UV/TiO 2

Fotoliz, fotonların moleküller tarafından tutulduğu ve enerjinin açığa çıktığı yükseltgenme-indirgenme prosesleridir. 200–400 nm dalga boyundaki fotonlar fotolitik reaksiyonlar için gerekli enerjiyi sağlarlar. Üç önemli UV lambası vardır.

Bunlar; (1) düşük basınçlı, düşük yoğunluklu, (2) orta basınçlı, orta yoğunluklu ve (3) yüksek basınçlı, yüksek yoğunluklu lambalardır. Bunlardan düşük basınçlı olan lamba 254 nm dalga boyunda tüm enerjisini yaymaktadır. Fotolizde, reaksiyon için gerekli enerjiyi ışık kaynağından çıkan fotonlar sağlamaktadır. Reaksiyon sırasında, orbitalin dışındaki bir elektron fotonu absorplar ve kararsız bileşik haline gelir (Montgomery, 1985).

UV/TiO2 fotokatalitik reaksiyonları pek çok organik maddenin oksidasyonunda etkilidir. TiO2, ZnO, ZnS, CdS, Fe2O3 gibi diğer yarı iletken maddelerle karşılaştırıldığında daha hızlı etki etmektedir (Wang ve diğ., 2006). TiO2’nin en önemli avantajı, organik maddelerin TiO2 yüzeyinde adsorplanması ve yarı ömrü kısa olan hidroksil radikalinin çözeltiye geçmesidir. Fotokatalitik reaksiyonların adımları (2.4–2.6) aşağıda verilmiştir:

TiO2 + hv  h++e- (2.4)

h+ + H2O  OH. + H+ (2.5)

h++ OH-  OH. (2.6)

Fotokatalitik reaksiyonlar, hümik asitin sulu çözeltilerden gideriminde etkili bir alternatif çözümdür (Wiszniowski ve diğ., 2002). Bu proses ile fotokataliz dışında herhangi bir kimyasala ihtiyaç duyulmadan organik maddenin giderimi mümkün olmaktadır. Hümik asitin fotokatalitik olarak parçalanma adımları denklem 2.7– 2.8’de verilmiştir.

HA + h+ ara ürünler  CO2 + H2O (2.7)

HA + OH.  ara ürünler  CO2 + H2O (2.8) 1990’lı yılların ortasından bu yana fotokatalizle içme suyu arıtımında çok sayıda çalışma yapılmıştır. Fotokatalitik prosesler ile optimizasyon sağlandığında çok sayıda doğal ve sentetik organik bileşikleri tamamen parçalanabilmektedir. Le-Clech ve diğ. (2006), fotokataliz-membran hibrit sistemi ile koagülasyonu ya da konvansiyonel sistemlerle arıtılması güç olan düşük organik madde konsantrasyonlu yüzeysel suların arıtımı ile ilgili çalışmalarda bulunmuşlardır. Optimum pH 4.5 ve TiO2 konsantrasyonu 0,1 g/l olarak belirlenmiştir. Sadece membran filtrasyonu ile % 18, TiO2 ile % 5’den daha az TOC giderimine karşın, sadece UV ışığı ile % 70’in üzerinde TOC giderimi görülmüştür. Deneysel çalışmalarda UV/TiO2’nin birlikte

Doğal organik maddenin fotokatalitik yöntemle giderilmesi içme suyu arıtımında alternatif bir seçenek olmuştur. Choo ve diğ. (2008b), yaptıkları çalışmada batık fotokatalitik membran reaktör (PMR) performansının, organik madde giderim verimi ve membran tıkanıklığına etkisini araştırmışlardır. PMR sisteminde, TiO2 tarafından adsorplanan hümik asit, fotokatalitik ayrışması sonucu TiO2 partiküllerine daha az tutunabildiğinden desorpsiyona uğrayarak tekrar suya geçmektedir. Ancak, TiO2 fotokatalizi ve FH (ferrihydrite) adsorpsiyonunun birlikte kullanımı ile organik maddenin desorpsiyonu minimize edilerek sudan daha fazla giderimi sağlanmıştır. Fotokatalitik ayrışma görüldüğü sürece yüksek akılarda (>25 L/m2_{.sa) işletilen batık} PMR sisteminde önemli bir membran tıkanması gözlenmemiştir. FH ilavesi ile sentetik sudan hümik asit giderilmiş, fakat düşük SUVA ve yüksek pH içerikli göl suyunda organik madde giderilememiştir. Bunun da askıdaki FH partiküllerinin UV ışığı ile saçılmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Batık membranın yüzeyine FH’nin tutunması ile göl suyundan NOM giderimi gerçekleşmiştir. Demir hidroksit membran yüzeyinde birikerek adsorpsiyon kapasitesi artmakta ve TiO2’den desorpsiyon olan parçalanmış hümik asitin giderilmesini sağlamaktadır. Huang ve diğ. (2008) ise UV/TiO2 fotokatalitik oksidasyonunun doğal organik maddelerin sebep olduğu membran tıkanıklığına etkisini araştırmışlardır. TOC giderim hızı düşük olsa da, UV/TiO2 prosesi ile membran tıkanıklığı kontrol edilebilmiştir. 0,5 g/l TiO2 konsantrasyonunda hem MF hem de UF membran tıkanıklığı azalmıştır. Yüksek moleküler ağırlıklı ve hidrofobik olan kısmın tutulmasıyla membran tıkanıklığı azaltılmıştır. Araştırmacılar, doğal organik maddelerin sebep olduğu membran tıkanıklığının giderilmesi için UV/TiO2 prosesinin uygulanabilir bir alternatif olduğunu belirtmişlerdir.

Fu ve diğ. (2006), yaptıkları çalışmada batık membran fotakatalitik reaktöründe (SMPR) işletme parametrelerinin, fulvik asitin fotokatalitik ayrışmasına etkilerini araştırmışlardır. SMPR’de, 0,5 g/l TiO2 ile 0,06 m3

/sa hava debisinin fulvik asitin giderilmesinde optimum şartlar olduğu görülmüştür. Ayrıca asidik şartlarda fulvik asit parçalanmasının daha fazla olduğu belirtilmiştir. Çalışmalarda TiO2 ilavesi ile membran tıkanmasının azaldığı ve süzüntü akısının arttığı sonucuna varılmıştır. Chin ve diğ. (2007), bisphenol-A (BPA) içeren sularda suyun safsızlaştırılması için fotokatalitik batık membran sistemlerin kullanılmasını araştırmışlardır. pH, havalandırma debisi, TiO2 ve başlangıç BPA konsantrasyonunun BPA giderim

verimine etkileri incelenmiştir. Bu çalışmalarda, pH 4, 0,5 g/L TiO2 ve 0,5 L/dk. hava debisinin sürekli batık membran fotokatalitik reaktörü (SMPR) için optimum şartlar olduğu belirlenmiştir. BPA başlangıç konsantrasyonu 5–50 ppm arasında değiştirilmiştir. 10 ppm konsantrasyonundaki BPA’nın 90–120 dk. sonunda % 90’nından fazlasının mineralize olduğu ve % 97’sinin ayrıştığı, bununla beraber bu süre sonunda süzüntü akısının 100 L/m2_{.sa olduğu görülmüştür. Yüksek giderim ve} akıya rağmen, bu koşullarda membran tıkanıklığı gözlenmiştir. Akının azaltılması ya da havalandırmanın arttırılması ile membran tıkanıklığının azaltılabileceği ancak bu durumun daha maliyetli olacağı düşüncesiyle farklı işletme şartlarında deneyler yürütülmüştür. Vakum pompasının 2 dk. kapanıp 5 dk. çalışması ile süzüntünün kesikli toplandığı durum, vakum pompasının sürekli çalışması durumu ile karşılaştırılmıştır. Vakum pompası çalışmadığı zamanlarda, havalandırma ile membran yüzeyinde tıkanmaya neden olabilecek TiO2 partikülleri daha fazla uzaklaştırıldığından, kesikli çalışmanın tıkanmayı geciktirdiği görülmüştür. Batık membran sistemlerinin kesikli çalıştırılması, membran tıkanıklığını önlemede uygulanabilir bir yöntem olarak bilinmektedir (Hong ve diğ., 2002; Howell ve diğ., 2004; Chin ve diğ., 2007).