Kullanılan Malzemeler Kimyasallar Kimyasallar

 Boyar madde içeren atıksu (10 mg/L metilen mavisi)

 Aktif karbon

Cihazlar

 Manyetik karıştırıcı düzeneği

 Spektrofotometre (650 nm)

 50 mL Erlenmayer

 Kronometre

 Filtrasyon düzeneği

5.4.3 Teori

Adsorpsiyon, maddelerin adsorban katısının veya sıvının yüzeyine toplanmasıdır. Yüzeye tutunan madde “adsorbat”, bunları adsorplayan katı ya da sıvı “adsorbent” olarak isimlendirilir.

Adsorpsiyon fiziksel ve kimyasal adsorpsiyon olmak üzere ikiye ayrılır. Fiziksel adsorpsiyonda etkileşim zayıf bağlar ve çekim kuvvetleri sonucu meydana gelir. Fiziksel adsorpsiyonda etkili olan kuvvet Van Der Waals kuvvetleridir. Kimyasal adsorpsiyon ise adsorbat ile absorbent arasında kimyasal reaksiyon oluşması, elektron alış verişi olması sonucunda meydana gelir.

Fiziksel adsorpsiyonda bağ kuvvetleri moleküller arasında olurken kimyasal adsorpsiyonda moleküller içindedir. Fiziksel adsorpsiyonun kimyasal adsorpsiyona karşı en büyük üstünlüğü tersinir olmasıdır. Yani fiziksel adsorbent rejenere edilip yeniden kullanılabilirken kimyasal adsorbent rejenere edilebilirliği etkileşimde olduğu adsorbata göre değişir.

Fiziksel adsorpsiyonda etkileşim hızlı gerçekleşirken kimyasal adsorpsiyonda etkileşim hızı sıcaklığa bağlı olarak değişir. Adsorpsiyonda, adsorbentin özellikleri, yüzey etkileşimleri,

30

adsorbat ve çözücünün özellikleri ve sistemin özellikleri önemli etkenlerdir. Aktif karbon, kitosin, zeolitler, killer, bazı endüstriyel atıklar ve tarımsal atıklar adsorbent olarak kullanabilen materyallerdir.

Bunların arasında aktif karbon en çok kullanılan adsorbenttir. Aktif karbon, yapısında ağırlıklı olarak karbon atomu bulunan (%85 – %95) gözenekli yüzeye sahip, tabakalı yapıda ve insan sağlığı için zararsız bir maddedir (Şekil 5.5).

Şekil 5.5 Aktif karbonun yüzey yapısı

Ahşap, talaş, meyve çekirdekleri, hindistan cevizi kabuğu, kömür ve linyit aktif karbon üretiminde kullanılan maddelerdir. Aktif karbonun gözeneklerinin alanı yüzey alanın kat ve kat fazlasıdır ve adsorpsiyon işleminin büyük bir çoğunluğu bu gözeneklerde gerçekleşmektedir.

Aktif karbon toz veya granül şeklinde ticari olarak satılmaktadır. Adsorpsiyon işlemi sırasında sistem dengeye geldiği anda, adsorban maddenin birim kütlesinin adsorpladığı kirletici madde miktarı, sıcaklık, derişim, basınç veya denge basıncının bir fonksiyonudur. Sıcaklığın sabit tutulduğu durumlarda bu fonksiyon aşağıdaki denkleme eşittir;

(5.7) Burada;

x : adsorplanan kirletici kütlesi m: adsorbentin kütlesi

X: kütle oranı (birim adsorbent kütlesi başına düşen adsorplanan kirletici kütlesi)

31

Bu fonksiyon sayesinde elde edilen eğrilere adsorpsiyon izotermi adı verilir. Bu izotermler için önerilen bazı matematiksel modeller vardır. Bunlardan bazıları Freundlich, Langmuir, Polonyi, Sylgin-Frumkin, Hill, Temkin, Fowler ve BET (Brunauer, Emmett, Teller) izotermleridir.

Freundlich ve Langmuir izotermleri diğer izotermlere göre daha çok kullanılmaktadır.

a) Langmuir İzotermi

Langmuir İzotermi aşağıdaki denklemle ifade edilir;

(5.8)

Burada;

a: adsorbentin maksimum adsorplama kapasitesi (sabit) Ce: sistem dengedeyken çözeltide kalan kirletici derişimi K : Langmuir adsorpsiyon sabiti

Bu denklem gerekli düzeltmeler yapılıp dorusallaştırılırsa aşağıdaki denklem elde edilir;

(5.9)

Bu denkleme göre y ekseninde ve x ekseninde Ce değerleri olacak şekilde grafik çizilirse, grafiğin eğimi değerini, eğrinin y eksenini kestiği nokta ise değerini verir.

Şekil 5.6 Langmuir izoterm sabitlerinin bulunması

32 b) Freundlich İzotermi

Freundlich izorterm denklemi:

(5.10)

Burada;

K: Freundlich sabiti

Ce: sistem dengedeyken çözeltide kalan kirletici derişimi n: sabittir ( n > 1 )

Eğer bu denklemin logaritması alınıp doğrusallaştırılırsa aşağıdaki denklem elde edilir.

(5.11)

y ekseninde ve x ekseninde Log Ce değerleri olacak şekilde grafik çizilirse, grafiğin eğimi 1/n değerini, eğrinin y eksenini kestiği nokta ise Log K değerini verir.

Şekil 5.7 Freundlich izoterm sabitlerinin bulunması

33 5.4.4 Deneyin Yapılışı

- 5 adet 50 mL 10 mg/L metilen mavisi içeren atıksu erlenlere alınır.

- 0.20, 0.13, 0.10, 0.07 ve 0.05 g aktif karbonlar tartılır.

- 50 mL’lik atıksular manyetik karıştırıcılara yerleştirilir ve sırasıyla içlerine tartılan aktif karbonlar eklenir.

- Her bir erlene bir adet balık atılır ve manyetik karıştırıcılar çalıştırılır.

- Her bir numuneden 15 dakikada bir 5 mL örnek alınır, örnek alınmadan 1 dakika önce karıştırıcı durdurularak aktif karbonun çökmesi beklenir, alınan numunelerin 650 nm dalga boyunda spektrofotometrede ölçümleri yapılır.

- Elde edilen sonuçlar ilgili çizelgelere kaydedilir.

- Bu işlem 90 dakika sürdürülür.

- Numuneler 90. dakika sonunda denge derişimine ulaşamadıkları için 120, 150 ve 180. dakika örnekleri için boyarmadde derişim sonuçları deneyin sorumlu asistanı tarafından verilecektir.

5.4.5 Hesaplama

Tablo 5.5 Kalibrasyon eğrisi

Derişim (mg/L)

Absorbans (abs.)

Tablo 5.6 Deneysel veriler

Zaman (dk) Absorbans (abs.)

Derişim (mg/L)

34

Tablo 5.7 Freundlich ve Langmuir izotermleri sabitlerinin hesaplanması Langmuir İzotermi Freundlich İzotermi

Eğrinin Denklemi R² K a Eğrinin Denklemi R² K n

5.4.6 Değerlendirme

- Tablo 5.5 yardımı ile kalibrasyon eğrisini çiziniz, Tablo 5.6’yı kullanarak her bir örnek için X değerlerini hesaplayınız.

- Deneylerde aktif karbon yerine başka hangi adsorbentler kullanılabilir, deney sonucu elde ettiğiniz veriler hangi izoterme daha uygundur?

35 5.5 ELEK ANALİZİ

5.5.1 Deneyin Amacı

Eleme işlemi ile farklı boyut gruplarında bulunan tane miktarını belirleyerek, granülometri eğrisi yardımıyla malzemeye ait karakteristik çapların tespit edilmesi.

5.5.2 Kullanılan Malzemeler

Cihazlar

 Değişik elek açıklıklarına sahip elekler

 Otomatik sallama makinesi

 Terazi

 Numune Kabı

 Kum

5.5.3 Teori

Eleme katı bir malzeme karışımını elekler kullanarak farklı boyutlardaki bileşenlerine ayırma işlemidir. Eleme işleminde kullanılan elekler büyüklüklerine göre sınıflandırılırken “meş numarası” kavramı kullanılır. Meş numarası bir elekte birim alan (inç² veya mm²) başına düşen delik sayısını göstermektedir.

Doğada bulunan veya işlenmiş malzemelerde farklı boyut dağılımına ve şekillere sahip taneler bulunmaktadır. Parçacıkların boyut analizi, farklı boyut gruplarında bulunan tane miktarının belirlenmesiyle birlikte sonraki işlemler içinde önem teşkil etmektedir. Boyut dağılımını belirlemek için birçok farklı yöntem mevcuttur.

Bu yöntemlerin içinde en çok tercih edileni uygulanabilirliğinin kolay olması nedeniyle elek analizidir (Şekil 5.8). Çakıl ve kum boyutundaki iri yapılı taneciklerde elek analiz tercih edilir.

Silt ve kil boyutundaki ince taneli yapılarda ise hidrometre analizi uygulanmaktadır.

Akarsulardaki tanelerin biçimi küresel olmadığı için tane büyüklüğünü temsil eden karakteristik bir çap tanımlanması gerekir. Bu çap çeşitli şekillerde seçilebilir:

a) Elek çapı: Tanenin geçebildiği en küçük elek açıklığıdır. Kum ve daha iri tanelerin çapı

36

çoğu zaman elek analizi ile ölçüldüğü için elek çapı ile belirtilir.

b) Çökelme çapı: Aynı akışkanda söz konusu tane ile aynı çökelme hızı ile çökelen, aynı yoğunluktaki küresel tanenin çapıdır. Standart çökelme çapı 24 °C’deki suda ölçülür. Silt ve killer için elek analizi yapılamadığından çap çökelme deneyiyle (ya da mikroskobik analizle) belirlenir ve çökelme çapı kullanılır. Hidrolik bakımdan en anlamlı çaptır.

Şekil 5.8 Parça Boyut Dağılımını Belirleme Yöntemleri

c) Nominal çap: Tane ile aynı hacimdeki kürenin çapıdır. Sediment yığınlarının hacminin belirlenmesinde kullanılır. Nominal çap elek çapından biraz büyüktür, 0.2-20 mm arasındaki taneler için iki çap arasındaki oran 1.1 kadardır.

Aşağıdaki tabloda partiküllerin çaplarına göre sınıflandırılması sunulmuştur.

Tablo 5.8 Tanelerin büyüklerine göre sınıflandırılması

Adı D Tane Çapı (mm)

Kaya >250

İri Taş 60-250

Çakıl 2-60

Kaba Kum 0.5-2

Orta Kum 0.25-0.5

İnce Kum 0.06-0.25

Silt 0.004-0.06

Kil <0.004

37

Farklı büyüklükte taneler bir arada bulunduğunda tane büyüklerinin dağılımını bilmek gerekir.

Bu dağılım granülometri eğrisi yardımıyla belirlenebilmektedir (Şekil 5.9). Bunun için yatay eksende tane büyüklüğü, düşey eksende belli bir çaptan küçük (ya da büyük) tanelerin yüzde olarak ağırlığı işaretlenir. Tane büyüklüğü için yatay eksende genellikle logaritmik ölçek kullanılırken, düşey eksende normal dağılım ölçeği kullanılmaktadır. Bir granülometri eğrisinden, malzemelerin % 50’sini geçiren çap D50 (medyan çap) kolaylıkla okunabilir.

Şekil 5.9 Granülometri Eğrisi 5.5.4 Deneyin Yapılışı

- Partikül boyut dağılımı incelenecek olan numuneyi tartarak ağırlığını Tablo 4.12’de yer alan ilk satıra kaydediniz.

- Elekleri numaralarına göre büyükten küçüğe doğru sıralayınız.

- Eleklerin numaralarını, mesh açıklıklarını ve elek ağırlıklarını Tablo 4.12’ye yazınız. Ayrıca eleklerin en altına yerleştirilen kör eleğin ağırlığını da yazınız.

- Hazırlanan elek setini, elek sallama makinesine yerleştiriniz.

- Tartılan numuneyi en üstteki eleğe koyarak kapağı kapatınız.

- Elek setinin vidalarını sıkıştırınız.

- Eleme işleminin gerçekleşmesi için elek sallama makinesini çalıştırarak yaklaşık 5 dakika bekleyiniz.

- Elemeden sonra her bir eleği üzerindeki malzeme ile tartarak Tablo 4.12.’ye not ediniz.

- Deney düzeneğini temizleyiniz.

38 5.5.5 Hesaplamalar

- Elek açıklıklarına göre deneyde kullandığınız elekleri yazınız.

- Deney sonuçlarınızı aşağıdaki Tablo 5.9 ve Tablo 5.10 formatında oluşturunuz.

- Tane boyut aralığı ve % madde miktarı değişimini veren boyut dağılım grafiği granülometri eğrisini çiziniz.

39

- Granülometri eğrisinden malzemeye ait karakteristik çaplardan D10, D30, D50 ve D60 değerlerini belirleyiniz.

- Uniformluk ve süreklilik katsayısını hesaplayınız.

(Uniformluk Katsayısı , Süreklilik Katsayısı

5.5.6 Değerlendirme

- Bir malzemenin boyut analizini yaparken elek açıklıklarının seçiminde nelere dikkat edilmesi gerekir? Sizin yapmış olduğunuz deneyde elek açıklıklarını değiştirir miydiniz? Neden?

- Hesaplamalarınızda elde ettiğiniz uniformluk ve süreklilik katsayıları kullandığınız malzemenin partikül boyut dağılımı hakkında ne tür bir bilgi sağlar?

40 5.6 MODEL ÇÖKELME TANKI

5.6.1 Deneyin Amacı

Model çökeltme tankındaki verimin belirlenmesi.

5.6.2 Kullanılan Malzemeler ayırma yöntemidir. Çöktürme işlemleri çevre mühendisliğinde su ve atıksuların arıtımında en çok kullanılan işlemlerdir. Su ve atıksu ortamında bulunan tüm kirlilikler nihai olarak katı madde olarak çöktürülerek ortamdan uzaklaştırılırlar.

Çökelme, suda bulunan katı maddelerin ağırlıkları etkisiyle, su ortamından ayrılma olayı olmasına rağmen, katı maddeler çökelme esnasında farklılık gösterirler. Taneciklerin derişimi ve tanecikler arası etkileşim temelinde dört genel sınıfa ayrılabilir. I. tip çökelme, ya da serbest çökelme seyreltik bir çözeltide, yumaklaşmamış, ayrık taneciklerin çökelmesidir. Tanecikler ayrı birimler şeklinde çökelir ve aralarında görünür bir yumaklaşma ya da etkileşme yoktur. Yüzey sularının kendiliğinden çökelmesi ve kum tutucularda kum taneciklerinin çökelmesi örnek olarak gösterilebilir. II. tip çökelme, yumaklaşmış taneciklerin çökelmesidir. Çökelme süresince tanecikler yumaklaşarak boyutları büyür ve daha hızlı çökelir. II. tip çökelmeye örnek olarak, atıksuların birincil çökelmeleri, kimyasal olarak pıhtılaştırılmış su ve atıksuyun çökelmeleri gösterilebilir. III. tip çökelme, engelli çökelme olarak da bilinir. Tanecikler arası kuvvetlerin diğer taneciklerin çökelmesini engellemesi ile oluşan bir çökelme tipidir. Çevre mühendisliği

41

uygulamalarında bu çökelme türüne, biyolojik çökelme (son çöktürme) ve ikincil arıtma birimlerinde rastlanmaktadır. IV. tip çökelme, birbirlerine değecek kadar yüksek derişimlerde bulunan taneciklerin çökelmesidir ve sıkışık çökelme olarak da adlandırılır. Hem ayrık hem de yumaklaşmış tanecikler sıkışık şekilde çökelmekle birlikte yumaklaşmış olanların bu şekilde çökelmesi ile daha sık karşılaşılır.

İçme sularının artımında, evsel ve endüstriyel atıksularda, askıda katıların çöktürülmesinin sağlanması için farklı tipte çökeltme tankları kullanılmaktadır. Genellikle betonarme olarak yapılırlar, dairesel, dikdörtgen ya da kare kesitli olabilir. Hem su hemde atıksu arıtımında kullanılan havuzlarda çökeltme ilkeleri aynıdır, donanım ve işletme yöntemleri de birbirine benzemektedir.

5.6.4 Deneyin Yapılışı

a) Deney perdeli olarak gerçekleştirileceği için, vidaları yardımıyla perde giriş bendinden 5 cm uzaklıkta, derinlik olarak su yüzeyinden 9 cm aşağıya gelecek konumda sabitlenir.

b) Besleme tankı vanası kapalı, bypass vanasının açık konumda olması kontrol edilir.

c) Besleme tankındaki model atıksuyun karışmasının sağlanması için pompa çalıştırılarak bir süre beklenir.

d) Drenaj vanası kapatılarak, besleme tankı vanası açılır ve tankın tamamen dolması sağlanır.

e) Tank tamamen dolduktan sonra, tanktaki bekleme süresi 90 dakika olacak şekilde besleme tankından gelmesi gereken debi miktarı hesaplanır.

f) Hesaplanan debiye göre, besleme tankı vanası ayarlanır ve deney başlatılır.

g) Deneyin başladığı anda besleme tankından ve sonrasında 5, 10, 20, 30, 50, 70 ve 90.

dakikada bir tankın girişinden 30, 70 ve 100 cm mesafe uzaklığından numuneler alınıp türbidimetrede okunur, bulanık değerleri Tablo 5.11’e kaydedilir.

h) Bypass vanası yardımıyla çökeltme tankındaki su besleme tankına alınarak deney tamamlanır.

42

Şekil 5.10 Deney Düzeneği

Belgede Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü ENV 313 Fiziko-Kimyasal Prosesler Laboratuvarı Deney Föyü (sayfa 30-43)