerçekleşen reaksiyonlara dayanmaktadır.

Elektrokoagülasyon yönteminde atık suyun iletkenliğini arttırmak için tuz kullanılır. Kullanılan tuz (NaCl), elektriksel yükleri taşımasının dışında, sülfat (SO42-_{) ve} bikarbonat (HCO3-) gibi anyonların olumsuz etkilerini de ortadan kaldırırlar [63].

İletkenliğin fazla olması genellikle hücrenin voltajında akım yoğunluğunun artmasına sebep olmaktadır; aynı şekilde sabit akım yoğunluğunda ise atık su iletkenliğinin artmasıyla hücrenin voltajında düşüş gözlemlenmektedir.

Karbonat ve sülfat iyonları, elektrotların yüzeyinde Ca2+ _{ve Mg}2+ _{iyonlarını çökelterek} yalıtılmış bir tabaka oluşturmasına neden olur. Bu tabaka, akım verimini önemli ölçüde düşürür. Yalıtkan tabaka oluşumunun engellenerek, yöntemin verimli çalışmasının sağlanması için, sistemde bulunan anyonların en az % 20’sinin klor iyonu olması gerekmektedir.

Sisteme dışarıdan eklenen tuz, iletkenliğin artmasını sağladığı için güç tüketiminde azalmaya neden olur. Bunun yanında elektrokimyasal yollarla oluşan klor, atık suyun dezenfeksiyonunu sağlaması açısından önemlidir [50].

3.3.1.3. pH’ın Elektrokoagülasyona Etkisi

Elektrokoagülasyon sisteminde, çözelti içindeki iyonlar ve onların etkileşimde olduğu kirlilikler için pH çok önemlidir. pH’ın atık suya etkisi, akım verimi ve metal hidroksit oluşumuna bağlıdır. İletkenliğin yüksek olduğu durumlarda pH’ın etkisi önemli değildir [64]. Yapılan çalışmalarda kirleticilerin giderimi konusunda Al ve Fe elektrotlarda optimum değer pH 7’dir [65]. Ayrıca, enerji tüketimi iletkenliğin değişiminden dolayı nötral pH’da yüksektir.

göstermektedir. Asidik olan atık suyun pH’ında ki artış, katot üzerinde oluşan hidrojenden kaynaklanmaktadır. Anot çevresinde Al(OH)3 oluşumu H+ _iyonlarını serbest bırakarak pH’ın düşmesine sebep olmaktadır [48]. Klor bulunması durumunda gerçekleşen reaksiyonlar aşağıdaki gibidir.

2𝐶𝑙− _{− 2𝑒}− _{→ 𝐶𝑙}

2 (3.20) 𝐶𝑙₂ + 𝐻₂𝑂 → 𝐻𝑂𝐶𝑙 + 𝐶𝑙− + 𝐻+ (3.21) 𝐻𝑂𝐶𝑙 → 𝑂𝐶𝑙− + 𝐻+ (3.22) Sistem boyunca yukarıdaki reaksiyonlarda görüldüğü gibi hidrojen oluşmasıyla çıkış suyunun pH değerlerinde artış meydana gelir. pH artışıyla hidrojen kabarcıkları CO2’nin açığa çıkmasına ve elektrotlardan çözünen Fe2+_{, Fe}3+ _{veya Al}3+_{’ün çökmesine neden} olmaktadır.

Bazik pH’larda, oluşan hidroksitlerin çökmesi ve alüminyum hidroksitlerin, Al(OH)4- oluşturması ile çıkış suyunun pH’ının düşmesine neden olmaktadır [66].

3.3.1.4. Sıcaklığın Elektrokoagülasyona Etkisi

Elektrokoagülasyon yönteminde akım veriminin sıcaklığa etkisi için Sevil Veli ve ark yaptığı çalışmada 60⁰_{C’ye kadar arttığı fakat sıcaklığın daha fazla artmasıyla akım} veriminde düşüş meydana geldiği gözlenmiştir [67]. Daha yüksek sıcaklıkta, Al(OH)3 çökeltilerinin çözünürlüğündeki artış ve kararsız flok oluşumu gözlenebilir [68]. Ancak sıcaklığın, iletkenlik ve akım verimi üzerindeki etkisi farklı olmaktadır. İletkenliğin sıcaklıkla doğru orantılı artması ile enerji tüketiminin minimum olması sağlamaktadır [50].