İnce-film fotokataliz prosesi ile antibiyotik gideriminin modellenmesi: Temel proses

3.7.1.1 Deneysel koşullarının tekrar edilebilirliği

Bu bölümde yürütülen tüm çalışmalar model SMX antibiyotiği ile yürütülmüştür. Periyodik olarak yapılan ölçümlerde, UV-A ışınlarının sebep olduğu sıcaklık artışı ve fotokataliz prosesine olan etkileri değerlendirilmiştir. Yürütülen deneysel çalışmalarda tekrar edilebilir koşul ve sonuçların elde edilmesi hedeflendiğinden, sıcaklığın etki türü ve seviyesi deneysel çalışmalarla ortaya konulmuştur (Malato ve ark. 2002; Marugán ve ark. 2011).

Yeni üretilen ince-filmler ile yürütülen çalışmalarda ilk 2-3 kullanım boyunca (3-4 saatlik kullanım) fotokatalitik aktivitede dalgalanmalar görülmüştür. Bu nedenle, çalışmalar öncesinde sabit bir ön işleme tabi tutulmaları gerektiğine karar verilmiştir. Bu duruma literatürde TTIP temelli ince-filmler ile yürütülen fotokataliz prosesi sonuçlarında rastlanmaktadır (Miranda-García ve ark. 2010). Bu nedenle ince-film yüzeyindeki safsızlıkların giderilmesi amacıyla literatürde önerilen ve karşılaştırmalar sonucu optimum olduğuna karar verilen UV-A altında H2O2 + distile su rejenerasyon yönteminin uygulanmasına karar

89

deneysel çalışma öncesinde (antibiyotik giderimi- bakteri inaktivasyonu vb.) yeni üretilmiş ince-filmlere standart olarak uygulanmıştır.

Ardışık 4 fotokatalitik antibiyotik bozunum çalışmasına ait verimlilikler karşılaştırılmıştır. Yalnızca distile su ile yüzey temizleme işleminin, H2O2+Distile su ve H2O2+Distile su + UV-

A yöntemleri ile karşılaştırılması sonucu, rejenerasyon yöntemi seçiminin önemi belirlenmiştir.

3.7.1.2 Fotokataliz prosesi ile antibiyotik gideriminin toplam sıvı hacmi ve debi ile ilişkisi

İnce-film fotokataliz prosesi üzerinde etkisi olan bir diğer mekanizma kütle transferidir. Kütle transferi mekanizması sistemde geçerli akış koşulları ve debi ile yakından ilişkilidir (Vezzoli 2012; Zalazar ve ark. 2005). Bu nedenle bu çalışmada, fotokataliz prosesinin farklı debilerde sağladığı fotokatalitik aktiviteleri karşılaştıran bir yaklaşım izlenmiştir. Böylece sistemin kütle transferi kısıtlayıcılığı altında olup olmadığı ortaya konulmuştur. İF-fotokataliz prosesi ile SMX antibiyotiği giderimi çalışmaları 85-220 mL/dakika debi aralığında, 25-150 dak-1

Reynolds sayısı sınırlarında gerçekleştirilmiştir. PPL fotoreaktörün hidrolik çapı, geniş düz kanal geometrisi için geliştirilmiş formüle uygun olarak hesaplanmıştır. Bu formülde, D değeri sıvı akışının gerçekleştiği iki yüzey arasındaki genişliğin 2 katı olarak kabul edilmektedir. 1mm ‘lik sıvı akış kanalı yüksekliği değerinin 2 katı alınarak, 2 mm olarak hesaplamalarda kullanılmıştır (Vezzoli 2012; Perry ve ark. 1997). Kinematik viskozite 1,0126*10-6 _m2_.s-1 _ve

reaktörün fotokatalitik olarak aktif bölgesinin kesit alanı 9,8*10-5 _m2 _{olarak alınmıştır.}

PPL fotoreaktörünün işletme koşulları kesikli geri dönüşlü olarak tanımlanmıştır. Sabit hacimde sıvının reaktör boyunca sürekli akışı, besleme tankına geri devri ve reaktöre tekrar beslenmesi ile sağlanmıştır. Sıvı hacminin sabit tutulup debinin değiştirildiği koşullar ve sabit debide farklı toplam sıvı hacminde yürütülen deneysel çalışmalarda elde edilen fotokatalitik antibiyotik bozunumu seviyeleri karşılaştırılmıştır. İki yaklaşımda da, deneysel çalışmalarda sıvının birim sürede (toplam proses süresi) sistemde sirküle edilme sayıları üzerinden karşılaştıırlabilir deneysel koşullar sağlanmıştır. Böylece sistem verimliliğinin debiye ve toplam hacime bağlılığı karşılaştırmalı olarak ifade edilmiştir.

Periyodik olarak besleme tankından alınan numunelerde antibiyotik bozunumu seviyeleri HPLC analizleri ile takip edilmiştir. Debiye ve başlangıç hacmine bağlı reaksiyon hızındaki değişim Bölüm 4.3.1.1’ de Çizelge 4.11’ de ifade edilmektedir.

90

3.7.1.3 Faktöriyel deneysel tasarım

Minimum sayıda deneysel çalışma ile proses değişkenlerinden kaynaklı fotokataliz proses verimliliği sonuçlarını değerlendirebilmek amacıyla, deneysel çalışmalar faktöriyel deneysel dizayn ile planlanmış ve istatistiksel olarak değerlendirilmiştir. Bağımsız parametrelerin aldıkları farklı seviyelerde değerler ile fotokatalitik verimliliğie olan etkileri, bakteri inaktivasyonu ve antibiyotik giderimi üzerinden ayrı çalışmalarla değerlendirilmiştir. SMX antibiyotiği ile yürütülen çalışmalarda, deneysel dizayn 25 _{tam deneysel setten oluşan 32}

deneysel çalışmadan oluşmaktadır. Deneysel çalışmalar rastgele bir sıra ile gerçekleştirilmiştir ve her bir koşul için bağımsız parametrelerin geçerli değerlerini de içerecek şekilde sonuçlar bölümünde 4.3.3 başlığı altında Çizelge 4.15’ te ifade edilmektedir.

Deneysel çalışmalar 5 farklı proses parametresinin 2 şer seviyesinde gerçekleştirilmiştir, bunlar;

Başlangıç antibiyotik konsantrasyonu: Hedef kirletici konasntrasyonu fotokataliz

prosesine etki eden faktörlerr arasındadır. Literatürde de sıklıkla benzer çalışmalarda etki seviyesi belirlenen parametreler arasında tanımlanmıştır.

- Çözücü ortam özellikleri: Fotokataliz prosesine etki eden bir çok çözücü ortam içeriği literatürde rapor edilmiştir. Bu konu ile ilgili bilgi ve tartışma doktora çalışması literatür araştırması kapsamında “2.5.2.1” başlığı altında verilmektedir. Çözücü ortam özelliklerindeki farklılıktan kaynaklı fotokatalitik giderim veirmi değişimini izlemek amacıyla, ultra saf su ve ikincil arıtma çıkışından alınan numuneler ile antibiyotik çözeltisi hazırlanması şeklinde bir yaklaşım izlenmiştir. Böylelikle özellikle sülfat (SO4-2), nitrat

(NO3-) ve organik madde konsantrasyonunun YSF prosesi ile antibiyotik giderimine olası

etkisinin ortaya konulması hedeflenmiştir. Faktöriyel deneysel tasarım yaklaşımında, 25

deneysel koşula ilave olarak 4 tekrar olarak tüm parametreler için tanımlanan düşük/yüksek değerlerin aritmetik ortalaması koşullarında deneysel çalışmalar yürütülmüştür. Çözücü ortam özelliklerinde bu koşulu sağlamak amacıyla, evsel atıksu arıtma tesisi ikincil arıtma çıkışı numunesi distile su ile seyreltilerek bu orta deneysel koşul elde edilmiştir. Ultra saf su ve evsel atıksu ikincil aritma çıkışı numunesine ait karakterizasyon sonuçları Çizelge 4.12’ de sunulmaktadır.

91

- Proses süresi: Proses süresi aralığının belirlenebilmesi amacıyla ön-deneysel çalışmalarda elde edilen antibiyotik giderimi sonuçlarından yararlanılmıştır.

- UV enerji seviyesi: UV-A enerjisi parametresi için uygun aralık belirlenirken, ön deneysel çalışma sonuçlarından yararlanılmıştır. Farklı UV-A enerjisi seviyelerinde yürütülen çalışmalara ait SMX antibiyotiği giderim verimleri değerlendirilerek uygun aralığa karar verilmiştir. Ölçülebilir ve anlamlı oranda antibiyotik gideriminin görülmeye başlandığı proses süresi ile, %90 üzerinde antibiyotik gideriminin sağlandığı proses süresi aralığı referans alınmıştır.

- UV enerjisi uygulanan yüzey alanı: UV-A enerjisi uygulanan fotokatalizör kaplı cam yüzey, YSF uygulamaları için fotokatalizör konsantrasyonu ile eşdeğer anlam ve öneme sahiptir. Bu nedenle yürütülen çalışmalarda, UV enerjisinin tek başına fotokatalitik giderim verimliliğine olan etkisi dışında, uygulandığı yüzey alanı etkisi de hesaba katılmıştır. 2n faktöriyel dizayn yaklaşımında, 2 seviyeden oluşan faktör etkilerinin lineer olarak kabul edilmektedir. Burada 2n faktöriyel tasarımda, mevcut deneysel koşullar arasında belirlenen orta noktalarda deneysel çalışmaların tekrarlanması yaklaşımı öne çıkmaktadır. Böylece bağımsız hata payının belirlenebilmesi mümkün hale gelmektedir. Belirlenen orta değerler 2n

dizaynındaki olası tahmini etki seviyelerinde bir değişikliğe neden olmayacaktır. Bu amaçla proses parametrelerinin(faktörlerin), yüksek ve düşük değerlerinin aritmetik ortalamaları baz alınarak, orta değerleri sağlayan deneysel koşullarda 4 tekrar deneysel çalışma yürütülmüştür (Montgomery, 2008).

Proses parametrelerinin etkisi, Sulfametoksazol antibiyotiğinin fotokatalitik bozunum verimliliği ile ilişkilendirilerek istatistiksel olarak değerlendirilmiştir. Fotokatalitik bozunum kütlesel olarak oksitlenen SMX antibiyotiği miktarı ile ifade edilmiştir. Elde edilen ampirik model denkleminin tahmini sonuçları ile deneysel sonuçların uyumluluk seviyeleri ayrıca istatistiksel olarak değerlendirilmiştir. Modelin PPL fotoreaktörde farklı antibiyotiklerin bozunu oranlarını tahmin etmede geçerliliği Levofloksasin ve Sefaklor antibiyotikleri ile yürütülen deneysel çalışma sonuçları ile teyid edilmiştir.

3.7.2 Fotokataliz prosesi ile bakteri inaktivasyonu modellenmesi: Temel proses