Bu nedenle, boya içeren atık suların su sistemlerine salınmadan önce arıtılması için yenilikçi, uygun maliyetli ve verimli atık su arıtma teknolojilerine ihtiyaç vardır. Çalışmanın sonuçlarından; Boyaların moleküler ağırlığının boyutunun elektrokimyasal yöntemlerle (elektrokoagülasyon ve elektrooksidasyon) sudan uzaklaştırılmasında avantaj sağladığı görülmüştür. Endüstriyel uygulamalarda farklı kimyasal yapılara ve moleküler ağırlıklara sahip farklı boya türleri kullanılmaktadır.
In addition, the introduction of dyes that are toxic and mutagenic into the water bodies negatively affects aquatic life. In this study, the effect of molecular weights of dyes on removal efficiencies with electrocoagulation and electrooxidation processes was investigated. The results of the study show that the higher size of the dyes' molecular weight favors their removal from water by electrochemical methods (electrocoagulation and electrooxidation).
GİRİŞ
Tezin Amacı
Bu çalışmanın amacı, boyaların moleküler ağırlıklarının elektrokoagülasyon ve elektrooksidasyon prosesleri ile renk giderim verimleri üzerindeki etkisini araştırmaktır. Bu amaçla, üç farklı moleküler ağırlığa (reaktif mavi g/mol, reaktif mavi g/mol) ve reaktif sarı g/mol) sahip tekstil boyalarının farklı akım yoğunluklarında giderim davranışları incelenmiştir.
TEKSTİL ENDÜSTRİSİNDE KULLANILAN BOYAR MADDELER VE
Tekstil Endüstrisinde Kullanılan Boyar maddeler ve Sınıflandırılması
- Boyar maddeler
- Boyar maddelerin sınıflandırılması
- Çözünürlük özelliklerine göre sınıflandırılması
- Suda çözünür boyar maddeler
- Suda çözünmez boyar maddeler
- Boyama özelliklerine göre sınıflandırılması
- Direkt boyar maddeler
- Vat boyar maddeler
- Kükürt boyar maddeler
- Asit boyar maddeler
- Dispers boyar maddeler
- Bazik (katyonik) boyar maddeler
- Solvent boyar maddeler
- Reaktif boyar maddeler
- Kimyasal yapısına göre sınıflandırılması
Çeşitli durumlarda, çözünmeyen boyalar kumaşlara veya diğer malzemelere uygulanır ve aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir. Geçici çözünür boyalar: kimyasal dönüşüm yoluyla suda çözünür hale dönüşürler ve sulu bir çözeltiden uygulandıktan sonra kumaşta çözünmez hale gelirler. Dispers boyalar suda çözünmez veya az çözünür, iyonik değildir ve sulu bir dispersiyon olarak hidrofobik liflere uygulanır (Mock, 2004).
Bu tür boyalar genellikle akrilik, kağıt ve naylon yüzeylere uygulanırken, bazı modifiye edilmiş polyester yüzeylerde de kullanılmaktadır. Boyalar kimyasal yapılarına göre sınıflandırıldığında en önemli ve en büyük grubu azo boyalar oluşturmaktadır. Azo boyalar, diazonyum tuzunun amin veya fenol ile birleştirilmesiyle elde edilir (Singh, 2002).
Tekstil Endüstrisi Boyama Atıksularının Özellikleri
- Tekstil boyama işlemi
- Tekstil atıksuyunun karakterizasyonu
- Çevresel etkisi
Ayrıca yüksek sıcaklık ve pH ciddi sorunlara yol açabilmektedir (Bhatt ve Rani, 2013). Suda yaşayan organizmalar için gerekli olan çözünmüş oksijenin eksikliği, tekstil atık sularının en ciddi etkilerinden biridir. Son olarak, doğrudan kanalizasyona boşaltılmaları, biyolojik arıtma süreçlerinde sorunlara neden olmakta ve arıtılmış atık su için kullanılan ultraviyole dezenfeksiyon işleminin etkinliğini etkilemektedir (Körbahti, 2007).
TEKSTİL ENDÜSTRİSİ BOYAMA ATIKSULARININ ARITIMI
Genel Arıtım Prosesleri
- Biyolojik prosesler
- Aerobik biyolojik prosesler
- Anaerobik biyolojik prosesler
- Fiziko-kimyasal prosesler
- Kimyasal oksidasyon
- Kimyasal koagülasyon ve flokülasyon
- Adsorption
- İyon değişimi
- Membran prosesler
Son araştırmalarda, bazı boyaların anoksik/anaerobik bozunmaya eğilimli olduğunu gösteren kanıtlar güçlenmektedir (Anjaneyulu ve diğerleri, 2005). Azo boyanın (RED RBN) hızlı bir şekilde rengini giderebilme özelliğine sahip bir mikroorganizmalar konsorsiyumunun fosforlanmış polivinil alkol (PVA) ile immobilize edilmesinin ardından, yüksek konsantrasyonlarda (500 mg/l) boya solüsyonunda %75 giderim verimi elde edilmiştir. (K Chen ve diğerleri, 2003). Kimyasal oksidasyon proseslerinde, boya moleküllerinin aromatik zincirinin parçalanmasıyla boya atık suyundan boya giderimi gerçekleşir (Anjaneyulu ve diğerleri, 2005).
Ozonlama sonucunda atık su renksiz hale gelir ve düşük KOİ içeriği ile çevreye salınmaya uygun hale gelir (Robinson ve ark., 2001). UV ışınları, hidrojen peroksitin iki hidroksil radikaline ayrışmasını aktive ederek organik maddenin kimyasal oksidasyonunu sağlar (Robinson ve diğerleri, 2001). Organik çözücülerin maliyeti yüksektir ve dispers boyalarda iyon değiştirme yöntemi çok etkili değildir (Robinson ve ark., 2001).
Elektrokimyasal Arıtım Prosesleri
- Elektrokoagülasyon (EC)
- Koagülasyon konsepti
- Elektrokoagülasyon teorisi
- Elektrokoagülasyon teknolojisi
- Çeşitli parametrelerin Elektrokoagülasyon prosesine etkisi
- Elektroflotasyon (EF)
- Elektroflotasyon reaktör tasarımı
- Elektroflotasyonu etkileyen parametreler
- Elektrooksidasyon (EO)
- Doğrudan oksidasyon
- Dolaylı oksidasyon
- Elektrot materyali seçimi ve elektrokimyasal oksidasyon mekanizması
- Hidroksil radikali ( OH) ve su arıtımındaki rolü
Zıt yüklü elektrolit varlığında, elektrikli çift tabakanın itme potansiyelindeki azalma sonucunda yüzey yükü azalır (Mollah ve diğerleri, 2001). İkinci kombinasyon yöntemi olan EC ultrafiltrasyon, Kumarasinghe ve arkadaşları tarafından tarif edilmiştir. 2009), atık sudan Cu, Cd ve Pb giderimi için. Fe(III), Al(III)'den daha geniş bir pH aralığında etkilidir ve hafif alkali pH koşullarında da etkilidir (Sahu ve diğerleri, 2014).
Optimum akım yoğunluğu her zaman işletme maliyetleri ile çözelti pH'ı, sıcaklık ve akış hızı gibi parametrelerin verimli yönetimi arasındaki denge ile belirlenir (Sahu ve diğerleri, 2014). İki elektrot arasındaki mesafe, reaktörün boyutunu ve güç tüketimini etkileyen ve aynı zamanda genel işleme maliyetleri üzerinde önemli bir etkiye sahip olan bir parametredir (Ghosh ve diğerleri, 2008). Ohmik potansiyel düşüşü elektrotlar arasındaki mesafe ile orantılı olduğundan, elektrolizde enerji tüketimini azaltmak için mesafenin azaltılması çok önemlidir (Wang vd., 2009).
Bu nedenle anot ile katot arasındaki mesafenin artması nedeniyle omik potansiyelin artması EC prosesinde istenen bir şey değildir (Sahu vd., 2014). Mekanik parlatma yoluyla paslanmaz çelik elektrot üzerinde ayna benzeri bir yüzey oluşturarak en küçük kabarcıklar üretilebilir (Sarkar ve diğerleri, 2010). Anot olarak Pt ve Pt kaplı ızgara elektrotların kullanımı birkaç çalışmada bildirilmiştir (Ketkar ve diğerleri, 1991).
Sarkar ve diğerleri (2010), katotta oluşan önemli miktarda hidrojenin akım yoğunluğuna bağlı olarak elektrolit çözeltisinde çözündüğünü bildirmiştir. Sulu atıksuyun elektro-oksidasyonunda, her iki oksidasyon mekanizması aynı anda meydana gelebilir (Anglada ve diğerleri, 2009). Şekil 3.6: a) doğrudan oksidasyon ve b) dolaylı oksidasyon süreçleri. Organik kirleticilerin kimyasal olarak bağlı oksijen ile oksidasyonu, seçici oksidasyon ürünleri üretir (Farmer ve diğerleri, 1992).
Ömürlerinin kısa olması nedeniyle arıtma sistemlerinden kendiliğinden kaybolabilirler ancak ancak akım uygulandığında yaşamlarını sürdürürler (Buthiyappan ve ark., 2016).
UV Görünür Bölge Absorbsiyon Spektroskopisi
- Lambert-Beer kanunu
- Spektroskopik enstrümanların temel bileşenleri
Bir çözeltideki analitin konsantrasyonu, belirli bir dalga boyunda absorbans ölçülerek Lambert-Beer yasası uygulanarak belirlenebilir. Bu analizler, bir çözeltideki bileşik konsantrasyonu ile ışığın soğurulması arasındaki ilişkiyi gösteren Lambert-Beer yasasına dayanmaktadır. Geçirgenliğin iki parlaklığın oranına eşit olduğu absorpsiyon spektroskopisinde kullanılan cihazlara spektrofotometreler de denir.
Çift ışık demeti cihazından daha az optik bileşen içerdiğinden daha az karmaşıktır (Günzler ve Williams, 2008). Çift ışınlı cihazlar, biri numuneden ve diğeri referanstan olmak üzere iki ışık yoluna sahiptir ve dalga boyu taraması sırasında ikisi arasında otomatik olarak geçiş yapar (Şekil 3.10).
MATERYAL VE METOD
- Kullanılan Boyar maddeler ve Özellikleri
- Deney Düzeneği
- Elektrokoagülasyon deney düzeneği
- Elektrooksidasyon deney düzeneği
- Deneysel İşlem
- Elektrokoagülasyon işlemi
- Elektrooksidasyon işlemi
- Analitik Yöntem
- Kalibrasyon eğrilerinin oluşturulması
- Boya konsantrasyonlarının belirlenmesi
- Kullanılan eşitlikler
Anot olarak bir ağ ve katot olarak toplam aktif alanı 15 cm2 olan bor katkılı elmas (BDD) elektrot. Elektrolit çözeltisine tamamen daldırılan elektrotlar güç kaynağının (+) ve (-) kutuplarına anot ve katot olarak bağlandıktan sonra istenilen akım ve gerilim ayarları yapılmıştır. Elektro-oksidasyon prosesinde 50 mg/l boya ile hazırlanan sentetik boya atık suyunun hacmi 500 ml'dir.
Elektrotlar güç kaynağı üzerinde ilgili (+) veya (-) kutuplara bağlandıktan sonra gerekli akım ve gerilim ayarları yapılmıştır.
BULGULAR VE TARTIŞMA
Akım Yoğunluğunun Renk Giderme Verimine Etkisi
- Elektrokoagülasyon prosesinde akım yoğunluğunun giderim verimine
- Elektrooksidasyon prosesinde akım yoğunluğunun giderim verimine etkisi
Şekil mA/cm2 akım yoğunluğunda farklı moleküler ağırlıklara sahip boyaların uzaklaştırılması (Deneysel koşullar: başlangıç boya konsantrasyonu: 50 mg/L, Karıştırma hızı: 100 rpm, elektrot mesafesi 10 mm, NaCl konsantrasyonu: .1000 mg/l). Bir dakikadan deneyin sonuna kadar bir gram boya başına tüketilen alüminyum miktarı, deneyin sonuna kadar doğrusal olarak arttı veya RB g/mol g <. Şekil mA/cm2 akım yoğunluğunda farklı moleküler ağırlıktaki boyaların uzaklaştırılması (Deneysel koşullar: başlangıç boya konsantrasyonu: 50 mg/L, Karıştırma hızı: 100 rpm, elektrot mesafesi 10 mm, NaCl: 1000 mg/l).
Şekil mA/cm2 akım yoğunluğuna sahipken farklı moleküler ağırlıklara sahip boyaların çıkarılması (Deneysel koşullar: başlangıç boya konsantrasyonu: 50 mg/L, Karıştırma hızı: 100 rpm, elektrotlar arası mesafe 10 mm, NaCl konsantrasyonu: .1000 mg / l). Üç boya çıkarma işleminin tümü için tüketilen alüminyum miktarı, deneyin sonuna kadar zamanla neredeyse doğrusal olarak arttı. Deney süresince boyanın gramı başına tüketilen elektrik miktarı her üç boya için de birbirine yakın olmuştur.
ve 0,417 mA/cm2 akım yoğunluğu, en yüksek moleküler ağırlıklı boya RB198 en yüksek çıkarma verimine sahipti ve en düşük moleküler ağırlıklı boya RB19 en düşük çıkarma verimliliğine sahipti. ve 1.042 mA/cm2 akım yoğunluklarında, en düşük moleküler ağırlıklı boya RB198 için en az alüminyum ve en düşük moleküler ağırlıklı boya RB19 için en fazla alüminyum kullanılmıştır. Ayrıca farklı akım yoğunluklarında boyayı çözeltiden uzaklaştırmak için gereken enerji tüketimi Wh/g olarak hesaplanmıştır.
İncir. mA/cm2 akım yoğunluğunda farklı moleküler ağırlığa sahip boyaların uzaklaştırılması (Deneysel koşullar: başlangıç boya konsantrasyonu: 50 mg/L, elektrotlar arası mesafe 15 mm NaCl konsantrasyonu: 1000 mg/l. Şekil. Farklı yoğunluktaki boyaların mA/cm2 akım yoğunluğu moleküler ağırlıklar (Deneysel koşullar : başlangıç boya konsantrasyonu: 50 mg/L, elektrotlar arası mesafe 15 mm, NaCl konsantrasyonu: 1000 mg/l) Şekil mA/cm2 akım yoğunluğunda farklı moleküler ağırlığa sahip boyaların çıkarılması (Deneysel koşullar: başlangıç boya konsantrasyonu ) : 50 mg/L, elektrotlar arası mesafe 15 mm.NaCl konsantrasyonu: 1000 mg/l).
Her üç boya için de akım yoğunluğu 3,33'ten 33,3 mA/cm2'ye yükseltilerek boya giderim etkinliğinde artış gözlemlendi. ve 33,3 mA/cm2 akım yoğunluklarında, en yüksek moleküler ağırlığa sahip RB198 boyası en yüksek uzaklaştırma verimine sahipken, en düşük moleküler ağırlığa sahip RB19 boyası en düşük uzaklaştırma etkinliğine sahipti.
İşletme Maliyeti
- Elektrokoagülasyon işletme maliyeti
- Elektrooksidasyon işletme maliyeti
- Elektrokoagülasyon ve elektrooksidasyon prosesleri işletme maliyetlerinin
mA/cm2 akım yoğunluklarında, en düşük moleküler ağırlıklı RB19 boyasının çıkarma maliyeti en yüksekti. Elektrooksidasyon işleminde elektrot tükenmesi olmadığından, bireysel işletme maliyeti hesaplanırken elektrik enerjisi dikkate alınır. RB198 boyasının yaklaşık olarak aynı uzaklaştırma verimliliği için, elektrokoagülasyondan kaynaklanan elektrooksidasyon iletim maliyetleri sırasıyla; 0,05 A için 2,5 kat, 0,1 A için 3 kat, 0,2 A için 7,5 kat, 0,5 A için 7,75 kattır.
Ancak elektrokoagülasyon yönteminin çamur ürettiğini ve bu çamuru uzaklaştırmanın bir maliyeti olduğunu unutmamalıyız.
SONUÇ VE ÖNERİLER
Boyanın molekül ağırlığının büyüklüğü elektrokimyasal yöntemlerle (elektrokoagülasyon ve elektrooksidasyon) sudan uzaklaştırılmasında avantaj sağlar. Elektrokimyasal proseslerden biri olan elektrokoagülasyon, boya gideriminde elektrooksidasyona göre daha kısa sürede ve daha düşük işletme maliyeti ile giderilebilmektedir.
KAYNAKLAR
Elektrokoegülasyon Yöntemi ile Sulardan Boyarmadde Gideriminde Molekül Büyüklüğü ve pH etkisi, Academic Platform- Journal of Engineering and Science. Removal of Cr3+ by Multiple Electrode Electrocoagulation: Bipolar and Monopolar Configurations, Journal of Hazardous Materials. Decolorization of anthraquinonic dye, Reactive Blue 114 from synthetic wastewater by Fenton process: kinetics and thermodynamics, Journal of Industrial and Engineering Chemistry.
A Review on Developments in Dyeing Cotton Fabrics with Reactive Dyes for Effluent Pollution Reduction, Journal of Cleaner Production. Treatment of textile wastewater by electrocoagulation using iron and aluminum electrodes, Journal of Hazardous Materials. Evaluations of operating parameters for the treatment of can manufacturing wastewater by electrocoagulation, Journal of Water Process Engineering, 8, 64-74.
Biodegradation, decolorization and detoxification of textile wastewater improved by advanced oxidation processes, Journal of Biotechnology. Electrochemical Degradation of Reactive Blue 19 in Chloride Medium for Textile Dye Waste Water Treatment with Identification of Intermediates, Dyes and Pigments, 72, 1–7. Reactive Black 5 in aqueous solution by electrocoagulation with sacrificial iron electrodes, Journal of Hazardous Materials.
Effects of alternating and direct current in electrocoagulation process on the removal of fluoride from water, Journal of Chemical Technology and Biotechnology. A review on chemical coagulation/flocculation technologies for color removal from textile wastewater, Journal of Environmental Management. Use of Adsorption Using Granular Activated Carbon (GAC) for Enhancing the Removal of Chromium from Synthetic Wastewater by Electrocoagulation, Journal of Hazardous Materials.
Combined electrocoagulation and electroflotation for the removal of fluoride from drinking water, Journal of Hazardous Materials.
