T.C.
DÜZCE ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
YÜZEY AKTİF MADDE İÇEREN ÇAMAŞIRHANE ATIK
SULARININ ELEKTROKOAGÜLASYON YÖNTEMİ İLE ARITIMI
VE GERİ KAZANIM POTANSİYELİ
KÜBRA GÖKMEN
YÜKSEK LİSANS TEZİ
KİMYA ANABİLİM DALI
DANIŞMAN
DR. ÖĞR. ÜYESİ PINAR SEVİM ELİBOL
T.C.
DÜZCE ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
YÜZEY AKTİF MADDE İÇEREN ÇAMAŞIRHANE ATIK
SULARININ ELEKTROKOAGÜLASYON YÖNTEMİ İLE ARITIMI
VE GERİ KAZANIM POTANSİYELİ
Kübra GÖKMEN tarafından hazırlanan tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından Düzce Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Anabilim Dalı’nda YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir.
Tez Danışmanı
Dr. Öğr. Üyesi Pınar SEVİM ELİBOL Düzce Üniversitesi
Jüri Üyeleri
Dr. Öğr. Üyesi Pınar SEVİM ELİBOL
Düzce Üniversitesi _____________________
Prof. Dr. Anatoli DİMOGLO
Düzce Üniversitesi _____________________ Doç. Dr. Orhan Taner CAN
Bursa Teknik Üniversitesi _____________________
BEYAN
Bu tez çalışmasının kendi çalışmam olduğunu, tezin planlanmasından yazımına kadar bütün aşamalarda etik dışı davranışımın olmadığını, bu tezdeki bütün bilgileri akademik ve etik kurallar içinde elde ettiğimi, bu tez çalışmasıyla elde edilmeyen bütün bilgi ve yorumlara kaynak gösterdiğimi ve bu kaynakları da kaynaklar listesine aldığımı, yine bu tezin çalışılması ve yazımı sırasında patent ve telif haklarını ihlal edici bir davranışımın olmadığını beyan ederim.
26 Şubat 2020
(İmza) Kübra GÖKMEN
TEŞEKKÜR
Yüksek Lisans öğrenimimde ve bu tezin hazırlanmasında gösterdiği her türlü destek ve yardımlarından dolayı çok değerli danışman hocam Dr. Öğr. Üyesi Pınar SEVİM ELİBOL’aen içten dileklerimle teşekkür ederim.
Tez çalışmam boyunca değerli bilgilerini esirgemeyen saygıdeğer hocam Prof. Dr.
Anatoli DİMOGLO’yaşükranlarımı sunarım.
Tüm hayatım boyunca karşılaştığım her türlü sıkıntıyı benimle birlikte yaşayan, sonsuz sevgi ve emeği ile hep yanımda olan ve aldığım her kararda desteklerini esirgemeyen sevgili aileme gönülden sevgi ve şükranlarımı sunarım.
Bu tez çalışmasının hazırlanma aşamasında desteklerini ve yardımlarını esirgemeyen
sevgili Hakkı ERDOGAN’asonsuz teşekkür ederim.
Bu tez çalışması, TÜBİTAK 115Y797 nolu ‘Endüstriyel Çamaşırhanelerde Atık Suyun Geri Kazanımına Yönelik Arıtım Süreçlerinin Geliştirilmesi’ başlıklı 1003 projesi ile desteklenmiştir.
Bu tez çalışması, Düzce Üniversitesi BAP-2019.06.02.913 numaralı Bilimsel Araştırma Projesiyle desteklenmiştir.
İÇİNDEKİLER
Sayfa No
ŞEKİL LİSTESİ ... vii
ÇİZELGE LİSTESİ ... viii
KISALTMALAR ... ix
SİMGELER ... x
ÖZET ... xi
ABSTRACT ... xii
1.
GİRİŞ ... 1
2.
YÜZEY AKTİF MADDE İÇEREN ÇAMAŞIRHANE ATIK
SULARI ... 3
2.1.GRİSU ... 3
2.2.ÇAMAŞIRHANEATIKSUYU ... 5
2.3.YÜZEYAKTİFMADDELER ... 7
2.3.1. Yüzey Aktif Maddelerin Genel Kullanım Alanları ... 10
2.3.2. Yüzey Aktif Maddelerin Sınıflandırılması... 10
2.3.2.1. Anyonik Yüzey Aktif Maddeler ...11
2.3.2.2. Katyonik Yüzey Aktif Maddeler ...13
2.3.2.3. Amfoterik Yüzey Aktif Maddeler...15
2.3.2.4. Non-iyonik Yüzey Aktif Maddeler ...16
2.4.ATIKSUARITMAYÖNTEMLERİ ... 18
2.4.1. Biyolojik Arıtma Yöntemleri ... 19
2.4.2. Fiziksel Arıtma Yöntemleri ... 20
2.4.3. Kimyasal Arıtma Yöntemleri ... 21
2.4.4. Elektrokimyasal Arıtma Yöntemleri ... 23
3.
MATERYAL VE YÖNTEM ... 24
3.1.ELEKTROKİMYAVEELEKTROKİMYASALREAKSİYONLAR ... 24
3.2.FARADAYYASASI ... 25
3.3.ATIKSUARITIMINDAELEKTROKİMYASALYÖNTEMLER ... 26
3.3.1. Elektrokoagülasyon Yöntemi ... 28
3.3.1.1. Akım Yoğunluğunun Elektrokoagülasyona Etkisi ...32
3.3.1.2. İletkenliğin Elektrokoagülasyona Etkisi...33
3.3.1.3. pH’ın Elektrokoagülasyona Etkisi ...33
3.3.1.4. Sıcaklığın Elektrokoagülasyona Etkisi ...34
3.3.2. Elektroflotasyon Yöntemi ... 34
3.4.ELEKTROKOAGÜLASYON/ELEKTROFLOTASYON YÖNTEMLERİYLEARITIM... 36
3.5.ÇAMAŞIRHANELERDENÇIKANATIKSUYUNARITIM YÖNTEMLERİ ... 37
3.6.ÇAMAŞIRHANEATIKSUYUNUNTEMİNİVEKARAKTERİZASYONU ... 38
3.7.KULLANILANKİMYASALMADDELER ... 39
3.8.1. Metilen Mavisi (MBAS) Metodu ile Anyonik Yüzey Aktif Madde Tayini
... 40
3.8.2. Bromofenol Mavisi Metedu ile Katyonik Yüzey Aktif Madde Tayini .... 40
3.8.3. Kobalt Tiyosiyanat (CTAS) Metodu ile Noniyonik Yüzey Aktif Madde Tayini ... 41
3.9.KULLANILANCİHAZ,ARAÇVEGEREÇLER ... 41
3.10.YÖNTEM ... 41
4.
BULGULAR VE TARTIŞMA ... 44
4.1.ELEKTROKOAGÜLASYONSİSTEMİNİNOPTİMİZASYONU ... 45
4.2.ATIKSUNUMUNESİNİNSICAKLIĞININAL3+İYONLARININ VERİMİNEETKİSİ ... 47
4.3.AKIMYOĞUNLUĞUNUNYÜZEYAKTİFMADDELER,RENKVE BULANIKLIKGİDERİMİNEETKİSİ ... 48
4.4. PH'INYÜZEYAKTİFMADDELER,RENKVEBULANIKLIK GİDERİMİNEETKİSİ... 51
4.5.İŞLEMSÜRESİNİNYÜZEYAKTİFMADDELER,RENKVE BULANIKLIKGİDERİMİNEETKİSİ ... 53
4.6.ELEKTROKOAGÜLASYONYÖNTEMİNİNENERJİTÜKETİMİ ... 57
5.
SONUÇ VE ÖNERİLER ... 58
6.
KAYNAKLAR ... 60
ŞEKİL LİSTESİ
Sayfa No
Şekil 2.1. D. Christova-Boal’ın çalışmasına ait evsel gri su ve siyah su gösterimi. ... 3
Şekil 2.2. Sodyum hidroksit ile sabunlaşma reaksiyonu. ... 8
Şekil 2.3. Misel oluşumu. ... 8
Şekil 2.4. Su yüzeyindeki yüzey aktif maddelerin davranışları. ... 9
Şekil 2.5. Yüzey aktif maddelerin sınıflandırılması. ... 11
Şekil 2.6. Yapay sulak alan. ... 20
Şekil 2.7. Sedimantasyon. ... 21
Şekil 2.8. Fotokatalitik oksidasyon şematik gösterimi. ... 22
Şekil 3.1. Elektrokimyasal hücrenin şematik gösterimi. ... 24
Şekil 3.2. Elektrokoagülasyon düzeneği. ... 29
Şekil 3.3. Elektrokoagülasyonda anot ve katot arasında gerçekleşen reaksiyonlar. ... 31
Şekil 3.4. Elektroflotasyon düzeneği. ... 35
Şekil 3.5. Elektrokoagülasyon / Elektroflotasyon sistem düzeneği. ... 37
Şekil 3.6. Elektrokoagülasyon/Elektroflotasyon deney düzeneği. ... 42
Şekil 4.1. a) Monopolar (tek kutuplu), b) Bipolar (iki kutuplu) ve c) Bipolar (tek kutuplu) elektrot bağlantısı. ... 45
Şekil 4.2. Elektrik miktarına göre anot çözünme oranı (g). ... 46
Şekil 4.3. Çamaşırhane atık suyunun Al (III) 'ün veriminin 3 farklı akım yoğunluğu (CD) için su sıcaklığına bağlılığı (pH 4,5, işlem süresi 7 dakika). ... 47
Şekil 4.4. Çamaşırhane atık suyunun akım yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak yüzey aktif madde gideriminde ki değişim (pH 4,5, işlem süresi 7 dakika). ... 48
Şekil 4.5. Çamaşırhane atık suyunun akım yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak renk ve bulanıklık gideriminde ki değişim (pH 4,5, işlem süresi 7 dakika). . 49
Şekil 4.6. a) EK/EF öncesi atık su numunesi ve b) EK/EF sonrası arıtılmış su numunesinde ki renk ve bulanıklık değişimi (CD = 7,89 mA/cm2, pH 4,5). ... 50
Şekil 4.7. Çamaşırhane atık suyunun pH’ın bir fonksiyonu olarak yüzey aktif madde gideriminde ki değişim (CD = 7,89 mA/cm2, işlem süresi 7 dakika). ... 51
Şekil 4.8. Çamaşırhane atık suyunun pH’ın bir fonksiyonu olarak renk ve bulanıklık gideriminde ki değişim (CD = 7,89 mA/cm2, işlem süresi 7 dakika). ... 52
Şekil 4.9. Çamaşırhane atık suyunun işlem süresinin bir fonksiyonu olarak yüzey aktif madde gideriminde ki değişim (CD = 7,89 mA/cm2, pH 4,5). ... 53
Şekil 4.10. Çamaşırhane atık suyunun işlem süresinin bir fonksiyonu olarak renk ve bulanıklık gideriminde ki değişim (CD = 7,89 mA/cm2, pH 4,5). ... 54
Şekil 4.11. EK’da İşlem süresi 3. Dakikada oluşan floklar (CD = 7,89 mA/cm2, pH 4,5). ... 55
Şekil 4.12. EK’da İşlem süresi 7. Dakikada oluşan floklar (CD = 7,89 mA/cm2, pH 4,5). ... 56
ÇİZELGE LİSTESİ
Sayfa No
Çizelge 2.1. Evsel gri su kaynakları ve parametreleri. ... 5
Çizelge 2.2. Su Kirliliği Kontrolü Yönetmeliği 2011’de belirtilen standart değerler. ... 7
Çizelge 2.3. Yüzey aktif madde molekülünün kısımları ... 10
Çizelge 2.4. Bazı anyonik yüzey aktif maddelerin kimyasal yapıları. ... 12
Çizelge 2.5. P. D. Knepper ve diğerlerinin çalışmasından bazı katyonik yüzey aktif maddelerin yapısı. ... 14
Çizelge 2.6. P. D. Knepper ve diğerlerinin çalışmasından bazı amfoterik yüzey aktif maddelerin yapısı. ... 15
Çizelge 2.7. P. D. Knepper ve diğerlerinin çalışmasından bazı non-iyonik yüzey aktif maddelerin yapısı. ... 17
Çizelge 2.8. Gri su arıtma teknikleri. ... 19
Çizelge 3.1. Tuba Öztürk’ün [48] çalışmasına ait elektrokimyasal reaksiyonlar. ... 25
Çizelge 3.2. Farklı pH ve elektrot malzemelerinde gaz kabarcıklarının boyutları. ... 36
Çizelge 3.3. Çamaşırhane atık sularının arıtımı için yapılmış bazı örnek literatür çalışmaları. ... 37
Çizelge 3.4. Çamaşırhane atık suyunun (Eczacıbaşı Profesyonel) farklı zamanlarda alınan atık suların çamaşır yıkama su standardına göre karakterizasyonu. .... 38
Çizelge 3.5. Yüzey aktif madde küvet testleri. ... 40
Çizelge 3.6. Elektrokoagülasyonda uygulanan deney koşulları. ... 43
KISALTMALAR
AKM Askıda Katı Madde
Al Alüminyum
BOİ Biyolojik Oksijen İhtiyacı
CD Akım Yoğunluğu
EEC Elektrik Enerjisi Tüketimi
EF Elektroflotasyon
EK Elektrokoagülasyon
EO Elektrooksidasyon
Fe Demir
HCl Hidroklorik Asit
H2O Di hidrojen mono oksit
g Gram
KOİ Kimyasal Oksijen İhtiyacı
LWW Laundry Wastewater (Çamaşırhane atık suyu)
L Litre
MBAS Anyonik yüzey aktif madde
mg Miligram
Mton Megaton
NTU Nephelometric Turbidity Unit (Bulanıklık)
TN Toplam Azot
TP Toplam Fosfor
TOK Toplam Organik Karbon
YAM Yüzey Aktif Madde
SİMGELER
Ēk Ekivalent değeri
i Devreden geçen akım şiddeti (amper)
ke Orantı faktörü
U Hücre voltajı
∆m Elektrotlardan açığa çıkan madde miktarı
Q Elektrik miktarı (kulon)
ÖZET
YÜZEY AKTİF MADDE İÇEREN ÇAMAŞIRHANE ATIK
SULARININ ELEKTROKOAGÜLASYON YÖNTEMİ İLE ARITIMI
VE GERİ KAZANIM POTANSİYELİ
Kübra GÖKMEN Düzce Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü, Kimya Anabilim Dalı Yüksek Lisans Tezi
Danışman: Dr. Öğr. Üyesi Pınar SEVİM ELİBOL Şubat 2020, 65 sayfa
Yüzey aktif maddeler birçok alanda önemli bir yer tutan geniş kimyasallar grubudur. Bu alanlar temizlik, tekstil, boyama ve daha birçok uygulamada çeşitlilik göstermektedir. Suda veya sulu bir çözeltide çözündüğünde yüzey gerilimini etkileyen (çoğunlukla azaltan) yüzey aktif maddeler, hidrofilik ve hidrofobik kısımlardan oluşmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında yüzey aktif madde içeriği yüksek olan gri su sınıfındaki
çamaşırhane atık sularının arıtımı ve geri kazanım potansiyeli
incelenmiştir. Çamaşırhaneler, otel, restoran ve hastane gibi kurumlara hizmet veren, yüksek hacimde su kullanan ve buna bağlı olarak da yüksek oranda atık su oluşumuna neden olan işletmelerdir. Gri su sınıfında olan bu atık sularda askıda katı madde, Kimyasal Oksijen İhtiyacı (KOİ), Toplam Organik Karbon (TOK), renk, iletkenlik ve pH parametreleri ön plana çıkmaktadır. Arıtıldıktan sonra tekrar prosesin farklı aşamalarında kullanılma potansiyeline sahip olan bu sular, deşarj edilmektedir. Biyolojik, fiziksel ve kimyasal arıtma yöntemleri gibi geleneksel arıtma yöntemleri çamaşırhane atık sularının arıtımında askıda katı madde, yüzey aktif madde ve renk gideriminde yetersiz kalmaktadır. Bu sebeple atık su arıtımında daha güvenli, etkili ve çevre dostu olduğundan ileri arıtma yöntemleri tercih edilmesi gerekmektedir. Bu yöntemler arasından yüzey aktif madde içeren atık suların arıtımında elektrokoagülasyon ve elektroflotasyon oldukça etkilidir. Bu çalışmada çamaşırhane atık sularının arıtımı için elektrokoagülasyon prosesinde alüminyum elektrotlar tercih edilmiş olup, elektroflotasyon için ise demir elektrotlar kullanılmıştır. Yapılan optimizasyon çalışmaları sonucunda 4,5 pH, 7,89 mA/cm2 akım yoğunluğu ve 7 dk çalışma değerleri belirlenmiş olup, bu koşullar altında arıtma verimleri yüzey aktif madde için % 93-97, renk için % 98 ve bulanıklık için % 99 olarak hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar göstermiştir ki, elektrokoagülasyon metodu, çamaşırhane atıksularının arıtılması ve tekrar kullanımında oldukça yüksek potansiyel taşımaktadır.
Anahtar sözcükler: Yüzey aktif maddeler, Endüstriyel çamaşırhane, Atık su, Elektrokimyasal yöntemler.
ABSTRACT
TREATMENT AND RECYCLİNG POTENTİAL OF LAUNDRY
WASTEWATER CONTAİNİNG SURFACTANT BY
ELECTROCOAGULATİON METHOD
Kübra GÖKMEN Düzce University
Institute of Science, Department of Chemistry Master’s Thesis
SupervisorAssist. Prof. Pınar SEVİM ELİBOL
February 2020, 65 pages
Surfactants are a large group of chemicals that occupy an important place in many areas. These areas vary in cleaning, textile, dyeing and many more applications. Surfactants that affect (mostly reduce) surface tension when dissolved in water or an aqueous solution consist of hydrophilic and hydrophobic portions. Within the scope of this thesis, the treatment and recovery potential of the gray waste laundry wastewater with high surfactant content was investigated. Laundries are establishments that serve institutions such as hotels, restaurants and hospitals, use high volumes of water and, consequently, cause high levels of wastewater generation. Suspended solids, Chemical Oxygen Demand (COD), Total Organic Carbon (TOC), color, conductivity and pH parameters come to the fore in this wastewater, which is in the gray water class. These waters, which can be used in different stages of the process after being treated, are discharged. Traditional treatment methods such as biological physical and chemical treatment methods are insufficient in the removal of suspended solids, surfactants and color removals in the treatment of laundry wastewater. For this reason, advanced treatment methods were preferred because it is safer, more effective and environmentally friendly in wastewater treatment. Among these methods, electrocoagulation and electroflotation are very effective in the treatment of wastewater containing surfactants. In this study, aluminum electrodes are preferred in the electrocoagulation process for the treatment of laundry wastewater, while iron electrodes are used for electroflotation. As a result of the optimization studies, 4,5 pH, 7,89 mA/cm2 current density and 7 min operating values were determined, and under these conditions, the treatment efficiency was calculated as 93-97 % for surfactant, 98 % for color and 99 % for turbidity. The results obtained showed that the electrocoagulation method has a high potential for the treatment and reuse of laundry wastewater.
1. GİRİŞ
Son yıllarda nüfusun artması sebebiyle endüstriler ihtiyacı karşılamaya yönelik üretim miktarını arttırmıştır ve buna bağlı olarak da oluşan atık su miktarı her geçen gün artmaktadır. Üretim esnasında ortaya çıkan atık suyun doğrudan deşarj edilmesi çevre ve insan sağlığı üzerinde olumsuz etkiler oluşturmaktadır [1]. Bu nedenle atık suyun tekrar kullanımı sürdürülebilir endüstriyel gelişim için etkili bir araç ve önemli uygulamalar haline gelmeye başlamıştır. Günümüzde otel, hastane ve restoran gibi çok sayıda kirli çamaşırın meydana geldiği ve bu kuruluşlara çamaşır yıkama hizmeti veren endüstriyel çamaşırhanelerde yıkama sonucu elde edilen atık sular hâlihazırda doğrudan kanalizasyonlara gönderilmekte ve tekrar kullanılabilme kapasiteleri göz ardı edilmektedir. Bu atık sular gri su olarak adlandırılmaktadır. Gri sular kullanım özelliğine göre farklı kirlilik seviyelerinde olabilmektedir. Atık suların arıtımı ve yeniden kullanımı dünya çapında yaygın olarak kullanılmaktadır. Atık suyun geri kazanılmasıyla, yeniden endüstride ve tarımsal sulamada kullanılarak doğal su döngüsüne katkıda sağlamakta ve çevresel kirlilik azaltılmaktadır [2]. Ayrıca gri sular tuvalet sifonu, araç yıkama ve yangın söndürme gibi işlerde tekrar kullanılmaktadır [3]. Endüstrilerdeki proses suyu azaltma hareketlerindeki önemli atılımlara rağmen, çamaşırhaneler hala çok yüksek miktarlarda atık su oluşturmaktadırlar. Çamaşırhane atık suları içerdikleri Askıda Katı Madde (AKM), Kimyasal Oksijen İhtiyacı (KOİ) ve yağ-gres, kullanılan deterjanların özelliklerine göre azot, fosfor gibi organik kökenli kirleticiler, ağır metaller ve çeşitli çözücüler ile karakteristik gri su atık su grubunu oluştururlar [4]. Çamaşırhane atık sularının içeriğindeki kirleticiler organik veya inorganik olabilmektedir. Bu kirleticiler diğer mikroorganizmaların besin kaynağı haline gelmektedir. Bu sebeple çamaşırhane atık sularının arıtımında genellikle, biyolojik arıtma yöntemlerinden en yaygın kullanılan ve tercih edilen aktif çamur sistemleridir. Fakat aktif hale getirilen çamur prosesi, çevresel parametreler ve işletme sorunları nedeniyle performansta ciddi kısıtlamalara sahiptir. Son yıllarda, biyolojik arıtıma sorunlarının üstesinden gelmek için, membran filtrasyonu, oksidasyon ve elektrokimyasal arıtma gibi birçok yöntem geliştirilmiştir [5].
nesil ardışık teknolojiler geliştirilmesi amaçlanarak deşarj edilen atık suyun yeniden kullanılması ve şebeke suyu kullanımı azaltılması hedeflenmiştir. Dolayısıyla bu atık sular çeşitli elektrokimyasal arıtım süreçleri ile temiz su ve deterjan geri kazanımı potansiyeli bakımından oldukça önemlidir. Verimli geri kazanım potansiyeli sebebiyle çamaşırhane atık sularının arıtılması için elektrokimyasal arıtma yöntemleri geliştirilmesi amaçlanarak bu atık suların yeniden kullanıma uygun hale getirilmesi bu tez çalışmasının ana konusu olmuştur.
Bu tez çalışması kapsamında yüzey aktif madde içeren çamaşırhane atık sularının geri kazanım çalışmalarında elektrokimyasal yöntemlerden olan elektrokoagülasyon ve elektroflotasyon tercih edilmiştir. Elektrokoagülasyon kirleticilerin bulunduğu sulu ortamdaki anot ve katot elektrotlara elektrik akımı verilerek yüzdürme veya çöktürme ile kirleticilerin giderilmesi işlemine dayanır. Elektroflotasyon ise elektrik akımı verilerek elektrotlardan çıkan gaz kabarcıklarının kirleticileri yüzeye çıkarması ile kirliliğin giderilmesi esasına dayanır [6].
Yapılan çalışmada elektrokoagülasyon ve elektroflotasyondan oluşan bir arıtma düzeneği tasarlanmış olup, çamaşırhane atık suyunun arıtılmasında, elektrot tipi, pH, iletkenlik, işletim süresi, akım yoğunluğu ve sıcaklık gibi parametrelerin etkisi incelenmiş ve tasarlanan proses için en uygun değerler belirlenmiştir.
2.
YÜZEY AKTİF MADDE İÇEREN ÇAMAŞIRHANE ATIK
SULARI
2.1. GRİ SU
İnsanın günlük ihtiyaçları doğrultusunda kullandığı sular ve endüstriyel proseslerde kullanılan sular, kullanım işlemi tamamlandıktan sonra atık su olarak adlandırılır. Bu sular çeşitli kullanımlar sonucu fiziksel, kimyasal ve biyolojik özelliklerinin bir kısmını veya tamamını kaybetmektedir [7]. Atık sular gri ve siyah su olmak üzere ikiye ayrılır. Siyah su evsel atık sularının foseptik atığı içeren kısmı olarak tanımlanmaktadır. Gri su ise evsel atık sular içerisinde tuvalet suyu haricinde gelen tüm atık sular olarak tanımlanır [8]. İçeriğinde az kirletici bulunduran bu suların, kirlilik oranı oldukça azdır. Gri sular, ağır gri su ve hafif gri sular olarak ikiye ayrılmaktadır. Hafif gri suları duş ve lavabo gibi banyo atık suları oluştururken; ağır gri suları ise mutfak ve çamaşır makinesi gibi sistemlerden gelen atık sular oluşturmaktadır [9]. Oldukça yüksek hacimde olan gri sular, evsel atık suyun en büyük yüzdesini oluşturmaktadır [10]. Dünyada tatlı su kaynakları gün geçtikçe azalmakta ve yeni tatlı su kaynaklarına ulaşım oldukça güçtür. Bu nedenle yeni doğal su kaynakları aramak yerine atık suların geri dönüşüm potansiyellerini incelemek daha önemlidir.
Gri suyun fiziksel parametreleri, sıcaklık, bulanıklık, renk, askıda katı madde ve elektriksel iletkenlik olarak sıralanabilir. Gri suyun karakteristik özellikleri evlerde kişisel alışkanlıklara ve kullanılan ürünlere, endüstride ise prosese göre değişiklik göstermektedir. Y. Boyjoo ve ark yaptığı literatür çalışmasına göre, askıda katı madde konsantrasyonu ağır gri sularda 29–505 mg/L aralığında iken hafif gri sularda 12-315 mg/L aralığında bulunmuştur. Elektriksel iletkenlik aralığı ağır gri sularda 190-3000 µS/cm, hafif gri sularda 14-1241 µS/cm olarak bulunmuştur. Bulanıklık parametresinde ise ağır ve hafif gri sularda sırasıyla 19–444 NTU ve 12,6-375 NTU değerleri ölçülmüştür [11].
Gri suyun kimyasal parametreleri, Biyolojik Oksijen İhtiyacı (BOİ) ve Kimyasal Oksijen İhtiyacı gibi çözünmüş organik maddeler, Toplam Organik Karbon, toplam azot (N) ve toplam fosfor (P), pH, alkalinite, ağır metal, yüzey aktif maddeler ve evsel kullanımda tercih edilen kimyasal maddeler olarak sıralanabilir. Y. Boyjoo ve ark. yaptığı literatür çalışmasına göre, pH değeri ağır ve hafif gri sularda sırasıyla 6,3-10 ve 6,4-8,1 aralığındadır. Alkalinite değeri ise 20–340 mg/L aralığında değişmektedir [12]. Yüksek miktarda organik madde içeren mutfak ve çamaşır makinelerinden gelen atık sularda en yüksek alkalinite değerleri gözlenmiştir. Biyolojik oksijen ihtiyacı için ağır ve hafif gri sulardaki değerler sırasıyla 44–1056 mg/L ve 23–300 mg/L aralığında bulunmuştur. Kimyasal oksijen ihtiyacı için bu değerler ağır gri sularda 50–2568 mg/L iken hafif gri sularda 23–633 mg/L arasındadır [11]. Evsel gri sudaki yüzey aktif maddelerin ana bileşenini kullanılan temizlik ürünleri oluşturmaktadır. Kullanılan bu ürünleri en fazla çamaşır ve bulaşık makinelerinde tercih edilen deterjanlar oluştururken; evsel temizlik ürünleri ve kişisel temizlik ürünleri de sayılabilmektedir. Bu deterjanlar kimyasal yapısı dolayısıyla pH, alkalinite ve fosforun artmasına neden olan temel bileşendir. Ayrıca kullanılan deterjan miktarına bağlı olarak gri sudaki mevcut yüzey aktif maddelerin konsantrasyonları farklılık göstermektedir.
Gri su evsel kullanımda kaynaklarına göre farklı gruplara ayrılabilmektedir. Farklı kullanım alanlarına göre parametrelerin değerlerinde değişiklik gözlenmektedir. Örneğin, mutfaktan gelen gri su içeriğinde azot ve fosfor gibi besinler bulunduğundan biyolojik oksijen ihtiyacı, toplam azot ve toplam fosfor oldukça yüksek miktarda iken banyodan gelen gri su içeriğinde ise bu değerler oldukça azdır. Çizelge 2.1’de banyo, mutfak ve çamaşır yıkama gibi bunların karışımının olduğu değerler sıralanmıştır [14].
Çizelge 2.1. Evsel gri su kaynakları ve parametreleri.
2.2. ÇAMAŞIRHANE ATIK SUYU
Çamaşırhaneler özellikle otel, restoran, hastane ve yurt gibi kurumlara hizmet veren yüksek hacimde yıkama kapasitesine sahip işletmelerdir. Her geçen gün bu kurum sayılarındaki artışla birlikte kullanılan tekstil ürünü hacminin artması, bu kurumlardaki yıkama ihtiyacını da arttırmaktadır. Dolayısıyla çamaşırhanelerden çıkan atık su miktarı fazladır. Çamaşırhaneler, çamaşırın yıkanmasıyla birlikte çamaşırın toplanması, ayrıştırılması ve ütülenmesini kapsayan sektörün önemli bir parçasıdır. Çamaşırhaneler, yüksek teknolojik özelliklere sahip yıkama makineleri ile birlikte uygun deterjan seçimi yapmaları ve hijyen konusundaki riskleri azaltmaları yönünden işletmeler tarafından sıklıkla tercih edilmektedir. Bu tip işletmelerin atık suları kimyasal içerikleri bakımından gri su sınıfına girmekte ve yüksek miktarda AKM, KOİ, TOK, renk, iletkenlik ve pH gibi parametreler ön plana çıkmaktadır [13]. Ayrıca bu atık suların içeriğinde bulunan yüzey aktif maddeler, kullanılan deterjanın cinsine göre değişiklik göstermektedir.
Orta ölçekli bir çamaşırhanede günde 10-30 ton çamaşır yıkanmaktadır. Çamaşırhanelerde yıkama için gerekli olan taze su kullanımı yüksektir ve buna paralel olarak oluşan atık su miktarı da fazladır. Büyük ölçekli çamaşırhanelerde ise günde 60-80 ton çamaşır yıkanmaktadır [14]. Çamaşırhanelerden çıkan atık su miktarı bir günde yıkanan çamaşır miktarının yani sıra, çamaşırhanede kullanılan makinenin tipine bağlı olarak değişkenlik göstermektedir. Çamaşırhanelerde konvansiyonel ve tünel sistemi olmak üzere iki tip çamaşır makinesi bulunmaktadır. Konvansiyonel makinelerde
Parametre Banyo Çamaşır
Makinesi Mutfak Karışık pH 6,4-8,1 7,1-10 5,9-7,4 6,3-8,1 AKM (mg L-1) 7-505 68-465 134-1300 25-183 Bulanıklık (NTU) 44-375 50-444 298 29-375 KOİ (mg L-1) 100-633 231-2950 26-2050 100-700 BOİ (mg L-1) 50-300 48-472 536-1460 47-466 TN (mg L-1) 3,6-19,4 1,1-40,3 11,4-74 1,7-34,3 TP (mg L-1) 0,11->48,8 ND->171 2,9->74 0,11-22,8
ortalama olarak 1 kg çamaşır için 22-26 litre su ve 25-30 g kimyasal harcanırken, tünel sistemlerde ise ortalama 1 kg çamaşır için 6-8 litre su ve 20-25 g kimyasal harcanmaktadır [15], [16].
Ülkemizde büyük ve küçük ölçekli olmak üzere çok fazla çamaşırhane hizmeti sağlayan işletmeler bulunmaktadır. Özellikle turizm sektörünün gelişmiş olduğu Akdeniz ve Ege bölgelerinde otellerin fazla sayıda olmasından kaynaklı çamaşırhanelerin de bu bölgelerde yoğunlaştığı görülmektedir. Turizm aylarında oldukça yoğun çalışan çamaşırhaneler, normal sezonda % 60 doluluk oranıyla çalışmaktadır. Turizm sezonunun en yoğun olduğu dönemlerde Akdeniz bölgesinin büyük kapasiteli çamaşırhanelerinde günlük yıkama miktarı 80 ton civarındadır. 80 tonluk yıkama hacmine göre sadece bir çamaşırhane için, yıkamaların yüzdesel olarak dağılımı % 90 tünel sistemler ile yapılan, kalan % 10’dakonvansiyonel olmak üzere, ortalama oluşan atık su hacmi aşağıda görüldüğü gibi tek bir çamaşırhaneden ayda 14.400 m3 olarak hesaplanmıştır [16]. ( 0,9𝑥80 𝑡𝑜𝑛 𝑔ü𝑛 𝑥 6 (𝑙 𝑠𝑢)𝑥 1000 𝑘𝑔 ç𝑚ş 𝑡𝑜𝑛 ) + ( 0,1 𝑥 80 𝑡𝑜𝑛 𝑔ü𝑛 𝑥 21 (𝑙 𝑠𝑢) 𝑥 1000 𝑘𝑔 ç𝑚ş 𝑡𝑜𝑛 ) =6 𝑥 10 6 (𝑙 𝑠𝑢) 𝑔ü𝑛 (2.1) Çamaşırhane ve benzeri işlemleri yapan işletmelerden kaynaklı atık sular için 31.12.2004 tarih ve 25687 sayılı resmi gazete yayımlanan Su Kirliliği Kontrolü Yönetmeliği’ de belirtilen deşarj standartlarına göre alıcı ortamlara verilmektedir [7]. Su Kirliliği Kontrol Yönetmeliğinde 24 Nisan 2011 tarihinde değişiklik yapılarak deşarj standartlarına renk parametresi de eklenmiştir. Su Kirliliği Kontrol Yönetmeliğine göre atık suya kimyasal ilave edilerek renk giderimi yapılmasına olanak tanınmaktadır. Ancak ileri arıtma yöntemlerinin geliştirilmesi ve yaygınlaşması ile atık suyun rengi ve kirlilik değerleri kimyasal kullanımı azaltılarak giderilmesi suyun daha verimli şekilde tekrar kullanımını mümkün hale getirmektedir.
Çizelge 2.2. Su Kirliliği Kontrolü Yönetmeliği 2011’de belirtilen standart değerler. PARAMETRE BİRİM KOMPOZİT NUMUNE (2 SAATLİK) KOMPOZİT NUMUNE (24 SAATLİK) AKM mg/L 160 120 Amonyum Azotu mg/L 5 - Balık Biyodeneyi - 4 3 KOİ mg/L 250 200 pH - 6-9 6-9 Renk Pt/Co 280 260 Serbest Klor mg/L 0,3 - Sülfit mg/L 1 - Sülfür (S-2) mg/L 0,1 - Toplam Krom mg/L 2 1 Yağ ve Gres mg/L 10 -
2.3. YÜZEY AKTİF MADDELER
Yüzey aktif maddenin İngilizce karşılığı “surface active agent” sözcüklerinin kısaltması olan “surfactant” (surfaktan) kelimesi yüzey aktif madde yerine kullanılmaktadır. Temizlik, gıda, tekstil, eczacılık, tıp, boyama ve parlatma, deri sanayii ve daha birçok alanda kullanılan Yüzey Aktif Maddeler (YAM), kimyasallar arasında geniş bir yer tutmaktadır [17]. Kimya endüstrisinin en önemli kimyasal madde grubu olarak belirtilen yüzey aktif maddeler, istatistiksel verilere bakıldığında yılda 12 Mton üretimi yapılmaktadır. Yüzey aktif maddeler sabunlar, deterjanlar, farmasotikler, kişisel bakım ürünleri vb. gibi günlük ürünlerde ve diğer birçok alanda kullanılmaktadır [18].
Bilinen ilk insan yapımı yüzey aktif madde sabundur. Antik çağlarda sadece medikal amaçlı kullanılan sabun, hayvansal yağ ve ağaç külünden yapılmıştır. MS 2. yy ise temizlik maddesi olarak kullanılmaya başlanmıştır. Avrupa’da ortaçağ başlangıcında evlerde temizlik amaçlı üretilmiş sabun 19. yy kadar, birçok ülkede lüks bir ürün olarak tüketilmiştir.
Antik çağlarda ağaç veya bitki külleri, su ve yağ içerisinde kaynatılarak sabun elde edilmiştir. Küller, su buharlaşana kadar eklenmiştir. Tepkime boyunca, kül ile nötral
yağlar kimyasal reaksiyona girerek sabun oluşturmuştur [19].
Sabunlar yağ asitlerinin alkali metalleri (sodyum, potasyum) ile tepkimeye girerek ısıtılması sonucu oluşan tuzlardır. Reaksiyon sonucunda sabun olarak bilinen gliserin ve yağ asitleri tuzu oluşmaktadır. Sodyum hidroksit ve ısı etkisiyle oluşan sabunlaşma reaksiyonu Şekil 2.2’de verilmiştir.
Şekil 2.2. Sodyum hidroksit ile sabunlaşma reaksiyonu.
Yüzey aktif maddeler yüzey gerilimini azaltıcı etki gösteren ve çözücülerde misel oluşturan kimyasal bileşiklerdir. Yüzey aktif maddelerin belirli konsantrasyonlarda yumaklaşarak oluşturduğu yapılara misel denir.
Şekil 2.3. Misel oluşumu.
Uzun hidrokarbon zincirlerden oluşan yüzey aktif maddeler, su tarafından itilen (hidrofobik) ve su tarafından çekilen (hidrofilik) olmak üzere iki uçtan oluşmaktadır. Polar kısım, polar çözücüler içerisinde, özellikle de su için güçlü bir çekim gücü gösterir. Bu kısımlara genellikle hidrofilik kısım veya hidrofil (liyofil) denir. Apolar kısım ise hidrofobik kısım veya hidrofob (lipofob) olarak adlandırılır [20]. Yüzey aktif
maddeler, suyun yüzey gerilimini sudaki hidrojen bağlarını kırarak düşürür. Bu kırılma yüzey aktif madde moleküllerinin hidrofilik kısımlarının su yüzeyine, hidrofobik kısımlarının ise su yüzeyinin uzağına yönlenmesiyle sağlanır.
Suyun yüzey gerilimini düşürmek için yüzey aktif maddelerin hidrofobik kısımları, yüzeyde bulunan kire tutunarak etrafında miseller oluşturmaya başlar. Bu sayede kirliliklerin koparılmasını kolaylaştırır. Kirlilikleri yapışmış oldukları yüzeylerden koparan yüzey aktif maddeler, kirliliklerin etrafında hidrofobik kısımlar sayesinde miseller oluşturarak yüzeyle temas eden kısımları azaltır. Hidrofilik kısımlar ise yüzey gerilimini düşürerek kirin bir arada tutulmasını sağlar. Yüzeye tutunan kirliliklerin giderimi yüzey aktif maddeler ile bu şekilde sağlanmaktadır.
Su / hava ara yüzünde adsorbe olan yüzey aktif maddeler, yüzey gerilimini azaltıcı etki göstererek kir ile birlikte yumak oluşturduğu yapı Şekil 2.4’de gösterilmektedir.
Şekil 2.4. Su yüzeyindeki yüzey aktif maddelerin davranışları.
Yüzey aktif maddelerin hidrofilik kısmının sudaki çözünürlüğü, hidrofobik kısmının ise yağdaki çözünürlüğü fazladır. Sudaki çözünürlük, molekülün hidrofilik kısmındaki karboksil, sülfat, sülfonat veya hidroksil gruplarının hidrolizinden kaynaklanır. Yağdaki çözünürlük ise hidrofobik kısmındaki organik gruplara bağlıdır [21].
Çizelge 2.3. Yüzey aktif madde molekülünün kısımları Yağda Çözünen Kısım Suda Çözünen Kısım
Organik gruplar
COO- Na+, SO4- Na+
SO3- Na+, OH
2.3.1. Yüzey Aktif Maddelerin Genel Kullanım Alanları
Yüzey aktif maddelerin kullanım alanları genel olarak ikiye ayrılmaktadır. Deterjan, çamaşır yumuşatıcıları, saç şampuanları, diş macunu, susuz el temizleyici gibi ürünler “kişisel veya evsel kullanım alanları” arasında yer almaktadır. Yüzey aktif maddelerin “endüstriyel kullanım alanları” ise oldukça geniş yer tutmaktadır. Tekstil, ziraat, kağıt, gıda, petrol ve plastik endüstrisinde birçok amaçla kullanılmaktadır. Bunların yanı sıra boyama ve koruyucu kaplamalarda ve inşaat sektöründe de yüzey aktif maddeler karşımıza çıkmaktadır.
1970’li yıllarda % 71’i anyonik, % 23,3’ü noniyonik, % 5,5’i katyonik ve % 0,2’si amfoterik yüzey aktif maddeler kullanılmıştır. 2000’li yıllarda ise % 73’ü anyonik, % 23,6’sı noniyonik, % 1,4’ü katyonik ve % 2’si amfoterik yüzey aktif maddeler kullanılmıştır. Yüzey aktif maddeler her yıl giderek daha fazla kullanılmaktadır [22]. 2.3.2. Yüzey Aktif Maddelerin Sınıflandırılması
Yüzey aktif maddeler, hidrofilik uçlarının suda çözündüklerinde ortaya çıkarttığı iyonların yüküne göre anyonik, katyonik, non-iyonik ve amfoterik olmak üzere 4 gruba ayrılmaktadır [17]. Hidrofobik kısmı ise yüzey aktif maddelerde genellikle benzer olduğu için sınıflandırmaya etki etmez. Sadece dallanmaların az veya fazla olmasına göre temizleme özelliğine etki etmektedir. Birçok yüzey aktif madde farklı kullanım alanına sahip olması nedeniyle ticari olarak yüzey aktif maddeler genellikle kullanımlarına göre adlandırılmaktadır [20].
Şekil 2.5. Yüzey aktif maddelerin sınıflandırılması. 2.3.2.1. Anyonik Yüzey Aktif Maddeler
Anyonik yüzey aktif maddeler temizlik ürünlerinde kullanılan en önemli ve en çok kullanılan yüzey aktif madde çeşididir [23]. Dünyadaki bilinen en eski anyonik yüzey aktif madde sabundur [23]. Çamaşır deterjanlarının en önemli bileşenlerinden birisi olan anyonik yüzey aktif maddeler, yağı ve kiri kolayca temizlemektedir. Genel temizlik işlemlerinde sentetik anyonik yüzey aktif maddeler üstün temizleme performansları nedeniyle tercih edilmektedir [24]. Bu yüzey aktif maddeler hidrofilik kısımlarında anyonik gruplar içermekte ve madde üzerinde sadece az etkisi olan (sodyum veya potasyum gibi) küçük karşı yüklere sahiptirler [25]. Anyonik yüzey aktif maddeler, çözelti içinde bir negatif ve bir pozitif iyon verecek şekilde iyonlaşır. Anyonik kısım yüzey aktif özellik gösterir. Katyonik kısım ise genelde bir alkali metal (Na+, K+) veya amonyum iyonudur [20]. Anyonik yüzey aktif maddeler grubuna ait ürünler aşağıda sıralanmıştır [26].
Sülfonatlanmış yüzey aktif maddeler (hidrofilik grubun sülfonik iyon olduğu)
Linear alkilbenzen sülfonatlar (LAS) α- Olefin sülfonatlar (AOS)
İkincil alkan sülfonatlar (SAS) Metilester sülfonatlar (MES)
Sülfatlanmış yüzey aktif maddeler (hidrofilik grubun sülfat iyonu olduğu)
Alkol sülfatlar (FAS veya AS) Alkileter sülfatlar (AES)
Karboksile yüzey aktif maddeler (hidrofilik grubun karboksilik iyon olduğu)
Sabun (yağ asidi türevleri)
Sülfosüksinatlar
Bu yüzey aktif maddelerin en sık kullanılanları (LAS), (AES), (SAS) ve (AS). Yüksek çözünürlüğünden dolayı Avrupa, Amerika ve Japonya’da sabunların yerini büyük ölçüde sentetik anyonik yüzey aktif madde olan LAS almıştır. Ayrıca yüksek deterjan özelliği sayesinde sıvı deterjanlarda sıklıkla kullanılmaktadır. Sabun gibi LAS’da su sertliğine duyarlıdır ve artan su sertliği ile temizleme özelliği azalmaktadır [25].
Çizelge 2.4. Bazı anyonik yüzey aktif maddelerin kimyasal yapıları.
Yüzey Aktif Madde Adı Kimyasal Yapısı
Sabun R-COO- Na+ R: C11-C17
Alkil Sülfat (alkol sülfat) CnH2n+1-O-SO2-O- Na+ n: 12-16
Alkileter Sülfat CnH2n+1-O-(CH2CH2O)m-SO3
-Na+
n:12-16
α- Olefin sülfonat CnH2n-1SO3- Na+ n: 14-16
Alkil sülfatlar, doğal yağ alkollerinden veya petrol ürünlerinden elde edilen alkol sülfatlardır. Sülfatlar zincire oksijen köprüsü üzerinden bağlanır. Sert sularda oldukça etkilidir ve kuvvetli ıslatma özelliğine sahiptirler. Karbon zinciri uzunluğu 12-16 arasında olabilmektedir.
Sülfonatlar, sülfatların aksine zincire oksijen köprüsü üzerinden değil doğrudan karbon atomuna bağlanır. Bu sebeple oksidasyona ve hidrolize karşı daha dayanıklıdır. pH değişimlerinden veya ağır metal iyonlarından etkilenmez. Ayrıca farklı hidrofobik gruplarının bağlanması ile çeşitli kullanım alanları oluşmaktadır.
etoksisülfatlardır. AES, diğer alkil formülasyonlarına kıyasla su sertliğine karşı daha fazla duyarlılığa sahiptir. Alkil sülfatlar ile karşılaştırıldığında ise su sertliğine daha az duyarlıdır. Sıvı formülasyonlarda düşük sıcaklıklarda yüksek çözünürlük ve iyi saklama kararlılığı göstermektedir. AES yoğun köpürmeye yol açmaktadır. Spesifik özellikleri nedeniyle AES yünlüler için kullanılan deterjanların yanı sıra banyo köpüğü ve saç şampuanlarında sıklıkla tercih edilmektedirler [25].
İkincil alkan sülfatlar, genellikle kişisel ürünlerde kullanılan anyonik yüzey aktif maddelerdir. Deterjan özellikleri ve su sertliğine duyarlılık açısından LAS’a çok benzerlik gösteren SAS, yüksek çözünürlük ve kimyasal stabilite gibi özellikler taşımaktadır. Kararlı karbon-sülfür bağının varlığı sayesinde geniş pH aralığında çalışılabilmektedir ve uç pH değerlerinde bile hidrolize karşı duyarsızlardır [27]. Hızlı biyolojik bozunma ile çevreye zararı minimum seviyededir. İkincil alkan sülfatlar okside edici ajanlar için kimyasal stabilite, asit ve alkali pH aralığında stabilite, iyi ıslatma gücü ve iyi etkililik ve LAS’dan daha iyi klor stabilitesi gibi avantajlara sahiptir. 2.3.2.2. Katyonik Yüzey Aktif Maddeler
Çamaşır deterjanlarında ıslatıcı, yumuşatıcı ve dezenfektan olarak aynı zamanda korozyon önleyici olarak katyonik yüzey aktif maddeler sıklıkla kullanılmaktadır [28]. Birkaç istisna dışında (fosfor ve sülfür) ticari katyonik yüzey aktif maddeler, azot atomunun dört alkil gruba bağlandığı kuarterner amonyum tuzlarıdır (distearilmetilamin veya ditallov imidazolin gibi) ve pozitif yükü taşıması ile oluşmaktadır. Pozitif yüke sahip olan katyonik kısım yüzey aktiflik gösterir. Katyonik yüzey aktif maddelerle katıların yüzey özellikleri değiştirilebilir. Katı hidrofilik özellikteyken hidrofobik ya da hidrofobik iken hidrofilik özellikte davranması sağlanabilir [29]. Katyonik yüzey aktif maddelerin genel olarak kimyasal yapısı, bir azot atomuna dört alkil grubun bağlanması ile oluşan kuaterner amonyum tuzlarıdır [26]. En yaygın kullanılan katyonik yüzey aktif maddeler;
Mono veya di alkil kuarterner bileşikleri olan di-içyağ dimetilamonyum klorürler (DTDMAC) [19]
Esterlenmiş mono veya di alkil kuaterner bileşikler (esterkuatlar)
İmidozolin tuzlarıdır.
edilmektedir. İlk olarak uzun yıllar boyunca DTDMAC kullanılmıştır ve yerini esterkuatlara bırakmıştır. Yüzey aktif maddelerden en toksik olan gruptur [30]. Alkillenmiş imidozolin tuzları diğer katyonik yüzey aktif maddelere göre dermotolojik olarak daha uyumlu olduğundan dolayı vücut bakım ürünlerinde kullanılmaktadır [27].
Çizelge 2.5. P. D. Knepper ve diğerlerinin çalışmasından bazı katyonik yüzey aktif maddelerin yapısı.
Yüzey Aktif Madde Adı Kimyasal Yapısı
Di-içyağ dimetilamonyum klorür
(DTDMAC)
Di(hidroksietil)dimetil amonyum
klorürün di-içyağ esterleri
(DEEDMAC)
Tri(hidroksietil)metil amonyum
klorürün di-içyağ esterleri (EQ)
2.3-dihidroksi-propanetrimetil
amonyum klorürün di-içyağ
esterleri (LDEQ)
Katyonik yüzey aktif maddeler, genelde anyonik yüzey aktif maddelere göre daha pahalıdır. Ayrıca zayıf deterjan ve zayıf dağılım (dispersiyon) özelliğine sahiptir. Katyonik yüzey aktif maddeler tekstil sanayisinde, yumuşatıcılarda, gübrelerde, katran
kaplamalarda, yağ ürünlerinde korozyon yavaşlatıcılarda ve pigmentlerde
2.3.2.3. Amfoterik Yüzey Aktif Maddeler
Amfoterik yüzey aktif maddeler sulu çözeltilerde aynı molekülde hem anyonik hem de katyonik gruplara sahiptir. İyonize olduklarında anyonik ve katyonik yüzey aktif maddelerin belirleyici özelliklerini göstermektedir. Yani yüzey aktiflik gösteren kısım hem pozitif hem de negatif yükleri bir arada barındırır [20]. Deterjan formülasyonlarında uygun koşullar seçildiğinde anyonik veya katyonik yüzey aktif maddeler ile uyumlu çalışabilmektedir. Bu yüzey aktif maddeler ıslatıcı, yumuşatıcı ve köpük verici olarak kullanılırlar [31].
Bu gruptaki ürünlerin en önemlisi betainin türevleridir [26].
Alkil betain
Alkil amido propil betain
İmidazolinlerden türevlendirilmiş betainler
Alkilamfoasetatlar
Deterjan özelliklerinin iyi olmasına rağmen, bu yüzey aktif maddeler maliyetin yüksek olması nedeniyle, çamaşır deterjanlarında nadiren kullanılmaktadır. Sadece özel durumlarda ve geniş aralıkta uyumluluğun ihtiyaç duyulduğu durumlarda kullanılmaktadırlar [22]. Amfoterik yüzey aktif maddeler arasında betainler ekonomik öneme sahiptir. Betainler su sertliğine duyarsızdır, sadece biraz toksiktir ve cilt ile uyumludur. Esas olarak bulaşık yıkama ve vücut bakım ürünlerinde kullanılırlar.
Çizelge 2.6. P. D. Knepper ve diğerlerinin çalışmasından bazı amfoterik yüzey aktif maddelerin yapısı.
Yüzey Aktif Madde Adı Kimyasal Yapısı
2.3.2.4. Non-iyonik Yüzey Aktif Maddeler
Non-İyonik (iyonik olmayan) yüzey aktif maddeleri, ikinci olarak, temizlik ürünlerinde en çok kullanılan yüzey aktif madde grubudur. Bu yüzey aktif maddeler, su ile kuvvetli ilişkisi olan fonksiyonel grubun bulunmamasından dolayı sulu çözeltilerde iyon üretemez. Diğer yüzey aktif maddeler gibi suyun yüzey gerilimini azaltıcı etki göstermektedirler. Bu grupta yer alan yüzey aktif maddeler;
Alkol etoksilatlar (AE)
Alkol alkoksilatlar (EO/PO)
Alkilamin oksitler (AO)
Alkil poliglukozitler (APG)
Alkilfenol etoksilatlar (APE)
Yağ asidi alkonomidleri (FAA)
Yağ asidi etoksilatlar
Alkanol amitler
Organosilikonlar
Alkil glukamitler (AG) olarak sıralanmaktadır [26].
En önemli temsilcileri, (AE) iken, (EO / PO), (FAA), (AO) ve (APG) gibi diğer gruplar daha az kullanılmaktadır [24].
Diğer bütün yüzey aktif maddelere uyum sağlamaktadırlar. Aktif materyaller genel olarak elektrolitten bağımsız olarak elde edilir. Sert sulara, yüksek konsantrasyonlarda elektrolitlere karşı dayanıklı yapıdadır. Organik solventler ve suda çözünebilirler. Hidrokarbon içermektedirler. Bu yüzey aktif maddeler ıslatıcı ve temizleme maddesi, köpürmeleri zayıf olduğundan köpük kesici, polimer üretiminde ise antioksidan ve fenolik iyon değiştirici üretiminde ısı ayarlayıcı olarak kullanılmaktadırlar [31]. Non-iyonik yüzey aktif maddelerin kullanımı düşük sıcaklıklarda oldukça etkili olmasından dolayı deterjanlarda oldukça yüksektir.
Çizelge 2.7. P. D. Knepper ve diğerlerinin çalışmasından bazı non-iyonik yüzey aktif maddelerin yapısı.
Yüzey Aktif Madde Adı Kimyasal Yapısı
Alkilfenol etoksilat (APEO)
Alkol etoksilat (AE)
Yağ asidi dietanolamitler (FADA)
Alkil glukamitler (AG)
Alkol etoksilatlar (AE) ve alkil fenol etoksilatlar (APE) son zamanlarda kullanılan noniyonik yüzey aktiflerin yaklaşık % 74‘ünü teşkil etmektedirler [30]. Karbon zincirinin uzunluğu ve etoksilat dereceleri değiştirilebilen alkol etoksilatlar farklı yıkama sıcaklıklarına uygun olarak tasarlanabilmektedir. Alkil fenol etoksilatlar (APE) p-oktil, nonil veya etilen glikol (dodesilfenol poli) eterlere dayanmaktadır. APE’lerin yağ giderme özelliğinden ve düşük maliyetlerde üretilmelerinden dolayı alkol etoksilatlardan daha verimlidirler. Buna karşın APE’lerin biyolojik bozunma hızı oldukça düşüktür. Bu nedenle APE’lerin kullanımlarına kısıtlamalar getirilmiştir [27]. Alkil fenol etoksilat yapısında olan nonilfenol etoksilatlar (NPE), nonilfenol (NP) ile etilen oksidin reaksiyonu sonucu üretilmektedir. NPE'ler dallanmış alkil grubu
tarafından hidrofobik ve polar polietoksi kısımları tarafından hidrofilik özelliklere sahip yaygın kullanılan noniyonik yüzey aktif maddelerdir. Etoksilat zincirinin uzunluğu nonilfenolün etilene oranı ile kontrol edilmektedir. Nonilfenol etoksilatlar genellikle temizlik ürünlerinde köpükleştirici olarak kullanılmaktadır.Nnonil fenol, endüstriyel ve genel temizlik amaçlı, zirai pestisit ve boya üretiminde, tekstil ve deri sanayisinde yardımcı madde olarak kullanılmaktadır [32].
Yağ asidi alkanolamidlerin en önemli örnekleri mono ve dietanolamidlerdir. Sıvı formları viskoziteyi arttırmaktadır. En önemli özelliği köpük arttırıcı etkisinin yüksek olmasıdır. Alkanolamidlerin bulunduğu ortamda diğer yüzey aktif maddelerin bulunmaması durumunda su sertliğine karşı oldukça hassas olmaları sebebiyle asit ve bazlardan kolayca etkilenebilmektedirler. Genel olarak şampuanlarda ve sıvı sabunlarda kullanılmaktadırlar [32].
2.4. ATIK SU ARITMA YÖNTEMLERİ
Gri su çok eski zamanlardan beri doğrudan bahçe sulama gibi işlerde kullanılmaktadır [33]. Doğrudan kullanılmasının yanı sıra arıtıldıktan sonra kullanılması birçok açıdan daha sağlıklıdır. Örneğin sürekli olarak bahçe sulamada kullanılması bitkilerin yüzey aktif madde ve yağ gibi kalıntılara maruz kalmasına neden olmaktadır. Evlerde rezervuarlarda kullanılması ile kalıntı ve renk bırakması dolayısıyla temizlik sorunlarını ortaya çıkartmaktadır. Bununla birlikte gri suyun depolanırken kimyasal yapısının değişmesi göz önünde bulundurularak depolama sürelerinin fazla olmaması gerekmektedir. Günümüzde gri suyun tekrar kullanılması, sodyum hipoklorit, ultraviyole (UV) radyasyon, O3 gibi oksidanlar ve inşa edilen sulak alanlar gibi biyolojik arıtma, orta filtrasyon ve membran filtreleme gibi fiziksel yöntemlerle sağlanır [1].
Çizelge 2.8. Gri su arıtma teknikleri.
Biyolojik Arıtma Yöntemleri Fiziksel Arıtma Yöntemleri
Döner Biyolojik Reaktörler Çöktürme
Yapay Sulak Alan Havalandırma
Membran Biyoreaktörler Filtrasyon
Ardışık Kesikli Reaktörler Flotasyon
Kimyasal Arıtma Yöntemleri Elektrokimyasal Arıtma Yöntemleri
Fotokatalitik Oksidasyon Elektrokoagülasyon
İyon Değiştiriciler Elektroflotasyon
Granüler Aktif Karbon Elektrooksidasyon
Koagülasyon Nötralizasyon Klorlama Ozonlama
Gri su diğer atık sulara oranla daha az kirlilik içermektedir. Bu nedenle arıtılıp tekrar kullanılması açısından oldukça uygundur. Arıtımı için fiziksel, biyolojik, kimyasal ve elektrokimyasal yöntemler genelde tek başına kullanıldığı gibi ihtiyaç duyulduğunda ardışık olarak da kullanılmaktadır. Bu yöntemler ile arıtma işlemi ve suyun dezenfeksiyonu sağlanabilmektedir. Örneğin, birlikte kullanılan yöntemlerde, askıda katı madde, yağ ve gres miktarını azaltmak için filtreler kullanılırken, dezenfeksiyon aşamasında mikrobiyolojik kirlilikleri gidermek için klorlama tercih edilebilir [34]. Sonuç olarak, bu farklı teknolojilerin kombinasyonlarının uygulanması, pozitif sonuçlar elde etmek için gri su arıtımında tercih edilmektedir [35], [36].
2.4.1. Biyolojik Arıtma Yöntemleri
Biyolojik arıtma proseslerinin uygulanan en yaygın gri su arıtma yöntemlerinden biri olduğu bilinmektedir. Biyolojik arıtma yöntemleri, atık su içerisindeki çözünmüş
organik maddelerin mikroorganizmalar yardımıyla giderilmesi mantığına
dayanmaktadır. Atık su arıtımında en yaygın olarak kullanılan sistem konvansiyonel atık su arıtma sistemi olan aktif çamur prosesidir [37]. Gri su arıtımında kullanılan diğer yaygın biyolojik arıtma yöntemleri ise Membran Biyoreaktörler (MBR), Döner Biyolojik Reaktörler (RBC) ve yapay sulak alanlardır.
Askıda katı maddeler ve yağların biyolojik yöntemlerle arıtma işleminde çoğu durumda (belediye atık suları, gıda ve çiftlik atık suyu, vb.) çok ekonomik ve güvenilir sistemler olduğu kanıtlanmıştır. Fakat bu yöntemlerin biyolojik olarak parçalanamadığı durumlarda veya biyolojik olarak toksik maddeler bulunduğunda etkinliği düşmektedir [38].
Yapay sulak alan arıtma sistemleri, birçok sucul canlının görev yaptığı havuzlardan oluşur. Sulak alanların ana bileşenleri; bitki (yıllık, mevsimlik, sualtı veya su yüzündeki bitkiler), toprak (mineraller veya organik sedimentler) ve sudur. Yapay sulak alan bazı durumlarda tek başına bir arıtma sistemi olarak görev yaparken, bazen de diğer bir arıtma teknolojisiyle ardışık bir şekilde kullanılırlar. Yapay sulak alanlarla atık suların arıtılmasında doğal sulak alanlardaki ekolojik sistemler esas alınmaktadır [39].
Şekil 2.6. Yapay sulak alan.
MBR sistemleri genellikle gri su arıtımında ve yeniden kullanım amaçlarında kullanılır. Birçok çalışma, gri su arıtımında kullanılan MBR teknolojilerinin, stabilitesi ve patojen giderimi nedeniyle istenilen kullanım standartlarıyla sonuçlandığını göstermiştir [34]. Atık su arıtımı için MBR, klasik aktif çamur sistemlerinin membran teknolojisi ile birleştirilmiş halidir. Biyolojik arıtmadan sonra, çöktürme havuzu yerine Ultrafiltrasyon (UF) veya Mikrofiltrasyon (MF) membranları kullanılarak, ayırma işlemi gerçekleştirilmektedir [40].
2.4.2. Fiziksel Arıtma Yöntemleri
Kaba filtreler, kum ve membran filtreler atık su ortamında bulunan patojenleri uzaklaştırmak için kullanılan fiziksel arıtma yöntemleridir. Fiziksel arıtma atık su içerisinde bulunan kirletici maddelerin fiziksel özelliklerinden faydalanarak katı-sıvı
veya yoğunluk farkından dolayı sıvı-sıvı fazların ayrılması işlemidir. Kirleticiler, kimyasal veya mikroorganizma ilavesi gerektirmeden atık sudan uzaklaştırılmaktadır [41]. Fiziksel arıtma yöntemleri gri su arıtımında tek başına veya başka yöntemlerle birlikte kullanılmaktadır. Fakat fiziksel arıtma yöntemleri tek başına, organikler, besinler, yüzey aktif maddeler ve diğer mikro kirletici maddeler (örneğin, ksenobiyotik organik bileşikler ve metaller) gibi kirletici maddelerin uzaklaştırılmasında çok fazla etkili değildir [35]. Yaygın olarak kullanılan fiziksel arıtma yöntemleri, sedimantasyon, havalandırma, filtrasyon ve flotasyondur.
Askıda kalan katı maddelerin azaltılmasında kullanılan en temel yöntem sedimantasyondur. Bulanıklık değerleri yüksek olduğu durumlarda, uygulanacak olan arıtım aşamasının yükünün azaltmasında kullanılmaktadır. Ek olarak içme suyu ve atık su arıtımında ön ve son çökeltim havuzlarında uygulanmaktadır [7].
Şekil 2.7. Sedimantasyon.
Suda çözünmüş halde bulunan CO2 ve H2S gazları suyun kokusunu ve tadını etkilemektedir. Aynı zamanda suyun içerisinde bulunan organik bileşiklerin ve su sisteminden gelen demir iyonlarının yol açacağı sorunlar bir fiziksel arıtma yöntemi olan havalandırma ile giderilmektedir. Havalandırma işleminde su ortamına hava verilerek oksidasyon işlemi ile demir iyonları ve hidrojen sülfür gazlarının oluşumu engellenir [42].
2.4.3. Kimyasal Arıtma Yöntemleri
Kimyasal arıtma, suda çözünmüş halde bulunan kirleticilerin ve askıda katı maddelerin sudaki çözünürlüğünün azaltılması yoluyla kirleticilerin kimyasal özelliklerini
değiştirmek için kullanılan yöntemlerdir. Kirleticilerin kimyasal reaksiyonlarla floklar oluşturarak çökeltilmesi veya yüzdürülmesi ile giderilmesi sağlanmaktadır. Kimyasal arıtma yöntemleri ile askıda katı madde, kimyasal oksijen ihtiyacı, biyolojik oksijen ihtiyacı, ağır metal ve fosfor gibi parametrelerin giderimi sağlanır. Nötralizasyon, fotokatalitik oksidasyon ve koagülasyon kimyasal arıtma teknikleri arasında yer almaktadır.
Nötralizasyon yöntemi ile atık suların pH’ının ayarlanması yapılmaktadır. Atık suyun alıcı ortama deşarjı için pH standartlarını sağlaması gerekmektedir. Aynı zamanda biyolojik arıtma yapılacak ise öncesinde pH değerinin mikroorganizmaların çalışma aralığındaki pH değerlerine uygun hale getirilmesi gerekmektedir. Biyolojik yöntemlerde olduğu gibi kimyasal çöktürme de reaksiyonların gerçekleşmesine pH değeri etki etmektedir [43].
Fotokatalitik oksidasyon, bir katalizör (TiO2) ve doğal güneş ışığından ya da bir ultraviyole (UV) lambadan yayılan UV ışınları ile oluşan sistemin kimyasal reaksiyonlarla kirleticilerin sudan uzaklaştırılması işlemidir. TiO2 katalizörden kopan elektronlar ile hava ve suda hidroksil (OH) radikalleri oluşur. Bu radikaller organik ve inorganik kirleticilerin yapısını bozarak giderilmesini sağlar. Toplam oksidasyon sonucunda ise karbondioksit (CO2) ve su (H2O) oluşmaktadır.
Şekil 2.8. Fotokatalitik oksidasyon şematik gösterimi.
Koagülasyon (pıhtılaştırma) ve flokülasyon (yumaklaştırma) atık su arıtımında organik ve inorganik bileşiklerin, renk, bulanıklık, zararlı bakterilerin ve patojenlerin ve koku oluşturan maddelerin giderilmesi gibi amaçlarla kullanılmaktadır. Koagülasyon suda bulunan askıda ve çözünmüş katı maddeleri kimyasal maddeler yardımıyla sudan uzaklaştırılmasını amaçlar. Kendi ağırlıkları ile çökelemeyen kolloid haldeki maddeler su ile çeşitli etkileşimleri nedeniyle birbirleri ile ve bir araya gelemez ve birleşemezler.
Koagülasyon yönteminde bu kolloid haldeki maddeleri kimyasal ilavesi ile çökebilir hale getirilir. Koagülasyon için Al₂(SO₄)₃, FeCl3, FeSO4 ve NaAlO2 en yaygın kullanılan koagülantlardır. Flokülasyon yöntemi askıda katı maddelerin kimyasal maddeler ilavesi ile birleştirilerek sudan uzaklaştırılmasıdır [44]. Koagülasyon ve flokülasyon, ısı, renk, bulanıklık, pH, karıştırma şiddeti ve süresine bağlıdır.
2.4.4. Elektrokimyasal Arıtma Yöntemleri
Her ne kadar biyolojik, fiziksel ve kimyasal arıtma yöntemleri gri su arıtımında uygun sonuçlar vermiş olsalar da, esas olarak dirençli ve toksik olan birkaç mikro kirleticiyi uzaklaştırmak için yeterli değildir. Bu nedenle, bu mikrokirleticileri uzaklaştırmak için geleneksel olanlardan başka arıtma yöntemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu noktada, böyle bir sorunun üstesinden gelmek için gelişmiş ileri arıtma yöntemleri önemli rol oynamaktadır [45].
Elektrokimyasal yöntemler, kimyasal yöntem ve elektrik akımı temelleri üzerine kurulu olan teknolojik uygulamalardır [44]. Elektrokimyasal arıtım yöntemlerinin genel mekanizmasında elektrokoagülasyon, elektroflotasyon ve elektrooksidasyon yöntemleri yer almaktadır. Bu yöntemlerle ayrı ayrı çalışılabildiği gibi bazı sistemlerde birkaç elektrokimyasal yöntem kombine veya ardışık şekilde kullanılabilmektedir. Son yıllarda diğer arıtım yöntemlerine kıyasla elektrokimyasal arıtım yöntemleri çevreye duyarlı ve çok yönlü bir arıtım sistemi olmasından dolayı atık su arıtımında oldukça sık kullanılmaktadır.
3. MATERYAL VE YÖNTEM
3.1. ELEKTROKİMYA VE ELEKTROKİMYASAL REAKSİYONLAR
Elektrokimya, maddenin elektrik enerjisi ile etkileşmesi sonucu kimyasal olayları inceleyen bir bilim dalıdır. İletken bir madde (metal, grafit veya yarı iletken) ile iyonik bir iletken (elektrolit) arasında gerçekleşen indirgenme-yükseltgenme reaksiyonları elektrokimyasal reaksiyonlardır [46].
Elektrokimya, metal ve malzeme işlemeleri, elektriksel güç depolama ve dönüştürme, arıtma ve geri dönüşüm, korozyon, sensörler gibi geniş kullanım alanlarına sahiptir. Elektrokimyasal reaksiyonlar, elektrolitten ayrılan iyonik bileşiklerin, anotta yükseltgendiği ve katotta indirgendiği iyon transferi tepkimeleridir [47]. Anot ve katot olarak genellikle metal, karbon veya yarı iletken elektrot kullanılmaktadır. Bir elektroliz işleminin gerçekleşebilmesi için, elektroliz çözeltisinde belli bir iletkenlik olması ve diğer yandan anot ve katot arasında bir bağlantı olması gerekmektedir [48].
Elektrokimyasal reaksiyonlar, katı-sıvı arasında oluşmakta ve uygun yük transferi ile başlamaktadır. Elektrokimyasal indirgenme ve yükseltgenme reaksiyonları Çizelge 3.1’de verilmektedir.
Çizelge 3.1. Tuba Öztürk’ün [48] çalışmasına ait elektrokimyasal reaksiyonlar. Anot reaksiyonları Katot reaksiyonları
Anot elektron vericidir. Katot elektron alıcıdır.
Anotta yükseltgenme olur. Katotta indirgenme olur.
Anotta reaksiyon:
Fe → Fe2+ + 2e-
Katotta reaksiyon:
Fe2+ + 2e- → Fe
Anotta anyonlar toplanır. Katotta katyonlar toplanır.
Anotta oksijen:
2H2O − 4e- → O2↑ + 4H+
Katotta hidrojen:
2H2O + 2e- → H2↑ + 2OH
-3.2. FARADAY YASASI
Elektrokimyasal yöntemlerde “Faraday Kanunu” esas alınmaktadır. Faraday’ın çeşitli elektroliz tepkimelerini inceleyerek geliştirdiği iki yasası bulunmaktadır.
Birinci Faraday Yasası: Bir elektroliz hücresinden akım geçmesi halinde elektrotlarda açığa çıkan ve kaybolan madde miktarları, elektroliz devresinden geçen akım miktarı ile doğru orantılıdır [46]. ∆𝑚 = 𝑘𝑒. İ. 𝑡 (3.1) ∆𝑚 =𝐸̅𝑘. İ. 𝑡 𝐹 (3.2) ∆𝑚 = 𝐴. İ. 𝑡 96500. 𝑍 (3.3) ∆𝑚 = 𝑘𝑒. 𝑄 (3.4) 𝐸̅𝑘 = 𝐹. 𝑘𝑒 (3.5)
Bir elektrokimyasal hücreden geçen akım miktarı ve şiddeti ile akımın geçme süresi arasındaki ilişki Denklem (3.5) ile tanımlanır.
𝑄 = İ. 𝑡 (3.6) Burada,
∆𝑚: Elektrotlardan açığa çıkan madde miktarı (g), 𝑘𝑒: Orantı faktörü,
𝑖: Devreden geçen akım şiddeti (amper), Ē𝑘: Ekivalent değeri,
𝑡: Akımın geçme süresi (saniye) 𝐹: Faraday sayısı (96500 kulon), 𝑄: Elektrik miktarı (kulon).
İkinci Faraday Yasası: Farklı elektrolit çözeltilerinden aynı elektrik miktarının geçmesiyle, elektrotlarda serbest hale geçen madde miktarları arasındaki bağlantıyı vermektedir [48].
Bir elektroliz hücresinden 96500 kulon akım geçtiğinde elektrotlarda bir eşdeğer gram madde açığa çıkar veya kaybolur. Bir eşdeğer madde açığa çıkaran elektrik miktarına ‘ 1 Faraday’ denir [46].
3.3. ATIK SU ARITIMINDA ELEKTROKİMYASAL YÖNTEMLER
Atık su arıtımında, elektrik akımının kullanımı ilk olarak, 1889 yılında İngiltere’de gerçekleşmiştir. Alüminyum ve demir elektrotları ile elektrokoagülasyon, 1909 yılında Amerika’da patenti alınmıştır. İlk olarak geniş ölçekte 1946 yılında Amerika’da İçme suyu arıtımında elektrokoagülasyon kullanılmıştır [49]. Fakat o tarihlerde elektrik, yatırım ve kullanım maliyeti açısından pahalı bir teknik olduğu için elektrokimyasal yöntemler su ve atık su arıtımında dünyada, geniş çaplı uygulama alanı bulamamıştır. Günümüzde, içme suyu standartlarındaki sınırlamalar ve atık su deşarjı konusundaki yasal düzenlemeler, bu teknolojilerin önemini arttırmıştır.
Elektrokimyasal yöntemler, içme suyu ve atık su arıtımında etkili ve verimli sonuçlar alınmasını sağladığı için son yıllarda yaygın olarak kullanılmaya başlamıştır [50].
Elektrokimyasal yöntemler, tekstil vb. atık su [51] arıtımının yanı sıra metal [52], gıda [53] ve yağ [54] atık sularının arıtımında kullanılmaktadır.
Su arıtma da elektrokimyasal yöntemler iki gruba ayrılabilir. Birinci grup; maddelerin elektrokimyasal dönüşümlerini, anotların çözünmesi veya bir çözeltinin bileşenlerini içeren oksidasyon-indirgeme reaksiyonlarının meydana geldiği yöntemleri içerir. Bu işlemlerin örnekleri, elektrokoagülasyon, elektro-indirgeme veya çözeltideki organik bileşiklerin elektro-oksidasyonudur.
İkinci grup, çözeltinin hacminde meydana gelen süreçleri içerir (elektrodiyaliz, elektroflotasyon, elektroosmoz, elektroforez, elektrofiltrasyon). Bu süreçlerde, geri kazanılan maddelerin faz dispersiyonu veya fizikokimyasal özelliklerinde değişiklik gerçekleşmez.
Bu yöntemlerin kombinasyonu ile kullanılan elektrokimyasal arıtma reaktörlerinde atık su üzerinde verimli bir etki oluşturabilir. Çeşitli avantajları ile de elektrokimyasal yöntemler, atık su arıtımında diğer arıtma yöntemlerinin önüne geçmektedir. Bu avantajlar söyle sıralanabilmektedir;
Ekipman ihtiyacının az olması,
Toplam sistem maliyetinin uygun olması,
İşletme ve bakım ihtiyacının az olması,
Arıtma işlemi oldukça kısa sürede gerçekleşmesi,
Kimyasal madde ilavesine ihtiyaç duyulmaması,
Daha az çamur oluşumu.
Elektrokimyasal yöntemler diğer yöntemlerle sadece maliyet, ekipman ve işletme kolaylığı açısından değil, yeterlilik ve verimlilik açısından da karşılaştırılmaktadır. Dirençli kirleticiler içeren atık suların arıtımında elektrokimyasal yöntemler daha kullanışlı bir adım haline gelmiştir [50].
Atık su arıtımında kirleticilerin giderilmesi için kullanılan elektrokimyasal yöntemleri birbirinden ayıran önemli özellikler, elektrokimyasal yöntemin yapısı ve şeklidir. En çok kullanılan elektrokimyasal yöntemler; Elektrokoagülasyon (EK), Elektroflotasyon (EF) ve Elektrooksidasyondur (EO) [55].
Elektrokoagülasyon yönteminde sulu ortamda elektrik akımı ile çözünebilen metal elektrotlar (Fe ve Al ) kullanılmaktadır. Elektrotlardan ayrılan metal iyonları (Fe2+ ve
Al3+) ortam koşullarına göre kirleticilere bağlanarak koagüle olmaktadır.
Elektrokoagülasyonda ortamdan kirletici giderilirken koagülasyon, flotasyon ve oksidasyon birlikte olabilmektedir. Fakat kirleticilerin oksidasyonu net değildir ve ortam koşullarına bağladır [56]. Elektroflotasyon ve elektrooksidasyon yöntemlerinde, ortama dayanıklı ve çözünmeyen Ti/Ru, Ti/Sn ve çelik gibi inert metal veya metal alaşımlardan yapılmış elektrotlar tercih edilmektedir. Elektrooksidasyonda, organik maddelerin oksidasyonu elektrokimyasal olarak oluşan OH. radikali ile sağlanmaktadır.
Elektroflotasyon da ise, O2 ve H2 gibi çıkan gazlar sayesinde kirleticilerin yüzeyde toplanması ile gerçekleştirilmektedir [50].
3.3.1. Elektrokoagülasyon Yöntemi
Elektrokoagülasyon kullanımı en yaygın olan elektrokimyasal arıtım yöntemidir [57]. Atık suların içerisinde farklı büyüklüklerde bulunan kirleticilerin pek çoğu yerçekimi ile çökemeyecek kadar küçük yapıdadır. Bu maddelerin çökebilir formlara dönüştürülmesi koagülasyon işlemi ile gerçekleştirilmektedir. Kimyasal koagülasyon, askıda kalmış, yüklü katı maddelerin bulunduğu sulu ortama zıt yüklü iyonlar ilave edilerek nötralizasyon ile bir araya toplanması olayıdır [58]. Koagülasyon işlemi suya kimyasal madde ilave ederek gerçekleştirilmesinin yanı sıra suya elektrik akımı verilerek de elektrokoagülasyon işlemi ile gerçekleştirilebilmektedir.
Elektrokoagülasyon yönteminde kimyasal koagülasyondan farklı olarak koagülant, anot olarak seçilen metalin elektrolitik oksidasyonu sonucunda oluşur. Bu yöntemde, anottan çözünen metal iyonları ve ortamda bulunan yüklü iyonlar bir araya gelerek metal hidroksit flokları oluşmaktadır [59]. Elektrokoagülasyon yöntemi uygulandığı sırada mekanizmasında belirli miktarda flotasyon, absorbsiyon, adsorbsiyon ve çöktürme prosesleride meydana geldiğinden dolayı kirletici giderim verimi çok yüksektir.
Elektrokoagülasyonda yaygın olarak alüminyum (Al3+) ve demir (Fe3+ ve Fe2+) elektrotlar tercih edilmektedir [57]. Elektrokoagülasyonda anotta yükseltgenme katotta indirgenme meydana gelmektedir. Yapılan çalışmalarda suyun akışı plaka elektrotların arasından olup, elektrik akımı akış yönüne dik bir yönde olacak şekilde dikey olarak düzenlenmiştir [62], [57].
çözünerek metal iyonlarını oluşturur. Bu metal iyonları (Al3+, Fe2+ ve Fe3+) sudaki hidroksil iyonları ile birleşerek Al(OH)3, Fe(OH)2 ve Fe(OH)3 gibi metal hidroksitleri oluşturmaktadır. Elektrokoagülasyon anında oluşan metal hidroksitler oldukça yüksek adsorbsiyon özelliklerine sahiptir ve mikrokirleticileri adsorbe etmektedir.
Sistemde paralel reaksiyonlarla anotta oksijen, katotta hidrojen kabarcıkları oluşmaktadır. Bu gaz kabarcıkları da floküle olmuş kirleticileri su yüzeyine çıkarmaktadır.
Şekil 3.2. Elektrokoagülasyon düzeneği.
Alüminyum anodun elektrolitik çözünmesiyle, düşük pH değerlerinde Al3+ ve Al(OH)2+
gibi katyonik monomerler oluşmaktadır. Bu türler daha sonra Al(OH)3’e ve son olarak polimerleşerek Aln(OH)3n’e dönüşmektedirler. Alüminyum elektrot kullanıldığında meydana gelen reaksiyonlar aşağıda sıralanmıştır.
Anot bölgesinde: 𝐴𝑙(𝑠) → 𝐴𝑙(𝑎𝑞)3+ + 3𝑒− (3.7) 𝑛𝐴𝑙(𝑂𝐻)3 → 𝐴𝑙𝑛(𝑂𝐻)3𝑛 (3.8) Katot bölgesinde: 3𝐻2𝑂 + 3 𝑒− → 3/2𝐻 2(𝑔) + 3𝑂𝐻− (3.9)
