Tekstil endüstrisi at ksular n ar nda elektrokoagülasyon uygulamalar

Elektrokoagülasyon prosesi ile yap lan çal malar genellikle laboratuvar ölçekli (Can ve ark., 2003; Zhang ve ark., 2009; Aleboyeh ve ark., 2008; Yavuz ve ark., 2011) ve s rl say da pilot ölçekli (Canizares ve ark., 2007; Parsa ve ark., 2009; Phalakornkule ve ark., 2010) olarak gerçekle tirilmi tir.

Laboratuvar ölçekli elektrokoagülasyon prosesleri ile yap lan ar labilirlik çal malar 100 mL (Zaroual ve ark., 2006), 200 mL (Khataee ve ark., 2009), 250 mL (Daneshvar ve ark., 2006), 500 ml (Zidane ve ark., 2008) gibi çok küçük hacimlerde gerçek at ksu veya sentetik at ksu kullan larak yürütülmü tür.

Elektrokoagülasyon sistemlerinde, laboratuvar uygulamalar nda güç kayna kullan larak elektrokoagülasyon reaktörlerine do ru ak m (El-Ashtoukhy ve Amin, 2010) veya alternatif ak m (K rlaro lu, 2008) verilmektedir.

Elektrokoagülasyon proseslerinde göreceli olarak küçük yüzey alan na sahip, örne in, kare kesitli 47 mm x 47 mm x 1 mm demir elektrot (Chafi ve ark., 2011) ve 100 mm x 100 mm x 2 mm paslanmaz çelik elektrot (Kim ve ark., 2002), dikdörtgen kesitli 60 mm x 50 mm x 1 mm alüminyum elektrot (Aouni ve ark., 2009), silindirik 119 mm uzunlu unda, 10.2 mm çap nda çelik elektrot (Kabda ve ark., 2009) kullan larak olu turulmu deneysel düzenekler mevcuttur.

Elektrokoagülasyon deneylerinde beher ölçekli (Raghu ve Basha, 2007; Chang ve ark., 2010) çal malar n yan nda yal tkan bir malzeme olan pleksiglas malzemeden farkl boyutlarda olu turulmu (130 mm x 130 mm x 125 mm, Eyvaz ve ark., 2009; 120 mm x 110 mm x 110 mm, Bayramo lu ve ark., 2007) elektrokoagülasyon reaktörleri de kullan lm r.

Elektrokoagülasyon prosesinde renk giderim verimleri, boyarmaddeye özgü maksimum absorbans de erinin ölçüldü ü dalga boyunda (Reaktif Siyah 5 için

max=591 nm, engil ve Özacar, 2009; Dispers Sar 218 için max=428 nm, Yang ve

McGarrahan, 2005) veya sar (436 nm) k rm (525 nm) ve mavi (620 nm) rengi temsil eden üç dalda boyunda (Arslan-Alaton ve ark., 2008b; Zaroual ve ark., 2006) yap lan absorbans de erleri kullan larak hesaplanm r.

Reaktif, dispers, asit vb. boyarmaddeler kullan larak yap lan boyama i lemleri ras nda boyarmadde türüne ba , boya banyolar na ilave edilen yard mc kimyasal maddeleri içermeden haz rlanan sentetik at ksular kullan larak yürütülmü çok say da çal ma vard r. Bu çal malar, gerçek at ksular ile yap lacak elektrokoagülasyon

uygulamalar için yönlendirici niteliktedir ve elektrokoagülasyon prosesi ç suyu kalitesine etki eden i letme parametrelerinin uygun de erlerinin belirlenmesi amac yla yap lm r. Ba lang ç pH de eri, ak m yo unlu u, süre, elektrolit türü ve konsantrasyonu gibi i letme parametrelerinin en uygun de erleri boyarmadde ve kullan lan elektrot türüne ba olarak de mektedir. Elektrokoagülasyon prosesinin letme maliyetini ortaya koymak isteyen ara rmac lar yapt klar çal malarda bu yöntemin uygulanabilirli ini hem elektrot tüketimi hem de enerji sarfiyatlar dikkate alarak izah etmi tir.

Ar lmak istenen boyarmadde türü, optimum i letme ko ullar etkileyen faktörlerden en önemlisidir. Farkl kimyasal yap da ve boyama özellikleri farkl olan boyarmaddeler elektrokoagülasyon ile ba ar olarak ar labilmektedir. Elektrokoagülasyon prosesi kullan larak Reaktif Mavi 19 (Song ve ark., 2008), Reaktif Turuncu 64 (Kobya ve ark., 2006), Reaktif Sar 84 (He ve ark., 2007), Dispers Sar 218 (Yang ve McGarrahan, 2005), Dispers K rm 1 (Phalakornkule ve ark., 2010), Dispers Mavi 106 ve Dispers Sar 54 (Kim ve ark., 2002), Asit K rm 14 (Daneshvar ve ark., 2004), Asit Mavi 9 (Khataee ve ark., 2009), Bazik Sar 28 (Daneshvar ve ark., 2006), Bazik K rm 29 (Koparal ve ark., 2007), K rm indigo (Secula ve ark., 2011) boyarmaddeler ile haz rlanm sentetik at ksular n ar nda yüksek renk giderimi sa lam r.

Elektrokoagülasyon prosesinde elektrot türüne ba olarak belirlenen optimum artlarda farkl KO ve renk giderim verimleri elde edilebilmektedir. Ayr ca kullan lan elektrot türü ayn boyarmaddenin gideriminde farkl i letme ko ullar ile optimum verimin elde edilmesini sa lar. Malkoç (2008), Reaktif Turuncu 16 boyarmaddesinin ar amac yla alüminyum ve demir elektrotlar kullanarak deneysel çal malar yapm r. Her iki elektrot türü için renk ve KO giderim verimlerinde farkl k gözlemi tir. Optimum artlarda alüminyum elektrotlar için % 79.55 renk, % 60.20 KO , demir elektrotlar için % 99.07 renk ve % 42.26 KO giderim verimi elde edilmi tir. Elektrot türünün de tirilmesi renk gideriminde art ve KO giderim veriminde dü le sonuçlanm r. Elektrokoagülasyon prosesinde optimum artlar, alüminyum elektrotlar için ba lang ç pH de eri 6, ak m yo unlu u 100 A/m2, iletkenlik 500 S/cm ve elektroliz süresi 20 dakika, demir elektrotlar için ba lang ç pH de eri 8, ak m yo unlu u 75 A/m2, iletkenlik 1000 S/cm ve elektroliz süresi 20 dakika olarak belirlenmi tir. Reaktif Turuncu 16 boyarmaddesi alüminyum ve demir elektrotlar gibi farkl elektrotlar kullan larak ar ld nda, i letme artlar nda meydana gelen de iklik

elektrot türüne ba olu an metal hidroksitlerin kirletici giderim mekanizmalar ndaki fark ile aç klanabilir.

Elektrot ba lant ekillerinin de tirilmesi ile elektrotlar n yük durumlar ve hangi elektrotlar n tükenece i belirlenebilmektedir. Elektrotlar tek kutuplu paralel, tek kutuplu seri ve çift kutuplu seri olmak üzere üç farkl ekilde ba lanabilmektedir. Tek kutuplu paralel sistemde güç kayna n (+) ve (-) uçlar elektrotlara s ras yla ba lan r. Bu ba lant sisteminde elektrotlar ard k olarak anot ve katot özelli i gösterir. Tek kutuplu seri sistemde sadece en d kenarlarda bulunan elektrotlar güç kayna na, iç elektrotlar ise bir iletken vas tas yla birbirlerine ba lan r. Her elektrotun anot ya da katot özelli i d elektrot ba lant ile belirlenir ve ard k olarak elektrotlar anot ve katot özelli i gösterir. Çift kutuplu seri sistemde de güç kayna na en d kenarda bulunan iki elektrot ba lan rken, iç elektrotlar n ise ne güç kayna ile ne de kendi aralar nda bir ba lant yoktur. Bu sistemde sadece d taki elektrotlar anot ve katot özelli i gösterirken, içte bulunan her bir elektrotun bir yüzeyi anot di er yüzeyi katot özelli i gösterir.

Eyvaz ve ark. (2006) yapt klar çal mada, elektrot ba lant ekillerinin de tirilmesi ile elektrot materyalinin türüne ba olarak ar tma performans n de ti ini ifade etmi tir. Demir elektrot kullan lmas durumunda, çift kutuplu seri ba lant sisteminin daha verimli oldu unu, alüminyum elektrot kullan lmas durumunda ise, ar tma performans n ba lant eklinden önemli ölçüde etkilenmedi ini ifade etmi tir. Bununla birlikte, özellikle demir elektrot kullan lmas durumunda, pH de imi ba lant ekline ba olarak farkl k göstermi tir. Daneshvar ve ark. (2004), Asit rm 14 boyarmaddesi içeren sulu çözeltinin ar lmas nda bir anot ve katottan olu an elektrokoagülasyon sistemi ile çok elektrotlu elektrokoagülasyon sistemi kar la rm r. Çok elektrotlu sistemlerde daha iyi ar tma performans elde edildi i ifade etmi tir. Renk giderimi dikkate al nd nda, tek kutuplu elektrotlarla olu turulan sistemlerin çift kutuplu elektrotlarla olu turulan sistemlere nazaran daha verimli oldu u, tek kutuplu elektrotlar n seri ba lanmas halinde paralel ba lant ya k yasla daha verimli sonuçlar verdi i ifade edilmi tir. Bayramo lu ve ark., (2007) yapt klar çal mada en ekonomik ve uygulanabilir ba lant sisteminin elektrot materyal türünden ba ms z olarak tek kutuplu paralel ba lant sistemi oldu unu ifade etmi tir.

Elektrokoagülasyon prosesinde, ba lang ç pH de eri ve elektroliz süresi sonunda ölçülen son pH de eri ar m performans üzerine etki eden en önemli faktörlerden biridir. Yap lan çal malarda gerçek tekstil veya sentetik tekstil at ksuyunun bile imine

ve elektrot türüne ba olarak en uygun ba lang ç pH de erinde de im gözlenmektedir. Gerçek tekstil at ksuyu ar nda alüminyum elektrot için pH=5, demir elektrot için pH=7 (Bayramo lu ve ark., 2007), boyarmaddelerin suda çözünmesiyle haz rlanm sentetik at ksular n ar nda Bazik K rm 46 için paslanmaz çelik elektrot ile pH 5.5-8.5 aral nda (Daneshvar ve ark., 2006), Asit Sar 36 için demir elektrot kullan ld nda pH = 8 iken Asit K rm 14 için demir elektrot ile pH 6-9 aral nda (Daneshvar ve ark., 2004), Reaktif Siyah 5 için demir elektrot ile pH = 5 ( engil ve Özacar, 2009), Reaktif K rm 198 için alüminyum elektrot ile pH = 5.5, (Dalvand ve ark., 2011), Dispers K rm C-4G 150 için alüminyum elektrot ile pH 3-10 aral nda, (Gür, 2008), 3 farkl Reaktif boyarmadde ve yard mc kimyasallar kullan larak haz rlanan reaktif boya banyosu at ksular n ar lmas nda alüminyum ve paslanmaz çelik elektrotlar için pH = 5 (Vardar, 2006), 3 farkl dispers boyarmadde ve yard mc kimyasallar kullan larak haz rlanan dispers boya banyosu at ksular n ar nda ise alüminyum ve paslanmaz çelik elektrotlar için pH 3.5-11.5 aral nda (Türko lu, 2007) istenilen renk ve boyarmadde giderimi sa lanm r.

Tekstil boyarmaddesi içeren gerçek veya sentetik at ksular n ar nda renk giderim verimleri alüminyum elektrotlar için zay f asidik ve nötr artlarda, demir elektrotlar için ise nötr ve zay f alkali artlarda daha iyi sonuç verdi i görülmektedir. Buna kar n, Dispers boyarmaddelerin ar lmas nda, ba lang ç pH de erinin di er letme parametreleri ile k yasland nda ar tma performans daha az etkiledi i ve elektrot malzemesinden ba ms z olarak çok geni pH aral nda istenilen ar tma performans sa lad ifade edilebilir (Gür, 2008; Türko lu, 2007).

Ak m yo unlu u elektrokoagülasyon performans etkileyen en önemli faktörlerden biridir. Uygulanan ak m yo unlu una ba olarak birim zamanda tüketilen enerji ve elektrot malzemesi miktar aras nda yüksek bir korelasyon vard r. Bununla beraber at ksu bile imi ile elektrot yüzeyinde meydana gelen reaksiyonlar ve ak m verimlili i dikkate al nd nda do ru orant dan söz edilemez. Ak m yo unlu unun 25’den 250 A/m2’ye artt lmas ile elektrot tüketimi 1 kg boyarmadde için, elektrot tüketimi 0.18 kg’den 0.75 kg’ye, enerji tüketimi ise 6 kWsa’ten 199 kWsa’te yükselmi tir. (Kobya ve ark., 2006).

Kobya ve ark., (2003) Demir ve alüminyum elektrotlar kullan larak yürütülen elektrokoagülasyon deneylerinde ayn KO ve bulan kl k giderim verimleri elde edilebilmesi için alüminyum elektrot kullan lmas durumunda 150 A/m2, demir elektrot kullan lmas durumunda 100 A/m2 ak m yo unlu u uygulanmas gerekti ini ifade

etmi tir. Daneshvar ve ark., (2004) taraf ndan Asit K rm 14 içeren sulu çözeltinin elektrokoagülasyon yöntemiyle renk gideriminin incelendi i deneysel çal mada, ak m yo unlu u 40 A/m2’den 60 A/m2’ye artmas sonucu renk giderim verimi % 52.1’den % 91.2’ye yükseldi i gözlemlenmi tir.

Tekstil endüstrisi reaktif boya banyolar nda boyarmaddenin life tutunmas için NaCI veya Na2SO4 kullan lmaktad r. Na2SO4’ün NaCI yerine kullan lmas daha yüksek

oranda boyarmadde ba lanmas na olanak sa lar ve adsorplanabilen organik halojenlerin olu umunu azalt r. Buna kar n, Arslan-Alaton ve ark., (2009a) reaktif boya banyosu at ksular n elektrokoagülasyon ile ar lmas nda NaCI yerine Na2SO4 kullan lmas ile

renk ve KO giderim verimlerinde çok önemli azalmalar meydana geldi ini deneysel çal mayla ortaya koymu tur. Verimde meydana gelen önemli azalma, sülfat iyonlar n anodik elektrot materyalinin çözünmesini engelleyici etkisi ile aç klanm r.

Elektrokoagülasyon prosesinin ar tma performans n iyile tirilmesi amac yla koagülant maddeler kullan labilmektedir. Can ve ark., (2006) yapt klar çal mada, PAC (Poli alüminyum klorür) veya alüm gibi yard mc koagülant maddeler ilave ederek daha iyi ç suyu elde etmi lerdir. 1 m3 at ksu için 0.8 kg PAC ilave edilmesi durumunda KO giderimi % 50’den %78’e yükselmi tir. Yard mc koagülant olarak PAC kullan n alüm kullan ndan daha verimli oldu u vurgulanm r.

Elektrot malzemesinin sulu ortamda çözünebilmesi için elektrik enerjisi tüketimi gerekti inden, elektrokoagülasyon prosesi kullan larak yap lan gerçek veya sentetik tekstil endüstrisi at ksular n ar labilirlik çal malar nda, sisteminin uygulanabilirli inin ortaya konmas amac yla i letme maliyeti analizleri yap lm r. Yap lan elektrokoagülasyon çal malar nda ara rmac lar elektrik enerjisi kulland klar ndan dolay elde ettikleri sonuçlar verim aç ndan k yaslamalar n yan nda i letme maliyetlerini de ortaya koyma kayg yla hareket etmi tir. Elektrot tüketimi ve elektrik enerjisi sarfiyat i letme maliyetlerini belirleyen en önemli faktörlerdir. Kobya ve ark., (2003) Kocaeli ilinde faaliyet gösteren yakla k 1000 m3 at ksu üreten bir tekstil fabrikas n ç at ksuyunu elektrokoagülasyon prosesi kullanarak ar tm r. Elektrot malzemesi türünün belirlenmesinde elektrot ve enerji tüketimleri dikkate al narak seçim yap lmas gerekti i ifade edilmi tir. Enerji maliyetleri aç ndan kar la ld nda demir elektrot kullan n alüminyum elektrot kullan na nazaran üstün oldu u, elektrot tüketimleri aç ndan bak ld nda ise alüminyum elektrot kullan n avantajl oldu u görülmü tür. Ba ka bir çal mada, Kobya ve ark., (2006) Reaktif Turuncu 64 içeren boya çözeltisinin elektrokoagülasyon

prosesi ile ar lmas durumunda, optimum artlarda, birim boyarmadde giderimi için elektrot tüketimi 1.8 kg Al/kg-boya, enerji tüketimi ise 35 kWsa/kg-boya olarak hesaplanm r. Bu çal mada pH de imi ile elektrot tüketimi ve enerji sarfiyat n de ti i ifade edilmi tir. Ayr ca ba lang ç boyarmadde konsantrasyonu artt kça birim boyarmadde giderimi için elektrot tüketimleri ve enerji maliyetlerinin azald görülmü tür. Ba lang ç boyarmadde konsantrasyonu 100 mg/L’den 500 mg/L’ye artt ld nda enerji tüketimi 98 kWsa/kg-boya’dan 23 kWsa/kg-boya’ya ve elektrot tüketimlerinin ise 4.7 kg Al/kg-boya’dan 1.1 kg Al/kg-boya’ya dü tü ü gözlenmi tir. Arslan-Alaton ve ark., (2008b) % 95’lik renk giderimi elde edilmesi için, paslanmaz çelik elektrotun kullan ld elektrokoagülasyon prosesinin 43 mA/cm2 ak m yo unlu unda 15 dakika çal lmas gerekti i ve bu ko ullardaki enerji maliyetinin 7 kWsa/m3 oldu unu belirtmi tir. Buna kar n elektrokoagülasyon prosesinde ayn renk gideriminin alüminyum elektrot kullan larak elde edilebilmesi için ayn ak m yo unlu unda 50 dakika çal lmas gerekti i ifade edilmi ve enerji maliyeti 11 kWsa/m3 olarak hesaplanm r. KO parametresi için alüminyum elektrotlar n daha ekonomik sonuçlar verdi i ifade edilmi tir. Elektrokoagülasyon prosesi, 43 mA/cm2 ak m yo unlu unda ve alüminyum elektrotlar kullan lmas durumunda, 10 dakikal k reaksiyonla % 50 KO giderimi ve 5 kWsa/m3 enerji maliyeti olurken, paslanmaz çelik elektrotlar kullan lmas durumunda ve prosesin 20 dakika i letilmesi halinde % 60 KO giderimi ve 9 kWsa/m3 enerji maliyetinin oldu u belirtilmi tir. Daneshvar ve ark., (2006) yapt klar benzer bir çal mada, optimum artlarda giderilen birim boyarmadde miktar , enerji maliyetleri Bazik K rm 46 boyarmaddesi için 4.70 kWsa/kg-boya, Bazik Mavi 3 boyarmaddesi için 7.57 kWsa/kg-boya olarak hesaplanm r.

Elektrokoagülasyon prosesinde ar tma verimine etki eden faktörler dikkate al narak, daha az deney say ile en uygun i letme artlar n optimizasyon yöntemleri kullan larak belirlenmesi mümkündür. Alinsafi ve ark., (2005) elektrokoagülasyon prosesinde KO ve renk giderim verime etki eden ak m yo unlu u ve elektroliz süresi parametrelerini dikkate al p, yüzey yan t yönetimini kullanarak renk ve KO giderimini optimize etmi tir. Bu çal ma kapsam nda gerçek tekstil at ksuyunu simüle edebilmek için ba lang ç pH de eri 10 olarak ayarlanm r. Optimizasyon i lemi sonucu, elektroliz süresinin 105 dakika, ak m yo unlu u ise 12 mA/cm2 olmas gerekti i bulunmu tur. Optimum artlarda elektrokoagülasyon prosesi ile Reaktif Mavi (DR K2LR) boyarmaddesinin içeren sentetik suda % 90.7 renk giderimi ve % 38.2 KO giderimi, gerçek at ksu ile %83.3 renk, %65.2 KO giderimi elde edilmi tir. Körbahti ve

Tanyolaç (2008), Levafix Mavi içeren sentetik at ksuyun ar nda be farkl i letme parametresini dikkate alarak optimizasyon çal mas yapm r. Haz rlanan sentetik at ksuyun seyreltme oran n, uygulanan potansiyel fark n, s cakl n, tuz konsantrasyonunun ve sürenin optimize edilmesi için renk, KO ve bulan kl k parametrelerini takip etmi tir. Optimum artlarda, % 40’l k kirlilik yüklemesi, 8 V potansiyel fark, 37.5 g/L tuz konsantrasyonu, 30 0C s cakl k ve 183 dakika elektroliz süresi olmas gerekti i belirlenmi tir. Aleboyeh ve ark., (2008) Asit K rm boyarmaddesi için renk gideriminde, optimum i letme artlar n in 102A/m 2 ak m yo unlu u, 4.47 dakika elektroliz süresi ve 7.27 pH olarak belirlenmi tir. Bu artlarda renk giderimi % 93.93 olmas na kar n, deneysel çal ma sonucunda elde edilen renk giderimi ise % 91.27’dir.

Elektrokoagülasyon prosesinde renk ve KO giderimlerinin birinci derece kineti e uygun oldu u ifade edilmektedir. Bununla birlikte her çal mada kullan lan boyarmadde türü, elektrolit türü ve konsantrasyonu, elektrot malzemesi gibi prosese özgü i letme artlar na ba olarak kinetik sabitler farkl k göstermektedir. Golder ve ark., (2005) Metilen Mavisi ve Eosin Sar içeren boya çözeltilerinin çelik elektrot kullan larak ar lmas durumunda, renk giderim sabiti Metilen Mavisi için 0.56 s-1 iken, Eosin Sar için 0.20 s-1 oldu u ifade edilmi tir. engil ve Özacar (2009) Reaktif Siyah 5 boyarmaddesi içeren boya çözeltisinden renk giderimi amac yla demir elektrot kullan ld nda renk giderim kinetik sabitini k = 0.642 dk-1 (R2=0.9911) olarak hesaplam r. Saravanan ve ark., (2010) ak m yo unlu u art ile kinetik sabitlerin de imini inceledi i çal mas nda, ak m yo unlu u 1 A/dm2’den 3 A/dm2’ye artt ld nda renk giderim kinetik sabitinin 0.021 dk-1’den 0.032 dk-1’e yükseldi ini ifade etmi lerdir. Buna kar k daha fazla ak m yo unlu u art na ra men kinetik sabit 5 A/dm2 de de memi ayn kalm r. Benzer ekilde Arslan-Alaton ve ark., (2008b) ak m yo unlu unu 22 mA/cm2’den 87 mA/cm2’ye artt rd klar nda renk giderim sabitinin 0.0269 dk-1’den 0.1963 dk-1’e, KO giderim sabitinin ise 0.0120 dk-1’den 0.0988 dk-1’e yükseldi ini hesaplam lard r.

Elektrokoagülasyon prosesinde çamur olu um miktar di er ar m yöntemleri ile kar la ld nda daha azd r. Bu proseslerde olu an çamurun miktar , çözünen anotun cinsi, uygulanan ak m yo unlu u taraf ndan belirlenir. Çamurun çökelme özellikleri ise, cakl n d nda, olu an metal hidroksit floklar n çözünürlük çarp mlar etkileyen en önemli faktör olan pH taraf ndan kontrol edilmektedir.