İleri Yükseltgeme Yöntemleri

İleri yükseltgeme yöntemleri toksik ve biyo-bozunur olmayan kirleticiler içeren su ve atık suların arıtılması için en önemli metotlar olarak son yıllarda öne çıkmaktadır. İleri yükseltgeme yöntemleri oda sıcaklığı ve basıncında yüksek reaktiviteye sahip radikallerin oluşturulması temel prensibine dayanan su saflaştırma yöntemleri olarak tanımlanmıştır (Glaze ve ark., 1987). Bu sistemlerde başlıca yükseltgenin ^OH radikali olduğu belirlenmiştir (Masten ve Davies, 1994).

•OH radikalleri çok güçlü yükseltgenlerdir (Hoigne, 1997). Çizelge 1.1’de bazı yükseltgenlerin standart indirgenme potansiyelleri verilmiştir. Görüldüğü gibi hidroksil radikali flordan sonra en yüksek standart indirgenme potansiyeline sahip türdür.

Çizelge 1.1. Bazı yükseltgenlerin sulu ortamda indirgenme yarı tepkimeleri ve standart indirgenme potansiyelleri (Brillas ve ark., 2009)

Yükseltgen İndirgenme tepkimesi E^○ / V (SHE) Permanganat iyonu MnO4

+ 4 H⁺ + 4 e^- → MnO2 (k) + 2 H2O 1,67 Hidroperoksil iyonu (I) HO2•

+ 3 H⁺ + 3 e^- → 2 H2O 1,65

Hidroperoksil iyonu (II) HO2•

+ H⁺ + e^- → H2O2 1,44

Dikromat iyonu Cr2O7

+ 14 H⁺ + 6 e^- → 2 Cr³⁺ + 7 H2O 1,36

Klor Cl2 (g) + 2 e^- → 2 Cl^- 1,358

Oksijen O2 (g) + 4 H⁺ + 4 e^- → 2 H2O 1,229

Hidroksil radikallerinin sudaki yarı ömrü ise çok kısadır (~ 10^-9 s) (Janzen ve ark., 1992). Bu nedenle ^•OH radikallerinin tepkime ortamında eş-zamanlı olarak oluşturulması gerekir. Çözelti ortamında veya elektrot yüzeyinde oluşturulan ^•OH radikalleri organik moleküllerle seçimsiz olarak tepkimeye girerek bu türlerin karbon dioksit, su ve anorganik iyonlara kadar yükseltgenmesine neden olurlar. Hidroksil radikalleri organik moleküllerle üç farklı şekilde etkileşebilir;

i) Dehidrojenasyon veya su oluşturmak üzere hidrojen koparma ii) Hidroksilasyon veya doymamış bağlara elektrofilik katılma iii) Elektron transferi veya redoks tepkimeleri

Bu tepkimelerin özelliklerini incelemeye yönelik gerçekleştirilen bazı çalışmalar sonucunda ilk tepkime türünün alkanlar ve alkollere özgü ve hız sabitlerinin ise 10⁶ – 10⁸ M^-1 s^-1 aralığında olduğu belirlenmiştir. Bu çalışmalar kapsamında ikinci tepkime türünün ise aromatik türlere özgü ve hız sabitlerininde 10⁸ – 10¹⁰ M^-1 s^-1 aralığında olduğu rapor edilmiştir (Buxton ve ark., 1988).

İleri yükseltgeme yöntemleri atık su arıtımı yanında yer altı sularının, toprak ve nehir sedimentlerinin arıtımı, su dezenfeksiyonu, ultra saf su üretimi, uçucu organik bileşik ve koku giderimi amacıyla da kullanılmaktadır.

İleri yükseltgeme yöntemlerinin en önemli avantajlarından biri ^•OH radikallerinin oluşturulması için farklı yöntemlerin kullanılabilmesidir (Sarria-Munoz, 2003). Hidroksil radikal oluşturulmasında genel olarak kullanılan ileri yükseltgeme yöntemleri Çiz. 1.2’de özetlenmiştir.

Çizelge 1.2. Hidroksil radikal üretiminde kullanılan ileri yükseltgeme yöntemleri

Homojen ileri yükseltgeme yöntemleri 1. Kimyasal yöntemler

 Fenton tepkimesi : Kimyasal olarak hidrojen peroksit ve demir (II) iyonlarının tepkimesi sonucunda homojen olarak hidroksil radikalleri oluşturulmasına dayanan bir yöntemdir.

2. Sonokimyasal yöntemler : Ultrasound dalgaları yardımıyla oluşturulan bölgesel yüksek sıcaklık ve basınç koşullarında suyun parçalanması sonucu hidroksil ve diğer radikalik türlerin oluşturulması temel prensibine dayanan bir yöntemdir.

3. Fotokimyasal yöntemler

 Homojen fotokataliz : Hidrojen peroksit ve ozonun UV ışınları yardımıyla parçalanması sonucunda ortamda hidroksil radikallerinin oluşturulması temel prensibine dayanan bir yöntemdir.

 Foto-Fenton yöntemi : Fenton tepkimesi koşullarında oluşan demir (III) iyonlarının UV veya görünür bölge ışıması yardımıyla demir (II) iyonlarına indirgenmesi böylece de Fenton tepkimesinin katalizlenmesi temel prensibine dayanan bir yöntemdir.

4. Elektrokimyasal yöntemler

 Elektrokimyasal yükseltgeme : Elektrokimyasal olarak yüksek O2 aşırı gerilimine sahip bir anot yüzeyinde suyun yükseltgenmesi sonucunda hidroksil radikallerinin oluşturulması temel prensibine dayanan bir yöntemdir.

 Elektro-Fenton yöntemi : Fenton tepkimesinde kullanılan hidrojen peroksitin elektrokimyasal olarak oksijenin bir katot yüzeyinde indirgenmesiyle oluşturulması, ayrıca Fenton tepkimesi esnasında oluşan demir (III) iyonlarının katot yüzeyinde demir (II) iyonlarına indirgenmesi böylece de Fenton tepkimesinin elektrokatalitik olarak katalizlenmesi temel prensibine dayanan bir yöntemdir.

Heterojen ileri yükseltgeme yöntemleri 1. Fotokimyasal yöntemler

 Heterojen fotokataliz : TiO2 gibi bir yarı iletken yüzeyinde UV veya görünür bölge ışıması yardımıyla heterojen olarak hidroksil radikallerinin oluşturulması temel prensibine dayanan bir yöntemdir.

Hidroksil radikallerinin oluşturulması için Çiz. 1.2’de görüldüğü gibi pek çok yöntem olmasına karşın bunların büyük bölümü hidrojen peroksit kullanımına dayanmaktadır. Bu bileşik doğa dostu bir kimyasaldır ve yan ürün olarak zararsız

türler olan oksijen ve su oluşturur. Hidrojen peroksit kağıt, kağıt hamuru ve bazı tekstil ürünlerinin ağartılmasında, temiz elektronik devrelerin oluşturulmasında, zirai atıkların yumuşatılmasında, medikal ve endüstriyel uygulamalarda dezenfektan olarak, atıksu arıtımı ve organik sentezlerde yükseltgen olarak kullanılmaktadır (Pletcher, 1999). İlk defa 1818 yılında Thénard tarafından baryum peroksit ve nitrik asitin karıştırılmasıyla sentezlenmiş ve kanalizasyon arıtım sistemlerinde kötü kokunun azaltılması amacıyla kullanılmıştır (Thénard, 1818). Hidrojen peroksitin ilk endüstriyel boyutta üretimi Consortium für Elektrochemische Industrie tarafından 1853 yılında sülfirik asit veya bisülfatın anodik yükseltgenmesi sonucu oluşan türün hidrolizi ve daha sonra oluşan hidrojen peroksitin damıtılması yoluyla gerçekleştirilmiştir. Daha sonra 1882 yılında Traube sulu NaOH ortamında çözünmüş O2’nin katodik indirgenmesi yoluyla sentezlemiştir. Günümüzde en yaygın endüstriyel üretimi ise Riedl ve Pffleiderer tarafından 1935- 1954 yılları arasında geliştirilen antrakinon dönüşüm yöntemi veya AO yöntemi olarak bilinen antrakinonun çok basamaklı katalitik yükseltgenmesine dayanmaktadır. Gününüzde kullanılan diğer yaygın bir yöntem ise Dow Chemical firması tarafından geliştirilen karbon-politetrafloretilen O2

difüzyon katotlarına dayanmaktadır.

Hidrojen peroksit tek başına zayıf bir yükseltgendir. Sadece sülfür bileşikleri, siyanürler, aldehitler, formik asit ve bazı organik nitro ve sülfo bileşiklerini yükseltgeyebilir. Hidrojen peroksitin yükseltgeme gücü ozon, UV ışıması ve geçiş metal iyonları varlığında önemli derecede artar. Geçiş metali olarak demir iyonları kullanıldığında ise yöntem Fenton yöntemi olarak adlandırılır.