ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DENEYLERİ

Transkript

1 ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DENEYLERİ SAYFA NO 1 KİMYASAL KOAGÜLASYON VE FLOKÜLASYON (JAR TESTİ) 1 2 SERT SULARIN KİREÇ SODA YÖNTEMİ İLE YUMUŞATILMASI 9 3 ENGELLİ ÇÖKELME 13 4 ÇÖKTÜRME HAVUZLARININ TASARIMI VE HİDROLİK ÖZELLİKLERİNİN BELİRLENMESİ 5 ÇÖKTÜRME HAVUZLARININ VERİMLERİNİN İNCELENMESİ 23 6 İYON DEĞİŞİMİ 26 7 DERİN YATAK KUM FİLTRASYONU 32 8 AKTİF KARBON KOLON ADSORPSİYONU 38 9 VAKUM FİLTRASYONU VE ÖZGÜL FİLTRASYON DİRENCİNİN BELİRLENMESİ AKTİF ÇAMUR PROSESİNDE KİNETİK PARAMETRELERİN BELİRLENMESİ MEMBRAN FİLTRASYONU ADSORPSİYON İZOTERMLERİ OKSİJEN TRANSFERİ VE HAVALANDIRMA KIRILMA NOKTASI KLORLAMASI REAKSİYON DERECESİ VE HIZ SABİTLERİNİN BULUNMASI ELEKTROKOAGÜLASYON İLE SULU ÇÖZELTİLERDEN BOYAR MADDELERİN GİDERİLMESİ 17 KİMYASAL ÇÖKTÜRME FLOTASYON SU TAŞIYICI TABAKALARIN HİDROLİK GEÇİRGENLİKLERİ İÇME SULARINDA STABİLİZASYON VE KOROZYON TESPİTİ

2 KİMYASAL KOAGÜLASYON VE FLOKÜLASYON (JAR TESTİ) DENEYİN AMACI: Artık suyun arıtımı için en iyi ph aralığı ve koagülant maddenin belirlenmesi ile karıştırma şiddeti ve zamanının etkisinin incelenmesi 1. TEORİK BİLGİLER İçme veya artık sularda kolloid halde maddeler istenmez. Kolloid maddeler (1mµ-0.1mµ) çökeltilerek veya filtre edilerek uzaklaştırılmazlar. Bu tür kolloidlerin sudan çöktürülme ile uzaklaştırılması için kimyasal maddelere gerek duyulmaktadır. Bu kimyasal maddelere koagülant adı verilmektedir. Koagülantlar suya ilave edildiğinde kolloidal taneciklerin stabilitelerini değişik şekillerde bozarlar ve bir araya gelerek büyümelerini kolaylaştırır. Bu şekilde bir araya gelen taneciklerin boyutları büyür ve daha kolay çökelebilir bir yapı kazanır. Suya koagülant madde ilavesi işlemine koagülasyon adı verilmektir. Koagülasyondan sonra su içerisinde stabiliteleri bozulmuş olan taneciklerin bir araya gelerek flok adı verilen daha büyük yapılara dönüştürülmesi için birbirleriyle temas ettirilmeleri gerekmektedir. Bu işlem suyun yavaş karıştırması ile gerçekleştirilir ve flokülasyon olarak bilinir. Kolloidlerin stabilitelerinin bozulması aşağıdaki 4 şekilde gerçekleştirilebilir. 1-Çift tabakanşn sıkıştırılması 2-Adsorbsiyon ve yük nötralizasyonu 3-Çökelek içine hapsetme 4-Adsorbsiyon ve tanecik arasında köprü kurma Su arıtımında koagülasyon ve flokülasyon şu amaçlarla yapılır. 1. Anyonik ve organik bileşiklerin giderilmesi 2. Hakiki ve görünen rengin giderilmesi 3. Zararlı bakterilerin ve patojenlerin giderilmesi 4. Tad ve koku oluşturan maddelerin giderilmesi 5. Alg ve planktonların giderilmesi 2

3 Kolloidler bulundukları sıvı ortam içinde daima bir elektrik yüküne sahiptirler. Partikül yüzeyinde zıt iyonların konsantrasyonu en büyüktür. Yüzeyden uzaklaştıkça zıt iyon derişimi azalır. Bu yüzden tanecik yüzeyi ile sıvı çözelti arasında bir elektriksel potansiyel oluıur. Tanecik yüzeydeki potansiyele zeta potansiyeli denir. Bu potansiyel kolloid süspansiyonun kararlılığı ile ilgili bir potansiyeldir. Kolloidlerin uzun süre yapıların korumaları, dengeli olduklarını gösterir. Bu dengeli hal kolloidlerin çöktürülmesi açısından kötü bir durumdur. Koagülasyon iıleminde en çok kullanılan koagülantlar alüminyum ve demir tuzlarıdır. Su arıtımında kullanılan bu koagülantlar şu şekilde sınıflandırabilir. 1. Al (III) Tuzları : - Alüminyum sülfat (Alüm), Al2(SO4)3 8 H2O -Sodyum alüminat,naalo2 veya Na2Al2O4 2. Fe (III) Tuzları : - Ferri Klorür, FeCl3 6H2O - Ferri Sülfat, Fe2(SO4)3 2H2O - Ferro Sülfat, Fe2(SO4) 7H2O Bunlardan en fazla kullanılanı alümdür. Alüm suya ilave edilince alkali ortamda, Al2(SO4)3 18H2O + 3Ca(OH)2 3CaSO4 + 2Al(OH)3 + 18H2O reaksiyonunu verir. Al(OH)3'in sudaki çözünürlüğü oldukça azdır ve kolloidin yük dengesini bozarak çökelmelerine yol açar. Alüm, ph 7 de en az çözünür. Alüminyum flok ph 7 de pozitif ph 8.2 de negatifdir. Demir tuzları ise, ph 3-13 arasında çözünmeyen demir hidroksit oluıtururlar. 3. Sentetik organik polimerler: - Polietilen oksit - Poliakrilamid - Poliakralik asit - Politiren sülfünat 3

4 - Polidiallitdimetil amonyum} katyonik polieletrotlitler 4. Aktif silika (H4SiO4): Doğal sularda silika çözünmüş halde bulunur ve floklaşması sonucu koagüle olur. 5. Biofloklaşma: Mikroorganizmaların çıkardıkları veya hücre üzerinde biriken polimerler floklaşmaya sebep olurlar. Kuvvetli asit anyonları içeren koagülantlar hidrolizleri sonucunda asit gibi davrandıklarından koagülasyonun ardından ph yı yükseltmek için ortama kireç ilave etmek gerekebilir. Bu durum arıtılacak olan suyun kimyasal yapısına bağlıdır. Jar testi, su veya atıksuyu arıtmak için optimum koagülant dozu ve ph yı hesaplamaya yarayan ampirik bir iılemdir. Bulunan verilerden yararlanılarak arıtma tesislerinde aynı bileıimdeki atık suya verilecek koagülant miktarı belirlenir. Ancak arıtma tesisine gelen atıksuyun bileşiminde değişmeler olursa, jar testinin yeniden yapılması ve miktarların kontrol edilmesi gerekmektedir. 2. DENEYİN YAPILIŞI A) OPTİMUM KOAGÜLANT ve DOZUNUN BELİRLENMESİ 1-Arıtılacak olan suyun sıcaklığı ölçülerek 1'er L alınır ve şekil 1'de gösterilen jar testi düzeneğindeki 2 L'lik kaplara konulur. 2-Al2(SO4)3 18H2O veya Fe2(SO4)3 2H2O'dan 1 ml'sinde 10 mg koagülant olacak şekilde saf su içerisinde çözülerek stok koagülant çözeltileri hazırlanır. 3-Jar testi düzeneğindeki karıştırıcılar, erlenler içindeki su içerisine daldırılır ve 100 dev/dak. hızla çalıştırılır. 4-Hızlı karıştırma esnasında 1. erlendeki ham suya 1 ml, 2. erlendekine 3 ml, 3. erlendekine 5 ml stok koagülant madde ilave edilir. Sonuncu erlen ise kontrol amacıyla olduğu gibi bırakılır. 5-İlave edilen kimyasal madde tüm su içerisine karıştıktan sonra (Yaklaıık 1 dakika) karıştırma hızını 30 dev/dak.'ya indirin. 4

5 6-Yavaş karıştırma hızı, oluşan flokların beher içerisinde çökelmesine engel olacak kadar olmalıdır. Yaklaşık olarak dakika sonra gözle görülebilir flok oluşumu tamamlandığında karıştırmayı sona erdirin ve karıştırıcıları çıkartarak süspansiyonu çökelmeye bırakın dakikalık bir çökelmeden sonra üst kısımdaki berrak sıvının bulanıklılık veya rengini ölçünüz ve dipde oluıan çamurların yüksekliğini kaydediniz. İşlem sonucunda her bir kapdaki berrak sıvının ph'nı belirleyiniz. 8-Yukarıdaki tüm işlemleri Fe2(SO4)3 2H2O için de tekrarlayarak, aynı ham su için alüm ile elde edilen verimleri ve oluşan çamur miktarını karşılaştırınız. Şekil 1. Jar testi düzeneği B) OPTİMUM ph'ın BELİRLENMESİ A Deneyinde Fe2(SO4)3 2H2O kullanılarak bulunan optimum dozu kullanarak, deneyi tekrarlayınız. Fakat tüm erlenlere koagülant ilavesinden önce, ph ayarlaması yapılması gerekmektedir. Bu işlem için H2SO4 veya NaOH kullanılarak ph'lar 6, 7, 8 ve 9'a ayarlanır. Denemeden sonra her bir erlendeki bulanıklılık, renk ve ph ölçülür ve oluşan çamur miktarları tespit edilir. 3. DENEY SONUCUNUN HESAPLANMASI 5

6 Koagülant dozuna karşılık bulanıklılık giderme verimleri ve oluşan çamur hacimlerini grafiğe aktarınız. Elde edilen tüm sonuçları aşağıdaki tabloda gösteriniz. B deneyi için elde edilen verimlere karşılık farklı ph'larda bulunan verimleri grafiğe aktarınız ve optimum ph aralığı bulunuz. Farklı koagülantların, farklı ph'lardaki verimlerini ve gözlemlerinizi belirtiniz. KULLANILAN KOAGÜLANT Al2(SO4)3 18 H2O Fe2(SO4)3 2 H2O Doz % E Son ph Çamur Miktarı Doz % E Son ph Çamur Miktarı (mg/l) (ml) (mg/l) (ml) Fe2(SO4)3 2 H2O ph % E Son ph Çamur Miktarı (ml) Diğer gözlemler

7 . SERT SULARIN KİREÇ SODA YÖNTEMİ İLE YUMUŞATILMASI DENEYİN AMACI: Bir sert su numunesinin yumuşatılması için gerekli kireç ve soda miktarlarının bulunması. 1. TEORİK BİLGİLER Bir suyun sertliği, o suyun sabunu çökeltme özelliği olarak tanımlanır. Sabun su içindeki Ca+2 ve Mg+2 iyonlarının varlığı sebebiyle çökelir. Fe+2, Zn+2, Al+2 gibi iyonlar da bu çökelmeye yardım ederler. Fakat genellikle su içinde Ca+2 ve Mg+2 iyonlarının yüksek miktarlarda bulunması suyun sertliğine yol açar. Doğal sularda en çok rastlanan sertlik çeşiti budur. Bu maddelerin yol açtığı sertlik toplam sertlik olarak bilinir. Toplam sertliğin sudaki karbonat ve bikarbonat iyonlarına karşılık gelen kısmı karbonat sertliği olarak tanımlanır. Bu iyonlar aynı zamanda suyun alkalinitesini de belirler. Sular sertlik derecelerine göre aıağıdaki şekilde sınıflandırılırlar. mg/l CaCO3 Sertlik derecesi 0-75 Yumuşak Orta Sert 300 ve üzeri Çok sert Yumuşatmanın Amacı: Sert sular bazı problemlere neden olurlar. Bu problemleri şu şekilde sıralamak mümkündür. a)aşırı sabun tüketimine neden olurlar. b)deride tahrişlere neden olurlar. c)sıcak su borularında, ısıtıcılarda, kazanlarda kireç birikimine (tabakalaşmaya) sebep olurlar. d)porselenlende renk bozulmalarına neden olurlar. Özellikle evlerde lavabo ve küvetlerin beyaz rengini bozarlar. e)kumaşların ömrünü azaltırlar ve yıpranmalarına yol açarlar. 7

8 f)konserve endüstrisinde problemlere neden olurlar. Sertlik giderimi (kimyasal yumuşatma), suya çeşitli kimyasal maddeler ilavesi ile sertliğin tamamının veya bir kısmının uzaklaştırılmasına yarayan bir süreçtir. Suların yumuşatılmasında kullanılan prosesler kimyasal çöktürme ve iyon değişimi yöntemleridir. Kimyasal çöktürme işlemleri ise şu şekilde sıralanabilir. 1) Kireç-soda prosesi 2) Kostik-soda prosesi 3) Sodyum fosfat prosesi Kireç soda prosesi: Kireç-soda prosesinde sert su önce kireç (CaO veya Ca(OH)2 ) ile, daha sonra da soda ile muamele edilir. Bu süreçde sertlik, kalsiyum karbonat veya magnezyum hidroksit halinde çöktürülerek uzaklaştırılır. Kireç ya kalsiyum hidroksit ya da kalsiyum oksit, soda ise sodyum karbonat ışeklinde ilave edilir. Suda sertlik oluşturan maddeler ile kireç ve sodanın vermiş olduğu reaksiyonlar aşağıdaki şekilde yazılabilir. Ca(OH) 2 +CO 2 CaCO 3 + H 2 0 Ca(OH) 2 Ca(HCO 3 ) 2 CaCO H 2 0 Mg(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 MgCO 3 + CaCO H 2 0 MgCO 3 + Ca(OH) 2 Mg(OH) 2 + CaCO 3 MgCl 2 + Ca(OH) 2 CaCl 2 + Mg(OH) 2 MgSO 4 + Ca(OH) 2 Mg(OH) 2 + CaSO 4 2 NaHCO 3 + Ca(OH) 2 Mg(OH) 2 + Na 2 CO 3 +2 H 2 0 CaCl 2 + Na 2 CO 3 CaCO 3 + NaCl CaSO 4 + Na 2 CO 3 CaCO 3 + Na 2 CO 3 Kireç soda proseslerinde alışılmış olan yöntem aşırı kireç ile arıtma yapmaktır. Magnezyum hidroksiti çökeltmek için ph>9 olmalıdır. Çoğunlukla ph arasındadır. Proses kireç dozlamayı içermektedir. İyi bir çökelme sağlamak için az miktarda alüm veya sodyum alüminat ilave edilir. Çökelen çamurun bir kısmının geri döndürülmesi de çökelmeye yardımcı olabilir. 8

9 Yumuşatma prosesi tamamlandıktan sonra su, aşırı alkalinite içeriyorsa, arıtma sonrası ileri bir çökelme ile borularda kalsiyum karbonatın çökelmesi ihtimali vardır. Yumuşatılmış sudaki bu durumu ortadan kaldırmak için, yumuşatılmış su H2SO4 veya CO2 ile muamele edilir. CO2+Ca(OH)2 Ca(HCO3)2 Bu reaksiyon rekarbonasyon olarak tanımlanır. Rekorbonasyon işleminden başka az miktarda polifosfat ilavesi (0.5-5 mg/l) arıtma işleminden sonraki bu çökelme işlemini engelleyebilir. Eğer suda kalıcı sertliğin kalması isteniyorsa, yumuşatma işleminden sonra soda kullanılmaz. Bu uygulama kısmi yumuşatma işlemi olarak tanımlanır. 2. DENEYİN YAPILIŞI 1)CaCl27H2O, MgSO4 ve Na2CO3 kullanılarak sentetik sert su hazırlanır. ph, suya hava verilerek veya CO2 eklenerek 7-8 e ayarlanır. 2)Yukarıda hazırlanışı anlatılan sudan 5 litre alınır ve ph, alkalinite, sıcaklık, kalsiyum ve toplam sertlik tayinleri standart yöntemlere göre yapılır. 3)pH, alkalinite, sıcaklık ve tahmin edilen veya hesaplanan iyonik dengeden numunedeki çözünmüş CO2 içeriği belirlenir. Bu hesaplama laboratuvar uygulamasından önce yapılmış olmalıdır. 4)Sentetik sert su numunesinin tamamen yumuşatılması için gereken stoikometrik kireç ve soda gereksinimi hesaplanır. Eğer mümkünse bu değer Caldwell-Lawrence diyagramı ile kontrol edilmelidir. 5)ıyi karıımış kireç süspansiyonu kullanılarak (10 gr CaO/L) herbiri 500 ml test suyu içeren 6 adet 1 L lik behere stoikometrik kireç dozunun % 20, % 40, % 60, % 80, % 100 ve % 120 si ilave edilir. 6)Beherlerin her biri laboratuvarda bulunan karıştırıcılar ile 20 şer dakika karıştırılır. Daha sonra karışıtırıcılar kapatılır ve çökeleklerin yapısı ve çökelme özellikleri gözlenir. Üst sıvının berraklık derecesi kaydedilir. 7)Bu numunelerin üsteki 50 ml lik kısmı daha sonra süzgeç kağıtlarından süzülerek temiz olan başka kaplara alınır. Süzüntü yeterince berrak değilse bu işlem tekrarlanır. 9

10 8)6 süzüntünün her birinde ph, alkalinite, kalsiyum ve toplam sertlik tayinleri yapılır. 3. DENEY SONUCUNUN HESAPLANMASI: 1) Test sonuçlarına göre bu tür bir suyun yumuşatılması için gereken kireç ve soda miktarı hesaplayınız. 2) Kullanılan kireç dozlarının fonksiyonu olarak toplam sertliği ve alkaliniteyi grafiksel olarak ifade ediniz. 3) Diğer bir grafikde ph yı kireç dozunun fonksiyonu olarak gösteriniz. Elde edilen tüm sonuçları aıağıdaki tabloda gösteriniz. Kireç-Soda ile Yumuşatıldıktan sonra Parametre Ham Su Kireç : Kireç : Kireç : Kireç : Soda : Soda : Soda : Soda : ph Alkalilik (mg/l CaCO3) Toplam Sertlik (mg/l CaCO3) CO2 (mg/l) Ca 2+ Sertliği (mg/l CaCO3) Mg 2+ Sertliği (mg/l CaCO3) Oluşan Çamur Miktarı (ml) Sertlik Giderme Miktarı (%) 10

11 ENGELLİ ÇÖKELME DENEYİN AMACI: Farklı konsantrasyonlara sahip süspansiyonların çökelme hızlarının bulunması ve değişik çökelme tiplerinin gözlenmesi. 1. TEORİK BİLGİLER Çökelme bir katı sıvı ayırma tekniği olup, bir sıvı içerisindeki süspanse katıların ağırlıkları yardımıyla çöktürülmesi işlemidir. Genel olarak bu teknik içme sularının arıtılmasında kullanıldığı gibi atıksuların arıtılmasında da kullanılmaktadır. Çökelme atıksuların arıtılmasında ilk çöktürme havuzundaki taneli maddeleri, aktif çamur çöktürme havuzundaki biyolojik flokları ve kimyasal koagülasyon proseslerinde oluşan kimyasal flokları uzaklaştırmak için kullanılır. İçme sularının arıtılmasında yumuşatma işlemiyle ortaya çıkan çamurların su ortamından ayrılmasında kullanılır. Çökelen tanelerin çökelme biçimleri ve konsantrasyonlarına bağlı olarak 4 ayrı tip çökelme meydana gelmektedir. Bunlar taneli, floklu, engelli ve sıkıımalı çökelme olarak sıralanabilir. Birinci tip çökelme düşük katı madde konsantrasyonuna sahip olan sulardaki tanelerin çökelmesi sırasında oluıur. Taneler birbirinden bağımsız olarak hareket ederler ve tanelerin birbirlerinin çökelmesi üzerine önemli bir etkisi yoktur. Genelde atıksulardan kum tanecikleri ve grit uzaklaıtırmada kullanılır. Floklu çökelmede ise taneler birbirleri ile yapışarak büyürler ve taneciklerin kütlelerinin artmasıyla birlikte çökelme hızları da artar. Daha çok ilk çöktürme havuzunda arıtılmamış atıksular ile biyolojik arıtım sonrası son çöktürme havuzundaki biyolojik flokların çökelmelerinde rastlanır. Bu tip çökelmeye kimyasal flokların uzaklaştırılması sırasında da karşılaşılır. Engelli çökelme taneciklerin civardaki taneciklerin çökelmelerini engelledikleri durumlarda olur. Taneler birbirlerine göre sabit bir pozisyonda kalacak şekilde çökelirler ve taneler bir bütün olarak davranırlar. Çökelen kütlenin en üstünde bir katı sıvı arakesiti meydana gelir. Bu tip çökelmelere biyolojik arıtım tesislerinde ikinci çöktürme 11

12 havuzlarında rastlanır. Sıkışmalı çökelme türüne de çok yüksek katı madde konsantrasyona sahip sularda görülür. Çökelme olayından ziyade çökelen taneciklerin, üstlerine gelen yeni taneciklerin ağırlıklarından dolayı biraz daha sıkışmasından dolayı meydana gelir. Bu tür çökelmeye daha çok atıksu arıtma tesislerinde ortaya çıkan çamurların yoğunlaştırılmasında ve ikinci çöktürme havuzunun derin kısımlarında rastlanır. Bir çökelme olayı sırasında yukarıda sayılan 4 tip çökelmeden birden fazlasının meydana gelmesi sık rastlanılan bir durumdur ve bazı durumlarda dört tip çökelmenin hepsinin birden meydana gelmesi de mümkündür. Su içerisindeki süspansiyonun özelliğine bağlı olarak meydana gelen çökelme şekil 2'de gösterilmektedir. Şekil 2. Durgun bir su içerisindeki çökelme olayları Şekil 2'de 4 ayrı bölge bulunmaktadır. Bunlardan birincisi tüm süspansiyonun tamamen ayrıldığı berrak en üst kısım, ikincisi ise sabit kompozisyon bölgesidir. Bu bölgede stokes kanununa bağlı olarak taneli bir çökelme görülmektedir. Tüm taneler sabit bir hızda çökelirler. Üçüncü bölgede ise konsantrasyon oldukça fazladır ve kolonun dibine doğru çamur bölgesi oluşmaktadır. Çamur bölgesi ile sabit kompozisyon bölgesi arasında değişken bir yapıya sahip olan bir bölge daha vardır. Katı sıvı arayüzeyi alçaldıkça alt tarafdaki çamur yüksekliği de 12

13 artar. Katı-sıvı arayüzeyinin çamur bölgesinden olan yüksekliğinin, çamur bölgesinin yüksekliğine eşıit olduğu nokta kritik nokta olarak bilinir ve çökelme hacminin bir ölçüsüdür. Süspansiyonun arayüzey alçalma hızı süspansiyonun katı madde konsantrasyonuna bağlıdır. Şekil 3'de çökelme sırasında katı-sıvı ara kesit alçalamasının durumu, Şekil 4'de ise farklı süspanse katı madde konsantrasyonuna sahip çözeltilerin zamanla çökelme hızlarındaki değişmeler gösterilmektedir. Şekil 3. Katı sıvı arakesit alçalması ve çamur bölgesinin yükselmesi 13

14 Şekil 4. Farklı katı madde konsantrasyona sahip süspansiyonların zamanla çökelme hızlarındaki değişmeler Şekil 4'den daha yüksek katı madde konsantrasyonuna sahip süspansiyonların doğrusal çökelme hızından sapmaların daha hızlı olduğu görülmektedir. Bu tür grafiklarden ilk çökelme hızları grafiğin ilk kesimindeki doğrusal kısmın eğiminden hesaplanır. Akı ise şu şekilde hesaplanır. Akı (g/cm 2 saat)=ilk Çökelme Hızı (cm/saat) x Katı Madde Konsantrasyonu (gram/cm 3 ) İlk çökelme hızı şekil 4'deki grafiklerin ilk kısımlarını oluıturan lineer kısmın eğimine eşittir. Bu şekilde farklı katı madde konsantrasyonlarına sahip süspansiyonların ilk çökelme hızları belirlenerek süspansiyondaki katı madde yüzdesine karşılık grafiğe aktarıldığında, çamur yoğunlaştırıcılar ve son çöktürme havuzlarının dizaynı için gerekli parametrelerin elde edildiği akı grafikleri elde edilir. 2. DENEYİN YAPILIŞI 1-Kil gibi su içerisinde iyi süspansiyon oluıturan toz bir maddeden 1.5 L su içerisinde farklı miktarlarda karıştırarak % 2.5, 5, 10 ve 12.5'luk katı madde içeren süspansiyonlar hazırlayın. Su miktarı çöktürme kolonu içerisine ilave edildiğinde kolonun en üst kısmında 5 cm aşağıda kalacak şekilde olmalıdır. 2-Süspansiyon hazırlama kaplarını iyice karıştırarak, en yoğundan başlayarak her birini çöktürme kolonlarına dökünüz. 3-Kolonları bağlı oldukları yerlerden uzaklaştırarak kauçuk tıpalarını kapatınız ve dikkatlice bir kaç defa ters çeviriniz. 4-İyice karıştırılmış kolonları daha sonra yerine tekrar yerleştiriniz ve bir kronometre tutarak belli zaman aralıklarında katı sıvı arakesit yüzeyinin alçalmasını aşağıdaki tabloya işeyiniz. 5-Bu arada özellikle düşük katı madde konsantrasyonuna sahip olan süspansiyonlarda dipde oluşan çamur bölgesinin yükseklik artışını da kaydediniz. 14

15 3.DENEY SONUÇLARININ HESAPLANMASI Çamur Konsantrasyonu (%) Zaman (dak) 2,5 5,0 7,5 10,0 12, Konsantrasyon (%) Kullanılan ilk katı miktarı (g) Kritik noktaya ulaşıldığındaki yükseklik (m) Son çökelek yüksekliği (m) Elde edilen veriler yardımıyla katı-sıvı arayüzey alçalma hızlarını bulunuz ve katı madde miktarına bağlı olarak ilk çökelme hızlarını grafiğe aktarınız. 15

16 ÇÖKTÜRME HAVUZLARININ TASARIMI VE HİDROLİK ÖZELLİKLERİNİN BELİRLENMESİ DENEYİN AMACI: Model bir çöktürme havuzunda boyar maddeler yardımıyla çöktürme havuzlarının hidrolik özelliklerine etki eden faktörlerin belirlenmesi ve tasarıma etki eden değişkenlerin incelenmesi. 1. TEORİK BİLGİLER İçme suyu, kanalizasyon ve endüstriyel atıksu arıtımında askıda maddeleri ayırmak amacıyla çeıitli şekil ve akım modellerinde çöktürme tankları kullanılmaktadır. Yaygın olarak kullanılan çöktürme tankları şunlardır. 1-Akımın boydan boya olduğu dikdörtgen şekilli tanklar 2-Dışa doğru radyal akımın veya radyal ve yukarı doğru akımın birlikte olduğu dairesel tanklar 3-Akımın yukarı doğru olduğu silindirik, pramid ve konik şekilli tanklar Model çöktürme tankları üzerinde çeşitli çalışmalar yürütülmüş olmasına rağmen, küçük modellerden elde edilen sonuçların tam ölçekli tankların performansını önceden yansıtabileceği konusunda kabul edilmiş yöntem yoktur. Bunun ana sebebi Reynold veya Froude sayılarını temel alan genel hidrolik ölçeklendirme kanunlarının aynı anda büyük ölçekli sistemlerdeki tanklara ve küçük ölçekli sistemlerdeki partiküllere uygulanmasının zor olmasıdır. Bu iki sistem (tam ölçekli ve küçük modeller) arasındaki farklılık o kadar büyüktür ki farklı akım veya farklı özgül ağırlıklı partiküllerin kullanımı uygun değildir. Bundan başka değişken debi ve giriş suyu kalitelerinde çalışmak zorunda olan tam ölçekli tanklar, rüzgar, sıcaklık ve yoğunluk etkilerine duyarlıdır. Yine de basit model tanklar kalitatif olarak ve bir miktarda kantitatif olarak hidrolik ve çöktürme performansı üzerine değişik tasarımların etkisini göstermek için kullanılabilir (Özellikle giriş yapısının etkisi). Deneyde kullanılan model çöktürme tankı, tank tasarımı ve çalıştırılmasında ortaya çıkan problemler ile birlikte çeşitli etkileri göstermek amacıyla kurulmuştur. 16

17 Kısa devreler ve stabiliteler: Sıvı zerrelerinin bir kısmı havuz çökelme bölgesine hidrolik bekleme süresinden (T) daha kısa, bir kısmı ise daha uzun zamanda geçmektedir. Bu durum akım çizgilerinin boy ve hızlarının farklı olmasında meydana gelmektedir. Zira sürtünme kuvvetleri nedeniyle cidarlara yakın olan hız, orta kısımdan daha azdır. Ayrıca, rüzgar, yoğunluk farkları ve giren sıvının ataleti nedeniyle meydana gelen çevrimler de yatay hızın değişmesine neden olabilir. Kısa devreler adı verilen bu akım şekillerine bir çok havuzda rastlanılabilir. Havuzun içeriğinin karışması, giriş hızlarının yüksek ve yoğunluk akımları kısa devreli akımların oluşumunu kolaylaştırır. Bir sıvının kendisinden farklı yoğunluğa sahip ve nisbeten sükünette bulunan diğer bir sıvının içerisine doğru olan akımına yoğunluk akımları adı verilir. Esas sıvıdan daha yoğun olan bir yoğunluk akımı batmış durumda olacak ve havuz tabanında nisbeten yüksek bir hız ile akacaktır. Eğer yoğunluk akımı hafifse üst tarafta akım oluşacaktır. Yoğunluk farkları sıcaklığın, tuzluluğun veya süspanse madde konsantrasyonlarının farklı oluıundan ileri gelebilir. Eğer yeterli derecede büyük ise yoğunluk akımları havuz içeriği ile iyice karışır ve bu sebeple havuz içindeki akımın şekli üzerinde pek az bir etkisi olur. Böyle bir havuzda akım stabildir. Eğer yoğunluk akımların havuz içerisindeki durumlarını korurlarsa akım stabil olmaz. Kısa devreli akımlar yapılan model havuzlar üzerinde incelenebilir. Su ile iyi karışan ve bu esnada yoğunluğu değiştirmeyen bir boya veya tuz eriğiği giriş tarafına enjekte edilir ve ilave edilen maddenin tamamı havuzu terk edinceye kadar çeşitli zaman aralıkları sonunda bu maddenin havuz çıkışındaki konsantrasyonu ölçülür. Böylece elde edilen deney sonuçları yardımıyla yatay ekseni zamanı gösteren bir dispersiyon eğrisi çizilebilir. Dispersiyon eğrisinin biçimi havuz içerisindeki akımın durumunu gösteren bir ölçüdür ve bu eğriler Şekil 5'de görüldüğü gibi boyutsuz koordinatlara göre çizilirse çeıitli havuzların hidrolik özelliklerini birbirleri ile kıyaslamak mümkün olur. 17

18 deal H avuz G erçek H avuz T i r p T g Z aman Şekil 5.Gerçek ve ideal bir havuzda dispersiyon eğrisi Boyutsuz eğri üzerindeki bir noktanın apsisi rölatif (t/t) zamanını göstermektedir. Burada (t) o ana kadar geçen zamanı (T) ise bekleme zamanını ifade etmektedir. (C/Co) ordinatı çıkış suyundaki tuz veya boyanın C konsantrasyonunu, boyanın ani olarak bütün havuz hacmi ile elde edilen Co konsantrasyonuna bölümü ile elde edilir. Bu tip bir grafik kullanılan boya veya tuz miktarından bağımsız olup, bekletme süresine de bağlı değildir. Bütün boya veya tuz havuz çıkışından geçmiş ise eğri altındaki alan 1'e eşit olur. Eğer akım stabil ve hiç ölü bölge yoksa, eğrinin ağırlık merkezininin (t/t) apsiside 1'e eşit olacaktır. Aynı şartlar altında yapılan birden fazla sayıda deney şekilleri birbirinden farklı olan dispersiyon eğrileri verirse havuzun stabil olmadığı anlaşılır. Deney sonuçlarının iyi bir yaklaşıklık ile aynı bir eğri üzerine düşmesi ise akımın stabil olduğunu gösterir. Froude (Fr) sayısı büyük olan havuzlarda akım şekli iyidir. Froude sayısı Fr= V 2 g R şeklinde ifade edilir. g yerçekimi ivmesini, v ortalama hızı ve R enkesitin hidrolik yarıçapı ifade eder. Havuz Fr sayısının büyük çıkması için havuzun uzun dar ve sığ olması gerekmektedir. Bu ise tabandan madde kaldırılmaması şartına ters düşer. Ayrıca türbülansı düşük tutmak için Re sayınının küçük olduğu geniş ve derin havuzlar gerekir. Hakiki havuzlar üzerinde yapılan denemelerde kısa devreleri ve kararsızlık durumlarını kabul edilebilir sınırlarda tutmak için Fr 18

19 sayısının 10-5 'den büyük olması gerektiği ortaya çıkmıştır. Türbülansın çökeltme verimini aksi yönde etkilememesi bakımından ise Re sayısının 2000'den küçük olması gerekmektedir. Netice olarak aşağıda koşullar sağlanmalıdır. Re= V R <2000 Fr= V 2 g R > 10-5 R= b H b 2 H = Islak Alan IslakÇevre 2. DENEYİN YAPILIŞI Deneyde kullanılacak olan model çöktürme tankının genel bir görünüşü Şekil 6'da verilmektedir. Şekil üzerindeki numaralar deneyin yapılışında bahsedilen kısımları göstermektedir. Şekil 6. Model çöktürme havuzunun genel görünüşü 19

20 Bu deneyde iz bırakıcı madde olarak ilave edilen boya su yoğunluğunu dikkate değer bir şekilde değiıtirmemektedir. Bu nedenle tank içindeki su akım modeli görsel olarak takip edilebilmekte ve belli zaman aralıklarında boya miktarlarının florimetre ve spektrometre ölçümü için çıkış suyu örnekleri alınabilmektedir. Çöktürme tankının (3 numara ile gösterilen) boyutlarını göz önüne alarak su kapasitesini hesaplayınız ve ortalama 20 dakikalık bekleme süresi için gerekli debiyi bulunuz. Havuza su girişini (1) numaralı debi ölçerin altındaki musluğu açarak sağlayınız. Daha sonra drenaj vanasını kapatınız. Çöktürme tankını su ile doldurmak için akış hızını yüksek değere ayarlayıp, daha sonra bunu hesaplanmış değere azaltınız. Düşey perde (2) olmaksızın suyun tek bekleme peryodu için tankı doldurmasını sağladıktan sonra tanka iz bırakıcı boya dozlarını enjekte edin ve zamanı ölçmeye başlayın. Dikkate alınan zamanlarda krokiler hazırlayarak boya katılan suyun ilerleyişini tank boyuna ve derinliğine göre inceleyiniz. Renkli su çıkış savağına geldiğinde (4) on dakika süre boyunca her iki dakikada çıkış suyu örneklerini toplamaya başlayıp, 10 dakikadan sonra ilerideki 50 dakika boyunca her beş dakikada bir örnek almaya devam ediniz. Son olarak su akımını durdurup, tank içindeki suyu karıştırarak diğer örneği alınız. Giriş bölgesinden sonra düşey perdeyi kullanarak yukarıda belirtilen işlemleri aynı şekilde tekrarlayınız ve zaman göre akım modelinde bir değişiklik olup olmadığını bulunuz. 3. DENEY SONUÇLARININ HESAPLANMASI Örneklerdeki boya konsantrasyonları spektrofotometre yardımıyla tayin edilerek boyutsuz zamana göre tankın dispersiyon eğrisini çiziniz ve havuzun stabil olup olmadığını bulunuz. Tankın genel akım özelliklerini ve perdenin (giriş yapısının) etkisi gösterin. Giriş yapısının tankın hidrolik özelliklerine olan etkisi tartışınız ve havuzun hidrolik bekletme zamanını değiştirerek aynı deneyleri tekrarlayarak dispersiyondaki etkileri gözlemleyiniz. Deney süresince uygulanan debiyi göz önüne alarak F r ve Re sayılarını hesaplayınız ve havuzun bu sayılara göre stabil olup, olmadığını tartışınız. Eğer stabil değilse, stabil olması için gerekli debiyi hesaplayınız. 20

21 ÇÖKTÜRME HAVUZLARININ VERİMLERİNİN İNCELENMESİ DENEYİN AMACI Model çöktürme tankının giriş perdeli ve perdesiz çöktürme verimlerinin incelenmesi ve yüzey yükünün hesaplanması 1. TEORİK BİLGİLER Çöktürme tankının verimi giriı yapısına bağlıdır. Su yüzeyinde girişin sonuna doğru uzanan düşey perde çıkış suyuna taşınan askıdaki katı maddeyi azaltabilir. Dikdörtgen kesitli bir çöktürme havuzunda yüzey yükü, bu havuza giren taneciklerden % 100 ayrılması istenilen tanelerin çökelme hızına eşittir. Yüzey yükü, V so = Q A y ile verilmektedir. Q=Debi, A y ise havuzun yüzey alanını temsil etmektedir. Debinin artması sonucunda yüzey yükü büyür ve bekleme zamanın düşmesi nedeniyle, bu havuzun uzaklaştırabileceği süspanse madde miktarı azalır. Suyun havuzda kalış süresi ne kadar uzun olursa, V so o derece küçük olur ve su çıkış bölgesine ulaşmadan çamur bölgesine ulaşan daha küçük boyutlu taneciklerin miktarının artmasına yol açar. Çökelme yörüngeleri doğrusal olan 21

22 ideal bir dikdörtgen çöktürme havuzunda, suyun yatay hızı ve taneciklerin çökelme hızları Şekil 7 deki gibi gösterilebilir. A V s >V so V so V s <V so H V s <V so Çamur Bölgesi Şekil 7. İdeal bir dikdörtgen çöktürme havuzunda taneciklerin izlediği yollar L Havuza A noktasından giren taneciklerden, çökelme hızı yüzey yüküne eşit ve daha büyük olanlar, havuzun T hidrolik bekleme süresinden önce tamamen çökelerek havuz dibine ulaşırlar. Ancak yüzey yükünden daha az çökelme hızına sahip olan bir tanecikler, havuzun giriş kısmında daha derin bir yerden giriş yaparsa, T bekleme süresinden önce havuz dibine ulaşabilir. Bu nedenle çöktürme havuzlarının giriş yapısı ve yüzey yükü verim üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Havuz içerisindeki kısa devreler ve tabakalaşmalar nedeniyle çamur bölgesine ulaımış olan taneciklerin yeniden suya karışması olasılığı vardır. Çöktürme havuzlarının yüzey yükü, arıtılacak olan su içerisindeki taneciklerin boyutları ve tüm süspansiyon içerisindeki oranlarına bağlıdır. Yüzey yükünün azaltılması belli bir noktaya kadar verimi artırmakta ancak daha ileri artışlarda fazla bir fayda sağlamamaktadır. Yüzey yükünün artırılması için havuz yüzey alanının artırılması gerekmektedir. 2. DENEYİN YAPILIŞI ilk olarak 30 dakikalık bekleme süresini karıılayacak debiyi hesaplayınız. Besleme tankına koymak için % 20 (W/W) oranı ile tebeşir (CaCO3) süspansiyonu hazırlanır. İyi bir dağılım elde etmek için tebeıirin hesaplanan miktarı bir kovaya konmalı ve kuvvetli bir şekilde karıştırıldığında viskoz bir çamursu sıvı elde etmek için yeterli miktarda musluk suyu ilave edilmelidir. Daha sonra bu süspansiyon % 20 'lik konsantrasyona seyreltilmelidir. Düşey perdeyi tankın su seviyesinin 9 cm altına gelecek şekilde ayarlayın ve bu perdenin giriş 22

23 bentinden uzaklığı 5 cm olsun. Süspansiyon besleme vanası ve drenaj musluğunun kapalı olduğunu kontrol edin. Bunu takiben pompayı açın ve daha sonra bypass vanasını açarak tebeşirin besleme tankında iyice dağıldığını kontrol ediniz. Çöktürme tankını musluk su ile doldurun ve hiç türbülans oluşmamasını sağlayın. Musluk suyu debisini hesaplanan debinin 3/4'ü olacak şekilde gerekli vana ile ayarlayın. Süspansiyon debisi ile hesaplanan değerin 1/4 'ü olacak şekilde ayarlanmalıdır. Süspansiyon çöktürme tankına düzgün bir şekilde girince kromometre başlatılabilir ve aralıklar ile bulanıklılık modeli belirlenebilir. Örnek tank boyunca şeçilen bölgelerdeki farklı derinliklerden uygun bir şırınga yardımıyla alınabilir. Daha sonra uygun bir türbidimetre ile analiz yapılabilir veya küçük tüplerde çökelmesi sağlanabilir. (Sediment derinliği konsantrasyonunu bir ölçüsüdür.) Deney perdeli veya perdeli olmaksızın başka derinlik veya debilerde tekrarlanabilir. 3. DENEY SONUÇLARININ HESAPLANMASI Tankın verimini, çıkış suyundaki katıların konsantrasyonu göz önüne alınarak zamana göre konsantrasyon grafiği çizerek yorumlayınız. Perdenin çöktürme verimi üzerindeki etkisini tartışınız ve giriş kısmından itibaren tabandaki çamurun dağılımını inceleyiniz. Havuz yüzey yükünü hesaplayarak, yüzey yükünün çökeltme verimine olan etkisini gösteriniz. Farklı debiler kullanarak elde edilen yüzey yüklerinin, verim üzerindeki etkisini bulunuz. 23

24 İYON DEĞİŞİMİ DENEYİN AMACI: Sert bir suyun katyon değiştirici reçineler yardımıyla yumuşatılması ve bu arada reçine kolonlarının performanslarının değerlendirilmesi. 1. TEORİK BİLGİLER İyon değiştirme benzer ve eşit elektrik yüklü iyonların katı ile temas halindeki bir çözeltiden katının yüzeyine tutunarak katı üzerindeki iyonlar ile yer değiştirdiği doğal bir prosesdir. Esasında katı yüzeyindeki bu iyonlar çözeltiye geçerken elektrostatik kuvvetler vasıtasıyla yer değiştiren iyonlar yüzeye bağlanarak bunların yerine geçerler. Bu değişim prosesi, yüzeydeki ve çözeltideki iki tip iyonun nisbi konsantrasyonları bir dengeye varıncaya kadar devam eder. Değiıimin yönü bu bağıl konsantrasyonlara bağlı olarak tersine çevrilebilir. Pratik iyon değiştirmenin en basit örneği sertliğe neden olan sudaki Ca 2+ iyonlarının değişim maddesindeki Na + iyonları ile değiştirildiği su yumuşatmada görülmektedir. Dengeye varıldığında (reçinenin değiıim kapasitesi tüketildiğinde) yüzeydeki sodyum iyonlarını yenilemek için konsantre bir sodyum tuzu çözeltisine gerek vardır. Genellikle NaCl temin edilerek reçine rejenere edilebilir. İki veya daha fazla safhada iyon değiştirme maddesinin (reçine) ardışık olarak kullanılması olarak bilinen deminerilizasyon prosesinde, çözeltiden bütün çözünmüş tuzların uzaklaştırılması mümkündür. Deneyde kullanılan iyon değiştirme düzeneği ile hem yumuşatma işlemi hemde deminerilizasyon işleminin yapılması mümkündür. 24

25 Yumuşatma teorisi: Yumuşatmada kullanılan en yaygın iyon değiştirme materyali sodyum biçiminde olan sülfolanmış styrene reçinedir. Bu reçine kalsiyum ve magnezyum iyonlarına karşı son derece duyarlıdır. Bu reçine Ca 2+ ve Mg 2+ iyonlarını tamamen uzaklaştırdıktan sonra demir iyonlarını da uzaklaştırmaya başlayacaktır. Sert Su Reçine Yumuşak su Tükenmiş Reçine Ca (HCO 3 ) 2 (HCO 3 ) 2 Ca ] SO 4 + Na 2 X Na 2 ] SO 4 + ] X Mg Cl 2 Cl 2 Mg Yumuşatma işlemi kesikli olarak da gerçekleıtirilebilir. Bu amaçla reçine ve sertliği giderilecek olan su bir kab içerisinde dengeye gelinceye kadar karıştırılır. Bu şekilde reçinenin iyon değiştirme kapasitesi de ölçülebilir. Bununla beraber bu sistem reçine taneleri ile dolu bir kolon içerisinden suyun aşağıya doğru yavaşça geçirilmesi süretiyle bir sürekli akım prosesi biçimininde de uygulanabilir. Kolonun daha alt tabakalardaki değişim olayları gerçekleşmeden önce iyon değişim reaksiyonu, dengeye varıncaya kadar yatağın üst kısımlarında oldukça hızlı bir şekilde meydana gelir. Böylece bütün derinliklerdeki reçine tükeninceye kadar, kolonda aşağıya doğru hareket eden aktif değişim bölgesi vardır. İyon değişimi esnasındaki durum aşağıda Şekil 8 de gösterildiği gibidir. 25

26 Şekil 8. İyon değişimi esnasında reçine içerisindeki aktif değiştirme bölgesinin hareketi Aktif değişim bölgesi kolonun altına ulaştığında, çıkış suyu sertliğinde ani bir artış gözlenir. Reçinenin bir NaCl çözeltisi ile rejenere edilmesinin gerektiği bu nokta atılım noktası olarak isimlendirilir. Rejenerasyon teorisi: Rejenerasyonda, teorik olarak sudan CaCO3 olarak uzaklaştırılan sertliğin her bir mek için, 1 meq NaCl gereklidir. Örneğin CaCO3 olarak uzaklaştırılan sertliğin 1 gramı rejenerasyon 1.17 g NaCl gerektirmektedir. (CaCO3 50 NaCl 58 meq ağırlığa sahiptir.) Bu miktarlar ile rejenerasyon yapıldığında oldukça uzun bir zamana gerek duyulduğu için, NaCl'ün bu miktarı ile rejenerasyonun tamamen sona erdirilmesi pratikte zordur. Bunun için NaCl'ün daha fazla miktarları (Genellikle teorik miktarın iki katı veya daha fazlası) kullanılır. Böylece rejenerasyon verimi % 50 civarında olur. Tükenmiş Reçine Tuz Çözeltisi Reçine Atık Su Ca Ca ] X + 2NaCl Na 2 ] X + ] Cl 2 Mg Mg 26

27 Yüksek kapasitede bir rejenerasyon, teorik olarak yüksek iyon değiştirme kapasitesine sahip olan bir reçine oluşmasına neden olur. Ancak bu kapasitenin tam olarak yumuşatma işlemindeki gibi bir hızda kullanılması ekonomik olmamaktadır. Bir başka deyişle yüksek rejenerasyon verimi, iyon değiştirme kolonlarının düşük kapasitelerde çalıştırılması ile ilgilidir. İyon değiştirme ile arıtılan su porları tıkayabildiğinden süspanse katı ihtiva etmemelidir. Yatak içerisine girmiş olan ince süspanse maddeleri uzaklaştırmak ve reçine kolonu içerisine girmiş olan havanın atılması için kolon peryodik olarak geri yıkanmalıdır. Aksi takdirde akış hızı azalır ve iyon değişim prosesi zorlaşır. Yumuşatma prosesi esnasında yatak içinden geçen suyun akış hızı 40 ml/dak cm 2 'yi geçmemelidir. Rejenerasyon hızı yaklaşık olarak bu hızın 1/10'u kadardır. Demineralizasyon teorisi: Bütün çözünmüş tuzların sudan uzaklaştırılması iki kademeli bir iyon değiıtirme prosesi kullanılak gerçekleştirilebilir. İlk olarak su katyon değiştiriçi bir reçineden geçirilir. Böylece sudaki tüm katyonlar bir asit çözeltisi vererek H + iyonları ile yer değiştirirler. Su daha sonra hidroksil formundaki bir anyon değiştirici bir reçineden geçirilerek su içerisindeki anyonlar OH - iyonları ile yer değiştirir. Ortaya çıkan H + ve OH - iyonları ise suya dönüşür. Çoğu kez çözünmüş CO2'e sebep olan HCO3 - ve çözünmüş silikaya sebep olan H3SiO4 haricinde tüm anyonları uzaklaştıran zayif bazik bir anyon değiştirici kullanmak yeterli olmaktadır. Daha yüksek kalitede bir çıkış suyu için son safhada kuvvetli bir bazik anyon değiştirici kullanılmalıdır. Bu anyon değiştiricinin zayıf bazik anyon değiştirici ve CO2'i uzaklaştıran bir gazifikasyon kulesinden sonra yer alması daha ekonomik olmaktadır. Demineralizasyon işlemi karışık bir kuvvetli bir katyon ve anyon değiştirici yatağı kullanılarak tek bir kademede de gerçekleştirilebilir. Su tekrar tekrar bu reçineden geçirilirse yüksek derece saf su elde edilir. Karışık olan bu iki reçinenin H2SO4ve NaOH ile rejenere edilebilmesi 27

28 için, kolonun altından su verilerek düşük yoğunluktaki anyon değiştirici reçine kolonun üst kısmına taşınır. Böylece kolonun tabakalı bir yapı kazanması sağlanır. Rejenerasyondan sonra kolona hava basılarak iki reçine yeniden karıştırılır. 2. DENEYİN YAPILIŞI Tüm deneylerde kullanılacak olan vana numaraları ve sistemin genel şeması şekil 9'da verilmektedir. Açık olarak belirtilmeyen tüm vanalar işlem sırasında kapalı olarak tutulmalıdır. Şekil 9. İyon değiştirme deney düzeneğinin vana planı ve şematik durumu 1-Musluk suyunun mevcut sertliğini hesaba katarak musluk suyunda CaCl2'ün uygun bir miktarını çözmek süretiyle mg/l sertliğe sahip 10 L sert su hazırlanır N EDTA ile bu sert suyun tam olarak sertliği belirlenir. 2-Sentetik sert su test suyu (C) bölmesine konulur. 3-B bölmesine ise % 10'luk (w/v) 200 ml NaCl çözeltisi konulur. 28

29 4-Katyon değiştirici kolona, katyon değiştirici reçine yaklaşık 30 cm yükseklikte olacak şekilde yerleştirilir. 5-D tankına bir miktar saf su konularak (3) ve (6) numaralı vanalar açılır ve sistem 5 dakika süreyle saf su gönderilir. Yavaşça su kapatılır ve reçine yüksekliği ölçülür. 6-C tankını seçerek (2) ve (10) numaralı vanaları açınız. 7-Debi ölçeri ml/dak. olacak şekilde ayarlayınız. 8-Çıkış suyundaki örnekleri belli zaman aralıklarında (yaklaşık 5 dakikada bir) toplayarak sertlik analizleri yapınız. Bu işleme çıkış suyu sertlik miktarı 100 mg/l oluncaya kadar devam ediniz. 9-Bu değere ulaşıldıktan sonra B tankını seçerek (2) ve (12) nolu vanaları açınız. (10) numaralı vanayı örnek toplamak için kullanabilirsiniz. 10-Debi ölçeri 10 ml/dak.'ya ayarlayarak yaklaşık 18 dakika rejenerasyon çözeltisini geçiriniz. 3. DENEY SONUÇLARININ HESAPLANMASI Arıtılan su hacmine karşılık çıkış suyu sertliğini grafiğe aktarın. Bu arada sertliğin artmaya başladığı atılım noktasına dikkat ediniz. Atılım noktasına kadar sudan uzaklaştırılan sertliği CaCO3 olarak hesaplayınız. Bu hesaplama için arıtılan su miktarını gösteren eksen ile eğri arasındaki alana eşittir. Reçinenin ıslak hacmini hesaplayınız ve iyon değiştirme kapasitesini bulunuz. 3 x15 x10 Islak reçinenin hacmi= x Son derinlik CaCO Değiştirme Kapasitesi= 3 'ün Kütlesi Islak Re çinenin Hacmi 4 Örnek No Zaman (Dak.) Geçen Su Miktarı (ml) Çıkış Suyu Sertliği (mg/l) Kolon Yüksekliği (mm) 29

30 Islak Hacim (ml) DERİN YATAK KUM FİLTRASYONU DENEYİN AMACI: Bir kum filtrasyonunda filtre ortamı boyunca verim ve yük kaybı değişiminin izlemek ve filtrasyonun temel prensiplerini göstermek. 1. TEORİK BİLGİLER Filtrasyon poroz bir ortam içerisinden suyun geçirilmesi sırasında su içerisindeki partiküllerin filtre ortamı içerisinde tutulmasını içeren bir temel işlemdir. Bu işlem genellikle su arıtımında kimyasal çöktürme sonra çökelmeyen parçacıkların tutulmasında kullanılır. Filtreler düşük hızlı veya yüksek hızlı filtreler olarak iki sınıfa ayrılırlar. Düşük hızlı filtrelerde süzme hızı düşük olup, ortamın por boyutu yüksek hızlı filtrelere göre daha küçüktür. Filtre ortamının kirletici maddeler ile zamanla dolması neticesinde tıkanma olayı ortaya çıkar. Bu tıkanma filtreden geçen su miktarını azaltır ve yük kaybını arttırır. Bu kayıp belli bir düzeye ulaıtığında filtre geri yıkama adı verilen bir işleme alınarak temizlenir ve yeniden kullanılabilir hale getirilir. Su arıtımda kullanılan filtrelerde genel olarak kum, çakıl, antrasit gibi filtre ortamları kullanılır. Bu filtreler tek ortamlı olabildiği gibi çok ortamlı da olabilirler. Tek bir tane boyutuna sahip filtre ortamından oluıan filtreler olduğu gibi, çeıitli tane boyutlarına sahip taneciklerden oluıan filtre ortamları da bulunmaktadır. Derin yatak kum filtrasyonu yüksek kalitede içme suyu eldesinde yaygın olarak kullanılan bir temel işlem olup, ham yüzey sularının arıtılmasında koagülasyon 30

31 ve flokülasyon sonrası çökeltme havuzlarında uzaklaştırılamayan askıda katıların bertarafında kullanılmaktadır. 2. DENEYİN YAPILIŞI Deneyin yapılışı sırasında gerekli olan tüm vana numaraları ve sistemin genel görünüşü Şekil 10'da gösterilmiştir. Deney sırasında iki olay bir arada gözlenecektir. Bunlar sistemin çalışması sırasında zamanla yük kaybındaki artışlar ve filtre ortamı boyunca süspansiyonun depozisyonundaki değişmelerdir. Şekil 10. Derin yatak kum filtrasyonu deney düzeneğinin şematik gösterimi Filtreden suyun geçirilmesi için yapılması gereken iılemler için aşağıdaki sıra takip edilmelidir. 1-Açık olması muhtemel tüm vanaların kapatın. 2-(1) ve (3) veya (2) ve (4) nolu vana çiftlerinden birisini açınız. 31

32 3-Pompayı açınız. Bu arada suyun besleme tankından çekilip tekrar besleme tankına devredildiğini gözleyiniz. 4-Geri sirkülasyon devam ederken (7) ve (8) nolu vanaların açınız. Daha sonra (5) nolu vanayı yavaşça açarak kum filtresine alt kısımdan suyun yavaşça girişini gözleyiniz. Bu arada filtre yatağının en üstünde bulunan hava bırakma vanasının açık olması gerekmektedir. 5-(8) nolu vanayı kapatarak (6) nolu vanayı açarak, giriş boruları içerisindeki tüm havayı dışarı atınız. Daha sonra hava bırakma vanasını kapatınız. Filtre kolonu içerisinde hava gördüğünüz anda bu vanayı açarak havanın dışarı çıkmasını sağlayınız. 6-(7) nolu vanayı kapatarak (9) nolu vanayı açınız ve suyun yukarıdan aşağıya akmasını sağlayınız. 7-Debi ayarlayıcı içindeki sifonun su ile dolu olmasına dikkat ediniz. Eğer su dolu değilse, filtreden su geçmeyecektir. Bu arada (5) nolu vanayı kapatınız. Sifonu doldurmak için tamamen su ile doldurarak bir ucunu parmağınız ile tıkayarak ters çevirin ve suya batırın. Bu işlemden sonra (5) nolu vanayı yavaşca tekrar açınız. 8-İstenilen debiyi ayarlamak için sifon yüksekliğini yanındaki vidayı gevşeterek aşağı yukarı hareket ettirin veya (5) nolu debi vanasını kullanın. 9-Pompayı kapatın ve manometre sisteminin hava barındırmadığını ve 1480 mm yükseklikte olduğunu kontrol edin. Eğer manometrelerde hava varsa, manometrenin en üstünde bulunan dağıtma borusundan hava bırakılmak veya hava basılmak süretiyle sistemi havadan arındırın. 10-Filtrasyon sonrasında geri yıkama yapmak için (6) ve (9) nolu vanaları kapatarak, (8) ve (7) nolu vanaları açınız. 3. DENEY SONUÇLARININ HESAPLANMASI Filtre yük kaybı için, filtre yanında bulunan su manometrelerinden yararlanılacaktır. Belirli zaman aralıklarında, farklı filtre derinliklerine karşılık gelen manometrelerden su yükseklikleri okunarak aşağıdaki tabloya iılenecektir. Zamanla filtre ortamında oluşan yük kaybı Ht=Ho+k Va Co t ile verilmektedir. 32

33 Ho: Başlangıçdaki yük kaybı, Va: Filtre hızı, Co: Başlangıç süspansiyon konsantrasyonu ve k tıkanma yük kaybı olarak geçmektedir. H ile t arasındaki yukarıdaki eşitlik doğrusal bir eşitliktir. Ancak rağmen çizilen grafik doğrusallıktan sapıyorsa, yüzey depolamadan kaynaklanan ek yük kayıpları vardır. Bu arada seçilen bazı filtre derinliklerindeki yük kayıpları da ölçülecek ve filtre derinliği boyunca zamanla değişimi grafiğe aktarılacaktır. Aynı anda bu noktalarda numuneler alınarak konsantrasyonları ölçülecek ve başlangıç konsantrasyona göre oranı bulunarak derinliklere karşı grafiği çizilecektir. Zamanla oluşan yük kaybının şematik gösterimi Şekil 11'de, filtre ortamı boyunca süspansiyonun depozisyonundaki değişimin şematik gösterimi ise Şekil 12'de verilmektedir. Tüm bu işlemlerden sonra filtre çalışması sona erdirilecek ve filtre geri yıkamaya alınacaktır. Bu arada farklı geri yıkama hızlarına karşılık akışkanlandırılmış (genişletilmiş) filtre yükseklikleri ölçülecektir. Filtre tamamen akışkanlanıncaya kadar yük kaybı artacaktır. Akışkanlandırma başladıktan sonra ise sabit kalacaktır. Geri yıkama filtre yüksekliği ölçümleri sırasında, filtre yatağının en üstü ve en altı arasındaki yük kayıpları da kaydedilecektir. Geri yıkama hızı ile filtre yatağının yüksekliği ve yük kaybı arasındaki şematik gösterimler ise sırasıyla Şekil 13'de gösterilmektedir. Şekil 11. Filtrasyon sırasında filtre derinliği boyunca yük kaybının değiıimi 33

34 Şekil 12. Filtrasyon sırasında filtre derinliği boyunca süspansiyonun depozisyonu Şekil 13. Filtre geri yıkama sırasında filtre ortamının yüksekliğinin ve yük kaybının durumu Filtre derinliği boyunca süspansiyondaki değişme Zaman (dak.) L (mm)

35 Çıkış suyu Zamanla okunan manometre yükseklikleri Zaman (dak.) L (mm) Debi (L/Dak.) 35

36 AKTİF KARBON KOLON ADSORPSİYONU DENEYİN AMACI: Fenol ihtiva eden bir suyun, aktif karbon kolonundan geçirilerek, aktif karbonun adsorplama kapasitesinin belirlenmesi ve kolon davranışlarının gözlenmesi. 1. TEORİK BİLGİLER Aktif karbon çevre mühendisliğinde ileri arıtım tekniği olarak kullanılan önemli bir maddedir. Aktif karbon gram ağırlığı başına yaklaşık m 2 yüzey alanına sahip oldukça gözenekli bir yapıya sahiptir. Oldukça geniş olan bu yüzeyler, aktif karbonun kılcal yapılardan meydana gelmesinden dolayıdır. Odun, hindistan cevizi kabuğu, petrol ve türevleri gibi karbon bakımından zengin çok çeıitli maddelerin inert atmosfer şartları altında yüksek sıcaklıkta işlenmesi ile elde edilen aktif karbon, bir çok organik bileşiği adsorplama özelliği göstermektedir. Adsorpsiyon WanDerWalls kuvvetlerinin etkisiyle meydana gelmekte ve fiziksel adsorpsiyon olarak tanımlanmaktadır. Pek çok organik bileşiği adsorplama özelliği gösteren aktif karbon, bu özelliğinden dolayı su arıtımında yaygın bir şekilde kullanılmakta ve oldukça iyi sonuçlar vermektedir. Ancak aktif karbon adsorpsiyonu oldukça pahalı bir prosestir. Çünkü toz halinde kullanıldığı zaman kullanılan aktif karbon rejenere edilmemekte 36

37 ve bu yüzden de sürekli olarak yeniden temin edilmesi gereklmektedir. Taneli yapıda kullanıldığında ise rejenere edilmesi mümkün olduğundan, aktif karbon tükendikce rejenere edilir. Rejenerasyon ise oldukça yüksek bir maliyete sahiptir. Taneli aktif karbon termal olarak rejenere edilmekte olup, bu açıdan dezavantajlı ise de, su ve atıksu arıtımında, istenmeyen tat ve kokuların uzaklaştırılmasında, insektisit, bakterisit ve bunlar gibi biyolojik arıtım proseslerini inhibe edebilecek maddelerin arıtılmasında, yine bu tip maddelerin alıcı ortamlara girmesini önlemede, küçük miktarlardaki toksit organik bileıiklerin (fenol gibi) sudan uzaklaştırılamasında, endüstriyel atıklarda bulunan kalıcı organik maddelerin ve rengin giderilmesinde, nitro ve kloro bileşikleri gibi özel kirletici maddelerin arıtılmasında ve dekloridasyon (klor giderme) işlemlerinde yaygın bir şekilde kullanılmakta ve çok iyi sonuçlar vermektedir. Aktif karbon uygulamada toz yada granüler (taneli) biçimlerde kullanılmaktadır. Toz aktif karbon genellikle içme sularının arıtılmasında kullanılmaktadır. Bu işlemlerde toz aktif karbon, özelliğine göre değişen zaman aralıkları içerisinde su ile karıştırılarak temas ettirilir ve adsorpsiyonun meydana gelmesi sağlanır. Daha sonra çıkış suyu filtrelenir ve aktif karbon sudan ayrılır. Taneli aktif karbon uygulamalarında ise işlemler kolonlar kullanılarak gerçekleştirilir. Bu tip uygulamalarda arıtılacak olan su kolonunun altından veya üstünden girerek öteki tarafından çıkar. Suyun kolondan geçmesi esnasında su ve aktif karbon birbirleri ile temas ettiklerinden dolayı adsorpsiyon olayı meydana gelmekte ve bu işlem kolon içindeki aktif karbon tükeninceye kadar devam etmektedir. Kolondan su geçişi esnasında kolon içerisinde yüksekliği gittikçe artan bir doymuş bölge oluşur. Arıtılacak olan su içerisindeki kirletici madde ile aktif karbon arasında bu doymuş bölge içerisinde bir denge hali mevcuttur. Bu nedenle zamanla yüksekliği artan bu bölge kolon yüksekliğine ulaştığı zaman bu kolona tükenmiş kolon adı verilir. Ancak hiçbir zaman aktif karbon kolonları tamamen tükeninceye kadar çalıştırılmazlar. Aktif karbon kolonlarının ne kadar süre ile çalıştırılacağına karar vermek için, daha önceden laboratuvar ölçekli bir deneme ile kolondan geçen su hacmi ile çıkış suyundaki madde miktarı arasında bir grafik çizilerek, bu grafik yardımıyla gerçek ölçeklerdeki kolonların ne kadar aktif karbona ihtiyaç duyduğu ve kolonun istenilen verimi ne kadar süre ile sağlayacağı hesaplanır. Bu işlemler ile aynı zamanda kolondan geçecek olan suyun miktarı da 37

38 hesaplanmış olur. Aşağıdan Şekil 14 de verilmiş olan kolon atılım eğrisinden de görülebileceği gibi aktif karbon kolonları atılım noktası adı verilen su miktarına kadar devrede kalırlar. Şekil 14 Bir aktif karbon kolunundaki atılım eğrisinin şematik gösterimi 2. DENEYİN YAPILIŞI Bu deneyde giriş suyu konsantrasyonu bilinen fenollü bir atıksu örneği, aktif karbon kolonu kullanılarak arıtılacaktır. Bu amaçla 10 mg/l fenol içeren 5 L sentetik atıksu hazırlayın. Aktif karbon kolonuna 15 cm yüksekliğinde taneli aktif karbon yerleştiriniz. Daha sonra bu suyu bir pompa yardımıyla aktif karbon kolonuna gönderin. Çıkış suyundan belirli zamanlarda örnekler alarak fenol konsantrasyonlarını ölçünüz. Bu arada örneklerin alındığı zamana kadar ne kadar suyun kolondan geçtiğini belirleyiniz. Çıkış suyundaki fenol konsantrasyonu ile kolondan geçen su hacmi arasında grafik çizerek atılım noktasını belirleyiniz. Kolon tamamen tükendikten sonra, bu sefer kolona 30 cm yüksekliğinde aktif karbon koyarak deneyi tekrarlayınız. Aktif karbon kolon yüksekliklerinin atılım zamanına olan etkisinin gözleyiniz. Aynı kolon yüksekliğinde farklı debilerde deney tekrarlanarak, debilerin etkisini gösteriniz. 3. DENEY SONUCUNUN HESAPLANMASI Farklı kolon yüksekliklerinde ve debilerde elde edilen çıkış suyu fenol konsantrasyonları ile kolonlardan geçen su hacimleri arasında atılım grafiklerini çiziniz. Elde edilen verilerden yararlanarak günlük atıksu debisi 100 m 3 olan aynı bileşimdeki fenolu atıksuyun arıtılması için gerekli kolon boyutlarını ve aktif karbon kütlesini bulunuz. 38

39 VAKUM FİLTRASYONU VE ÖZGÜL FİLTRASYON DİRENCİNİN BELİRLENMESİ DENEYİN AMACI: Arıtma çamurlarının susuzlaştırılmasında kullanılan vakum filtrasyonuna ait parametrelerin incelenmesi ve filtrasyon direncinin belirlenmesi 1. TEORİK BİLGİLER Vakum filtrasyonu çamurların su oranını azaltmak amacıyla yapılan bir temel işlemdir. Bir başka deyişle vakum filtrasyonu çamurun katılığını artırmak amacıyla yapılan bir işlemdir. Vakum filtreleri mekanik su alma yöntemi olarak uzun yıllardan beri kullanılmaktadır. Vakum filtrasyonu basınç farkıyla çamurun bir filtre bezi üzerinden süzülmesi işlemidir. Süzülme esnasında filtre üzerinde birikerek yoğunlaşan çamur tabakası ayrıca bir filtre ayrıca bir filtre vazifesi yapmakta ve suyun tabakalaşması bu çamur kekinin tanecikleri arasında olmaktadır. pratikte çoğunlukla vakum filtrasyonu için dairesel döner filtre tamburları vea kısaca döner 39

40 vakum filtreleri kullanılır. Vakum filtrasyonu esnasında filtre yüzeyinden geçen suyun debisi aşağıdaki ifade ile hesaplanabilir: 4 28 * * P * d Q 1 * L Q : Geçen su debisi (m 3 /saat) P : Basınç farkı : Sıvının viskozitesi d L : Kapiler çap : Kapiler boyu Kapilerite,suyun çamur taneleri arasındaki hareketinde önemli bir rol oynadığından yukarıdaki ifade kullanılmaktadır. Filtre verimini arttırmak için şu yöntemler kullanılmaktadır. 1. Filtrasyon basıncını arttırmak 2. Kapilerite çapının arttırılması. Kapilerite çapının arttırılması çamur taneciklerinin büyütülmesiyle olmaktadır. Çamur taneciklerinin çapının arttırılması ise koagulantlar yardımıyla yada çamura iri taneciklerin ilave edilmesiyle yapılmaktadır. 3. Sıvının viskozitesinin azaltılması. Viskoziteyi düşürmek amacıyla suyu alınacak çamur ısıtılabilir. Vakum filtrelerine ait döner tip filtrenin Şekil 15 de verilmiştir. Kurutma Bölgesi Deşarj Bölgesi Emme Bölgesi Çamur Teknesi Filtre Bezi Kek Şekil 15. Döner tip vakum filtresi 40

41 Filtre tamburunun alt kısmı çamur içerisinde kalacak şekilde tamburun altına bir çamur teknesi yerleştirilir. Yavaş dönen tamburun içerisinde bir vakum oluşturulur. Tambur bu çamur teknesinin içerisinden geçerken vakum nedeniyle sıvı tambur içerisine doğru emilir. Ancak bu esnada tambur üzerindeki filtre bezi suyu geçirirken çamuru filtre bezi üzerinde tutar. Böylece kalınlaşan çamur kuru çamur olarak alınır. Vakum filtresi 3 bölümden oluşur. 1. Emme bölgesi: Tambur içerisindeki vakum sayesinde çamur emilir. Su tamburun iç kısmına geçerken çamur yüzeyde kalır. 2. Kurutma bölgesi: Su emme işlemi bittikten sonra tambur çamur teknesini terk eder ve artık içerisindeki vakumdan dolayı hava emmeye başlar. Emilen hava çamurun kurumasına sebep olur. 3. Deşarj bölgesi: Hava emişi sırasında filtre keki filtre bezine yapışır ve ayrılması zor olur. Bu kenetlenmeyi önlemek için uzaklaştırma (deşarj) bölgesinde yüksek basınç uygulanmakta ve kazıyıcının çamuru kolayca ayırması sağlanmaktadır. Vakum filtrasyonu işlemi esnasında meydana gelen direnci iki bölüme ayırabiliriz. Birincisi filtre bezinin filtrasyona gösterdiği dirençtir. İkincisi ise filtre bezi üzerinde biriken çamur tabakasının filtreleme işlemine karşı gösterdiği dirençtir. İkincisi için kek direnci olarak ifade edilmektedir. Filtre ortamının direnci kek direnci yanında ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Aslında filtrasyonu gerçekleştiren kısımda filtrenin üzerinde birikmekte olan çamur keki tabakasıdır. Filtre bezinin veya filtre ortamının bu olaya katkısı kekin oluşabilmesi için destek görevi görmesidir. dv dt 2 dp * A W * V * R A * Rf 2 Bu eşitlikte, 3 V= Filtrat hacmi (cm ) T = Zaman (sn) 2 P = Uygulanan vakum basınç farkı (gr / cm ) 2 A = Filtre alanı (cm ) 41

42 = Filtratın dinamik viskozitesi ( gr /cm sn) R = Çamur kekinin özgül direnci (sn / gr) R f = filtre ortamının özgül direnci (sn / gr) W = Birim filtrat hacmi başına katı kek ağırlığı 3 (gr / cm ) Vakum filtrasyonunun dizaynında en önemli parametre R dir. Çünkü R kekin geçirgenliğinin bir ifadesidir ve laboratuar da deneysel olarak tespit edilir. 2 numaralı eşitliğin integrali alınırsa aşağıdaki ifade elde edilir: t V * W * R 2 * P * A * Rf * V P * A 2 3 Bu ifade aslında Y=B 1 *V+B 2 şeklinde bir doğru denklemidir. Bu eşitlikte (t/v) y ekseninde, (V) x ekseninde gösterilmek üzere grafik çizilirse: * W * R Doğrunun eğimi = B 1 = 2 ve 2 * P * A y eksenini kestiği nokta = B 2 = * Rf P * A olmaktadır. Buradan spesifik kek direncini hesaplayabiliriz: 2 2 * P * A R *(eğim) 4 * W W nun değeri ise filtre kağıdı üzerindeki kuru ağırlığın, deney süresince elde edilen filtrat hacmine bölünmesiyle elde edilir. Vakum filtrasyonunda kekin permeabilitesini artırarak spesifik kek direncini azaltmak amacıyla birtakım kimyasallar kullanılmaktadır. Burada asıl amaç çamuru floklu bir yapıya sokmaktır. Kimyasal madde dozajı ile kek direnci arasında grafik çizilerek optimum kimyasal madde dozajı tespit edilebilmektedir. 42

43 Bazı organik çamurların spesifik kek direnci kullanılan vakum değeri ile değişir. Bu tür keklere sıkışabilir çamur kekleri denir. Sıkışabilir çamur keklerinin kek direnci aşağıdaki ifade ile hesaplanabilir: R s r * P 5 r = kekin sıkışabilme sabiti s = kekin sıkışabilme katsayısı r ve s sabitleri kekin özelliğine göre değişiklik gösterir. 5 numaralı denklem aşağıdaki gibi düzenlenebilir: Log(R)=Log(r)+ s*log( P) 6 Log( P) ifadesi (x) ekseninde, Log(R) ifadesi (y) ekseninde olmak kaydıyla grafik çizilirse: Doğrunun eğimi= s Y eksenini kesim noktası= Log(R) olmaktadır. ( P)=1 olduğunda r=r ise s=0 olur ve bu çamurun sıkıştırılamaz olduğu söylenir. 1. DENEYİN YAPILIŞI Deney aşağıdaki düzenekte yapılır. Bucher hunisi Filtre kağıdı Vakum ölçer Ölçülü silindir Şekil 16. Deney düzeneği 43

44 Deney aşağıdaki gibi yapılmaktadır: 1. 4 L çamur alınır ve başlangıçtaki katı madde konsantrasyonu tespit edilir 2. Çamur 5 kısma ayrılır. Her bir numuneye değişik miktarlarda koagülant madde ilave edilir. Koagülant olarak FeCl 3 veya Al 2 (SO 4 ) 3 kullanılabilir. Uygun koagülant dozları olarak toplam katı yüzdesinin 2, 4, 6, 8, 10 u tavsiye edilmektedir. 3. Bucher Hunisine filtre kağıdı yerleştirildikten sonra hazırlan değişik koagülant dozu içeren her bir numuneden 100 ml çamurlu su huniye alınır mm Hg civarında bir vakum basıncı altında süzme işlemi yapılır. Geçen her 10mL süzüntü için zaman kaydedilir. İşlem, çamur tamamen süzülene kadar devam ettirilir. 3. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ 1. Her bir koagülant dozu için vakum filtrasyonu verileri tablo halinde (t/v) değerleri hesaplanarak yazılır. 2. Her dozaj için (t/v) ile V arasında grafik çizilerek R ve R f değerleri hesaplanır. 3. Koagülant dozuna karşı hesaplanan R ve R f değerleri tablo haline getirilir. 4. Özgül filtrasyon dirençlerine karşı koagülant miktarları grafiğe geçirilerek optimum koagülant dozu hesaplanır. 44

45 AKTİF ÇAMUR PROSESİNDE KİNETİK PARAMETRELERİN BELİRLENMESİ DENEYİN AMACI: Karbonlu maddelerin ve besi maddelerinin arıtılmasında önemli bir proses olan aktif çamur prosesinde, biyokütlenin üremesini ve substratın tüketimini karakterize eden kinetik ve stokiyometrik parametrelerin hesaplanması. 1. TEORİK BİLGİLER Ardern ve Lockett'in çalışmaları sonucunda ilk olarak yıllarında Manchester'de uygulanan Aktif çamur metodunda, aerobik bir ortamda atıksuyun içinde askıda kalarak büyüyen mikroorganizmalar kısmen çözünmüş ve kısmen de asılı halde bulunan organik maddeleri enerji elde etmek ve çoğalmak maksadıyla kullanarak biyokimyasal yollarla ayrıştırırlar. Evsel ve endüstriyel atıksuların arıtımını başarıyla gerçekleştiren aktif çamur sistemine ismini, atıkları aerobik olarak stabilize ederek üreyip yumaklar teşkil eden aktif (canlı) mikroorganizma kütlesi vermektedir. Organik maddelerin bakteri faaliyetleriyle ayrıştırılması basit olarak aşağdaki denklemde verilmiştir; 45

46 COHNS+ O 2 + besi maddeleri Organik madde CO 2 + H NH 3 + C 5 H 7 NO 2 + diğer son ürünler Bakteri hücresi Aktif çamur sistemi işletildiğinde atıksu, içinde mikroorganizma (aktif çamur) bulunan ve sürekli olarak havalandırılan bir tanka alınır. Tankın havalandırılması için basınçlı hava kullanan kabarcıklı sistemler ya da mekanik havalandırma sistemlerinden faydalanılır. Havalandırma işlemi atıksudaki organik maddenin mikrobik faaliyetlerle ayrışması için gereken oksijeni temin etmenin yanında organik maddeyle aktif çamurun teması için gerekli olan karışımı da sağlamaktadır. Atık su havalandırmanın yapıldığı tankta aktif çamurla karışarak belli bir süre alıkonur (bekletilir). Bu süre içinde atık su bünyesini oluşturan organik maddelerin çok büyük bir kısmı, aktif çamur tarafından ayrıştırılır. Havalandırma tankı içeriği daha sonra bir çökeltme havuzuna alınır. Bu havuzda, aktif çamur çökeltilip, üstte kalan berrak sıvı arıtılmış su olarak elde edilir. Çöken çamurun bir kısmı atık olarak atılırken, bir kısmı da ayrışma sürecinin hızlanması amacı ile havalandırma tankına geri devrettirilir. Bu sistemde karbon içeren organik maddelerin (BOİ ve/veya KOİ) işletme şekline bağlı olarak % arasında bir verimle giderilmesi sağlanabilir. Aktif çamur prosesinin kullanılması ve farklı yapıdaki sistemlerin kurulmasıyla atıksuda belirli sınır değerlerin üzerinde bulunan azot ve fosforlu maddeler de başarıyla arıtılabilmektedir. Aktif çamur sistemine ait tipik bir akım şeması aşağıda Şekil 17 de verilmiştir. Q,S 0, X 0 Giriş suyu S V X Q+Q r Q - Q W X, S X, S, Çıkış suyu Q r,x r,s Qw, Xr, S Geri devir çamuru Atılan çamur Şekil 17. Geri devirli bir aktif çamur sisteminin şematik gösterimi Biyokütlenin (aktif çamur) üremesi de aşağıdaki gibi gösterilebilir; 46

47 r g = dx dt x (1) Burada r g (Biyokütlenin çoğalma hızı), (özgül üreme hızı), X (Biyokütle konsantrasyonu) Mikroorganizmaların substrat sınırlamasının olduğu bir durumda üremesini açıklayan Monod eşitliği aşağıdaki gibidir; maxs (2) K S s Burada max (Maksimum özgül üreme hızı), S (Substrat konsantrasyonu), K S (Maksimum üreme hızının yarısında ortamdaki substrat konsantrasyonu) Monod eşitliği, üreme hızını gösteren (1) nolu eşitlikte yerine yazılırsa aşağıda gösterilen (3) no lu eşitlik elde edilebilir. r g maxsx (3) K S S Substrat kullanım hızıyla, biyokütle üreme hızı arasında aşağıda belirtilen şekliyle bir ilgi kurmak mümkündür ; r su = 1 rg (4) Y Burada, r su (Substrat tüketim hızı), Y (Dönüşüm oranı) (4) eşitliğindeki r g nin (3) eşitliğinde yerine yazılmasıyla; r su maxsx (5) Y(K S) S Ayrıca eşitliğini max k olduğundan (k= Birim biyokütle başına maksimum substrat kullanım hızı) (5) Y 47

48 r su ksx şeklinde yazmak mümkündür (6) (K S) S Substrat kullanım hızı birim zamanda giderilen substart olarak da ifade edilebilir ; ( SO S) r su = (7) Burada, (S O = Başlangıç substrat konsantrasyonu), (= Hidrolik bekletme süresi) Deneysel bulgular, aktif çamur prosesinde mikroorganizmaların yalnızca sınırlı substratla üremesini göz önüne alan Monod kinetikleri kullanılarak yapılan tahminlerin biyokütle üretimini daha yüksek gösterdiğini ortaya koymaktadır. Bu durum, biyokütle kaybına (bozunma) sebep olan başka reaksiyonların olduğunu göstermektedir. Endojen solunum, lizis gibi farklı birçok mekanizmanın biyokütlede bozunmaya yol açabileceği bulunmuştur. Bu durumu basit bir şekilde anlatmak gayesiyle genel bir terim olan bozunmanın uygun olacağı düşünülmüştür. Mikroorganizmaların bozunmasını anlatmak için birinci mertebeden bir hız ifadesinin kullanılması yeterli olmaktadır; r d = b.x (8) Burada, r d (Biyokütlenin bozunma (ölüm) hızı), b (Ölüm sabiti) Büyüme hızını ifade eden (3) nolu eşitlik düzeltilirse ortaya net üreme hızı kavramı çıkmaktadır (R g ); R g = r g -r d = K max S SX bx S (9) 2. DENEYİN YAPILIŞI: Biyokinetik modelleri kullanabilmek için yukarıda belirtilen eşitliklerde yer alan (Y),(u max ), (K) s, (b) ve (k) parametrelerine ait değerlerin bilinmesi gerekmektedir. Bu parametreleri belirlemek için laboratuvar ya da pilot ölçekli reaktörlerden faydalanılabilir. Parametrelerin hesaplandığı deneylerde önemli olan nokta çalışılan sistemin farklı çamur yaşlarında 48

49 işletilmesidir. Bu şekilde aynı giriş suyu substrat derişimi için farklı çıkış suyu substrat derişimlerini elde etmek mümkün olacaktır. Deneylerde, tam karışımlı geri devirsiz bir reaktör kullanılarak, en az beş farklı çamur yaşı için çıkış suyu substrat derişimlerinin ne şekilde değişeceği belirlenecek, aynı zamanda reaktördeki biyokütle konsantrasyonu ölçülecek (MLVSS olarak) ve buradan kinetik parametreler hesaplanacaktır. Kinetik parametrelerin hesaplanması için (5) ve (6) no lu ifadelerin biribirlerine eşitlenip, iki tarafın da X e bölünmesiyle K.S S S S X k 0 S (10) elde edilir ve eşitliğin iki tarfının da tersi alınırsa (10) eşitliği doğrusal bir yapıya kavuşur. X S S 0 K k S 1 S 1 k (11) XQ/(S0-S) K s /k 1/k 1/S Bu şekilde K S ve k değerleri hesaplanabilir. 49

50 (9) No lu eşitliği, R g = -Yr su -bx şeklinde yazmak mümkündür. Buradan biyokütle için kütle dengesi kurulur ve giriş suyunda biyokütle bulunmadığı kabulü yapılırsa ; r Y X 1 su c b elde edilir. (12) (12) no lu eşitlik yardımıyla Y ve b değerleri kolayca hesaplanabilir. Hesaplamalarda doğrusal regresyondan faydalanılabilir. 1/Qc Y b (S 0 -S)/X Örnek Problem: Aşağıda geri devirli ve geri devirsiz iki sistemi için elde edilmiş verilerden yararlanarak aktif çamur katsayılarını bulunuz. (Kalın yazılı yerler deneysel olarak ölçülen değerlerdir.) TAM KARIŞIMLI GERİ DEVİRSİZ 50

51 X /(So-S) S o (mg/l) S (mg/l) Hidrolik bekletme (gün)= c ( gün) X, MLSS (mg/l) 1/S X (S S) o ( So S) X 1/ c k ve K s veya max değerlerinin bulunuşu 1.8 y= *x QX/(S-Sç) /S 1/S Y ve b sabitlerinin bulunuşu 51

52 y= *x 1/ /Q (S-Sç)/QX (S o -S)/ X TAM KARIŞIMLI GERİ DEVİRLİ S o (mg/l) S (mg/l) Hidrolik bekletme süresi (gün) X, MLSS (mg/l) Çamur Yaşı c ( gün) 1/S X (S S) o ( So S) X 1/ c k ve K s veya max değerlerinin bulunuşu 52

53 X /(So-S) 1.8 y= *x QX/(S-Sç) K s /k= /k=0.216 gün /S 1/S Y ve b sabitlerinin bulunuşu 1.8 y= *x Y= /c 1/Q b=-0.05 gün (S (S-Sç)/QX o -S)/ X 53

54 MEMBRAN FİLTRASYONU DENEYİN AMACI: Membran filtrasyonunu tanıtmak ve membran filtrasyonundaki akının ve kek direncini belirlenmesi 1. TEORİK BİLGİLER Membran basit tanımlaması ile iki faz arasında sürekli olarak seçicilik yapan bir ortam olarak ifade edilebilir. Bu iki faz sıvı-sıvı, sıvı-gaz veya gaz-gaz olabilir. Seçicilik terimi membranın kendi özellikleri ve prosesin yapısına bağlı olarak, belli madde ya da maddeleri bir fazdan öteki faza, bir sürücü kuvvetin etkisiyle taşınımını ifade etmektedir. Sistemin şematik gösterimi Şekil 18 de verilmiştir. Ayırma işlemini gerçekleştiren asıl etken, sürücü kuvvetler olan; basınç, sıcaklık, konsantrasyon veya elektriksel potansiyel gibi değişik özelliklerin membranın her iki tarafında farklı özellikler göstermesidir. Çeşitli membran prosesler ve sürücü kuvvetleri aşağıdaki tabloda verilmiştir. 54

55 Tablo 1. Membran proses sürücü kuvvetleri Proses Mikrofiltrasyon Ultrafiltrasyon Hiperfiltrasyon Pervaporasyon Gaz ayırma Diyaliz Sıvı membranlar Membran distilasyonu Elektrodiyaliz Elektroosmoz Sürücü kuvvet P P P C C C C T E E Şekil 18. Membran ile arıtmanın şematik gösterimi Membran teknolojisinin su ve atıksu arıtımında kullanılmaya başlanması oldukça yenidir. Membranlar daha önceleri tıp, biyoloji, eczacılık ve meşrubat sanayi gibi alanlarda kullanılmaktaydı. Ancak son yıllarda su ve atıksu arıtımı konusunda gelişen teknoloji ile birlikte 55

56 membran proseslerin bu sahalardaki kullanımı da artmıştır. Membranlar canlı yapısında da oldukça çok bulunan zarlar olup bunlar biyolojik membranlar olarak bilinirler. Bu membranların en önemlilerinden birisi böbreklerde bulunan zarlardır. Sanayide kullanılan membranlar bunlardan oldukça farklı olmakla birlikte yapısal olarak benzer özellikler gösterirler. Su ve atıksu arıtımında kullanılan membranlar genellikle sentetik membranlar olup, bunlar inorganik ve organik olmak üzere ikiye ayrılırlar. Organik membranlar polimerik maddelerden üretilmekte ve su arıtımında sıklıkla kullanılmaktadır. İnorganik membranlar ise seramik ya da metalik yapıda olup, organik membranlara oranla çok daha termal ve mekanik dirence sahiptirler. Bu özelliklerinin yanında temizlenmeleri organik membranlara oranla çok daha kolay olduğundan kullanımları giderek artmaya başlamıştır. Membranlar yapısal olarak bir başka önemli sınıfı da sıvı membranlar olup, bu membranlar su ve atıksu arıtımında oldukça özel problemlerin çözümünde kullanılmakta ve bu sebeple uygulama alanları giderek büyümektedir. Su veya atıksu arıtımında en yaygın olarak kullanılan membran prosesler arasında mikrofiltrasyon(mf), ultrafiltrasyon(uf), ve hiperfiltrasyon(hf) sayılabilir ve bu proseslerde itici kuvvet basınçtır. Özellikle HF deniz suyu ve tuzlu sulardan içme suyu eldesinde uzun yıllardan beri başarı ile kullanılmaktadır. Mikrofiltrasyondan, hiperfiltrasyona doğru gidildikçe uygulanan basınç artmaktadır. Bunun sebebi ise mikrofiltrasyondan hiperfiltrasyona gidildikçe kullanılan membranların por boyutlarının küçülmesi ve bu sayede süzme işleminin güçleşmesidir. Örneğin mikrofiltrasyondaki membranların por boyutları , ultrafiltrasyonda kullanılan membranların por boyutları ise m arasındadır. Bu tür sistemlerde ayırma işlemi porların büyüklüğüne bağlıdır. Değişik filtrasyon sistemlerinin genel ayırma aralıkları Şekil 19 da verilmiştir. Membran prosesler klasik su ve atıksu arıtma tesislerindeki katı-sıvı ayırma işlemlerini başarı ile gerçekleştirmektedir. Özellikle mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyon atıksuların arıtılmasında çıkış suyu kalitesinin artması üzerine oldukça büyük faydalar sağlamaktadır. Ancak günümüzde içme ve kullanma suyu arıtımında hiperfiltrasyonun dışında mikro ve ultrafiltrasyondan çok az faydalanılmaktadır. Oldukça iyi sonuçlar vermesine rağmen bu tür sistemlerin dezavantajları da mevcuttur. Bu problemlerin en önemlileri kirlenme ve 56

57 konsantrasyon polarizasyonudur. Bu iki olay birbiri ile yakın ilişki içerisindedir ve membran proseslerin ayrılmaz bir parçasıdır. Membran porları zamanla su içindeki maddelerle tıkanmakta ve filtre edilen su miktarı önemli ölçüde azalmaktadır. Membran filtrasyon üzerindeki kirlenme miktarının azaltılması için çeşitli yöntemler uygulanmakta olup bunların en önemlileri arasında çapraz akış yöntemi sayılabilir. Ancak membran filtrasyonda kirlenme olayı klasik filtrasyon işlemlerine oranla çok çok daha uzun sürelerde oluşmaktadır. Bu olay Şekil 20 de gösterilmiştir. Membran proseslerin avantajları, sürekli işletme halinde olabilmesi, çok az yer ihtiyacının olması, modüler olarak kullanılabilmesi, çok yüksek konsantrasyonlarda uygulanabilmesi, taşınabilir olması, herhangi bir inşaat gerektirmemesi ve maliyetinin gün geçtikçe daha da aşağılara çekilmesidir. Şekil 19. Filtrasyon sistemlerinin genel ayırma aralıkları 57

58 Şekil 20. Membran filtrasyonu ve klasik filtrasyonun şematik gösterimi 2. DENEYİN YAPILIŞI Bu deneyde polimerik membranlar yardımıyla sentetik bir atıksuyun arıtımı gerçekleştirilecektir. Ayrıca deney esnasında akı azalması ile membran performansı arasındaki ilişki gözlenecektir. Akıların belirlenmesi amacıyla önceden daraları alınmış olan numune şişelerine, belirli zamanlarda belirli bir süre ile membrandan geçen arıtılmış sudan örnekler alınacak ve analiz edilecektir. Deney sonucunda akı-zaman ve konsantrasyon-zaman grafikleri çizilerek arıtım verimi ile membran kirlenme miktarı tespit edilecektir. 3. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ Daraları alınmış olan numune şişeleri belirli zamanlarda örnekler alındıktan sonra tartılacak ve darası çıkarılarak örnek hacmi tespit edilecektir. Buna göre elde edilen değerlerden akı miktarı aşağıdaki bağıntıda yerine konarak membran akıları tespit edilecektir. 58

59 (M Ak ı T MD )/ A t A Burada; Akı : Membrandan çıkan arıtılmış su miktarı (L/m 2.s) M T : Numune alındıktan sonraki ağırlık (gr) M D : Numune şişesinin darası (gr) a : Arıtılan suyun yoğunluğu (gr/l) A : Kullanılan membranın alanı (m 2 ) olarak verilmektedir. Buna göre belirli zaman aralıklarında alınan numunelere göre hesaplanan akı miktarları aşağıdaki tabloda yerine konarak akı-zaman grafiği çizilecektir. Zaman (dak) Akı (L/m 2.s) ADSORPSİYON İZOTERMLERİ DENEYİN AMACI: Atıksulardan istenmeyen maddelerin adsorpsiyonla gideriminin incelenmesi ve sistem tasarısı için gerekli parametrelerin saptanması. 1. TEORİK BİLGİLER Adsorpsiyon: Adsorpsiyon prosesi, genelde çözeltide çözünmüş halde bulunan maddelerin uygun bir ara yüzey üzerinde toplanmasıdır. Ara yüzey sıvı ile bir gaz, bir katı veya diğer bir sıvı arasında olabilir. Atıksu arıtımında adsorpsiyon; atıksulardaki belirli maddeleri uzaklaştırmak amacıyla bu maddeleri tutabilecek özellikler gösteren adsorbent adı verilen 59

60 maddelerin kullanılması işlemidir. Çözünmüş parçacıklar ile adsorplayan yüzey arasındaki çekim kuvvetlerinin türüne bağlı olarak üç değişik adsorpsiyon tipi tanımlanmaktadır. Fiziksel Adsorpsiyon: Fiziksel adsorpsiyon Van der Waals kuvvetleri nedeniyle meydana geldiği için en önemli adsorpsiyon çeşidi arasındadır. Fiziksel adsorpsiyonun oluşabilmesi için düşük sıcaklık aralığı yeterlidir. Bağlar zayıf ve tersinirdir. Nitekim adsorplanan bileşenin çözeltideki derişiminin değişimi ile adsorplanan moleküller desorbe olmaktadır. Adsoprsiyon çok tabakalıdır. Rejenerasyonu kolaydır. Kimyasal Adsorpsiyon: Kimyasal adsorpsiyonda katı ve adsorplanacak çözünen arasında kimyasal bir reaksiyon oluşur ve reaksiyon genellikle tersinmez bir yapıdadır. Kimyasal adsorpsiyon, fiziksel adsorpsiyonla karşılaştırıldığında daha spesifiktir. Genellikle yüksek sıcaklık aralığında oluşur. Normalde adsorbe edilen materyaller yüzey üzerinde ancak bir molekül kalınlığında örtü oluşturur ve molekülün yüzey üzerinde serbestçe hareket ettiği düşünülemez. Oysa fiziksel adsorpsiyonda moleküller yüzey çevresinde serbest hareket edebilmekte, yüzeye yapışmamaktadır. İyonik Adsorpsiyon: Yüzeydeki yüklü bölgelere, elektrostatik kuvvetler ile çözeltideki iyonik karakterde adsorplananların çekilmesi sonucu oluşur. Adsorpsiyon adsorbent ve adsorplananların iyonik güçleri ve moleküler büyüklüklerine göre seçimli olarak oluşur. Eş yüklü iyon durumunda küçük iyon tercih sebebidir. Yüzeye tutunan iyonlara eş yüklü başka iyonların, aynı anda yüzeyi terk etmesi halinde ise, sürece iyon değişimi adı verilir. Pek çok farklı özelliklerine rağmen, çoğu durumda fiziksel, kimyasal ve iyonik adsorpsiyon arasında kesin bir ayrım yapılamaz, kimi kez birlikte veya ardarda oluşurlar. Adsorpsiyonu Etkileyen Faktörler: Ağır metallerin adsorpsiyon kinetiğini birçok faktör etkilemektedir. Adsorpsiyon prosesinin gerçekleşebilmesi için bazı koşulların oluşması gerekmektedir. Adsorbent yüzeyinde tutulacak olan çözünmüş maddelerin öncelikle kütle etrafını saran çözücü sıvı film içerisinden geçmesi gerekmektedir. Bu geçişe film difüzyonu adı verilmektedir. Adsorbent yüzeyine gelen maddelerin, gözeneklerin iç kısımlarına girebilmeleri için por difüzyonu adı verilen bir geçişi daha tamamlamaları gerekmektedir. Bu iki aşamayı geçen çözünmüş maddenin, adsorbent madde üzerine bağlanması ise son 60

61 işlemdir. Ancak adsorpsiyonu etkileyen faktörler arasında karıştırma hızı, ph, sıcaklık, adsorbentin, adsorplanan madde ve çözücünün özellikleri gibi etmenler de vardır. Karıştırma hızı: Adsorpsiyon hızı sistemin karıştırma hızına bağlı olarak ya film difüzyonu yada por difüzyonu ile kontrol edilir. Eğer az bir karıştırma yapılırsa tanecik etrafındaki sıvı film kalınlığı fazla olacak ve film difüzyonu, hızı sınırlandıran etmen olacaktır. Yeterli bir karışım sağlanırsa film difüzyon hızı, hızı sınırlandıran etmen olan por difüzyon noktasına doğru artar. Genelde por difüzyonu yüksek derecede karıştırılan kesikli sistemlerde hızı sınırlandıran faktördür. ph: Ortamın ph ı birçok nedenden ötürü, adsoprsiyonu etkileyen önemli bir parametredir. Hidrojen ve hidroksit iyonları kuvvetle adsorplandıklarından, diğer iyonların adsorpsiyonu çözeltinin ph ından etkilenir. Organik asitler düşük ph değerlerinde daha fazla adsorbe olurken organik bazlar yüksek ph da daha iyi adsorplanır. Sıcaklık: Sıcaklık adsorpsiyonu etkileyen diğer bir faktördür. Adsorpsiyon, sıcaklık artışıyla artarken, sıcaklığın düşmesiyle azalır. Bunula birlikte adsorpsiyon prosesi,ekzotermik bir proses ise adsorpsiyonun büyüklüğü azalan sıcaklıkla artacaktır. Adsorbentin özellikleri: Adsorpsiyon bir yüzey olayı olduğunda, adsorpsiyonun büyüklüğü, spesfik yüzey alanı ile orantılıdır. Adsorbentin geniş yüzey alanına, gözenek hacmine, belirli bir gözenek dağılımına sahip olması, parçacıklı bir yapıda olması istenir. Adsorplanan madde ve çözücünün özellikleri: Çözülebilir bileşikler, çözücüler için kuvvetli bir çekiciliğe sahiptir. Adsorpsiyonun olabilmesi için molekülün çözücüsünden ayrılabilmesi ve adsorbent üzerine yapışabilmesi gerekmektedir. Çözünmüş madde çözücü sistemine ne kadar kuvvetle bağlanmışsa yani hidrofobik özellikleri ne kadar zayıf ise yüze tutunma o denli az olur. İnorganik bileşikler genellikle hidrofilik yapılarından dolayı az, hidrofob maddeler tercihli olarak daha çok adsorplanır. Ancak çok kolay çözünen bazı bileşikler bazen kolaylıkla adsorbe olurken, zayıf bir şekilde çözünen birçok bileşik de kolay kolay adsorbe olmamaktadır. 61

62 Adsorpsiyon İzotermi: Adsorpsiyon bir denge reaksiyonuna benzer. Çözelti belirli miktardaki adsorplayıcı ile temas ettirildiğinde, çözeltide adsorplanan maddenin derişimi, adsorplayıcı yüzeyindekilerle dengeye gelene kadar azalır. Adsorpsiyon dengesi kurulduktan sonra, adsorplanan maddenin çözelti fazındaki derişimi sabit kalır. Bir adsorplayıcı ile tutulabilen, adsorplanan miktarı, adsorplananın derişiminin ve sıcaklığının fonksiyonudur. Genellikle, adsorplanan madde miktarı, sabit sıcaklıkta derişimin bir fonksiyonu olarak saptanır. Sabit sıcaklıkta, denge halinde çözeltide kalan çözünen derişimine karşı, birim adsorplayıcı ağırlığında, adsorplanan çözünen miktarı grafiğe geçilerek adsorpsiyon izotermi adı verilen sonuç fonksiyonu elde edilir. Ağır metal iyonlarının biyosorbent yüzeyine biyosorpsiyonu, adsorpsiyon izotermlerine uygunluk gösterir. Bunlar Freundlich, Langmuir ve BET (Brunauer, Emmett ve Teller) izotermleridir. Freundlich İzotermi: Freundlich modeli heterojen yüzeyler üzerinde adsorpsiyona uygulanmaktadır. Aşağıdaki formülle ifade edilir. x (1 /n) q K f C e (1) m x=c ads =C o C e (2) Freundlich eşitliğinin logaritmik şekli eğimi 1/n ve ekseni kestiği yer Log K f olan bir doğru deklemi şeklide ifade edilebilir. Log(x/m)=LogK f +(1/n)LogC e (3) Freundlich denkleminde geçen ifadeler şu şekilde tanımlanabilir. q= x/m :Dengede birim adsorplayıcı ağırlığı başına adsorplanan madde miktarı (mg/g adsorplayıcı) x =C ads :Adsorplanan çözünenin derişimi (mg/l) 62

63 C o C e K f n :Başlangıçta çözünen derişimi (mg/l) :Dengede adsorplanmadan çözeltide kalan çözünen derişimi (mg/l) :Adsorpsiyon kapasitesi :Adsorpsiyon şiddeti (K f ve n sıcaklığa, adsorplayıcıya ve adsorplanan maddeye bağlı sabitlerdir.) Langmuir İzotermi: Langmuir izotermi homojen yüzey üzerinde adsorpsiyona uygulanır ve şu varsayımlara dayanır. Adsorplayıcı yüzeyinde aynı enerjiye sahip sabit sayıda aktif bölge vardır ve adsorpsiyon enerjisi sabittir. Adsorpsiyon tek tabakalı olarak oluşur ve maksimum adsorpsiyon, adsorplayıcı yüzeyine bağlanan moleküllerin doygun bir tabaka oluşturduğu andaki adsorpsiyondur. Adsorpsiyon için en basit teorik model langmuir modelidir. Aşağıdaki eşitlikle ifade edilir. q x m a K C e (4) 1 K C e ve bu eşitlik ; 1/(x/m)= (1/ a K) (1/ C e ) + (1/ a ) (5) şeklinde doğrusallaştırılabilir. Burada; a :Yüzeyde tam bir tek tabaka oluşturmak için adsorplayıcının birim ağırlığında adsorplanan madde miktarı (mg/g) K :Adsorpsiyon net entalpisi ile ilgili bir sabit Freundlich ve Langmuir modelleri matematiksel olarak seyreltik çözeltilerden adsorpsiyonu karakterize ettiklerinden, ortalama derişim aralıklarında çalışıldığında, adsorpsiyon verilerinin bu izotermlere uygunluk gösterdiği bilinmektedir. 63

64 Adsorpsiyon Prosesinin Kullanıldığı Yerler: Katı-sıvı adsorpsiyonu içme suyu ve atıksu arıtımında önemli rol oynar. Adsorpsiyon prosesisu ve atıksu arıtımında aşağıdaki amaçlarla kullanılırmaktadır. İstenmeyen tat ve kokuların uzaklaştırılması, İnsektisid, bakterisid ve bunun gibi pestisidler biyolojik arıtma sistemlerinde girişim meydana getirebilirler ve arıtılmadan tesisten çıkarlar. Bu gibi maddelerin alıcı sulara gitmemesi için üçüncül arıtma olarak adsorpsiyon işlemi, Küçük miktarda toksik bileşiklerin (fenol vb.) sudan uzaklaştırılması, Deterjan kalıntılarının sudan uzaklaştırılması, Endüstriyel atıklarda bulunan kalıcı organik maddelerin ve rengin giderilmesi, Nitro ve kloro bileşikleri gibi özel organik maddelerin uzaklaştırılması, TOK ve klor ihtiyacının azaltılması amacı ile kullanılır. Adsobant Maddeler: Su arıtımında adsorpsiyon teknikleri için çeşitli kimyasal maddeler kullanılmaktadır. Alumina, silika jel, fuller toprağı, makroporoz reçineler, bazik makroporoz iyon değiştirici reçineler, aktif silika ve aktif karbon en çok bilinen adsorban maddelerdir. Aktif karbon; turba, linyit, kömür ve mangal kömüründen ve hindistan cevizi kabuğundan çeşitli işlemler sonucu hazırlanır. Aktif karbonunun hazırlanmasında buhar aktivasyon prosesinin veya kimyasal aktivasyon prosesi uygulanır. Aktif karbonun iç yüzeyi (aktifleştirilmiş yüzey) çoğunluk BET- yüzeyi olarak (m 2 /g) şeklinde ifade edilir. Su arıtımında kullanılan aktif karbonların iç yüzey alanı m 2 /g dir. Genellikle karbon taneciklerin iç yüzey alanının yaklaşık 1000 m 2 /g olması istenir. Adsorpsiyon için por yapısı toplam iç yüzeyden daha önemli bir parametredir. Polar ortalama yarıçaplarına göre şu şeklinde sınıflandırılabilir: -Makro polar r = 1000 nm -Geçiş polar r = 100 nm -Mikro polar r = 1 nm Geçiş porları ve mikropolar iç yüzeyin en önemli kısmını teşkil ederler (%95). Makroporlar adsorpsiyon için relatif olarak önemli değildirler, ancak mikroporlara doğru hızlı difüzyon için iletici olarak gereklidirler. 64

65 Aktif Karbonun Çevre Mühendisliğindeki Uygulamaları: Adsorpsiyon işleminin bir yüzey olayı olarak tanımlanması dolayısıyla birim kütlenin taşıdığı aktif alan olarak tanımlanan özgül yüzey, S ile ilişkisi vardır. Küp veya küre biçiminde, boyutu d olan homojen dağılmış bir adsorplayıcının aktif yüzeyinin: S = 6/ρd şeklinde hesabı mümkündür. ρ = maddenin yoğunluğu d = adsorplayıcının boyutu (çap veya küpün kenarı) Buna göre yoğunluğu 2 olan bir maddeden yapılmış 1 cm boyutunda bir taneciğin alanı S=3 cm 2 olduğu durumda bu taneciği 10 mµ boyutunda kolloidal bir yapıya dönüştürdüğümüzde serbest yüzeyi 300 metrekare olmaktadır. Kesikli çalışan bir sistemde toz karbon ekleyerek yapılan adsorpsiyonda bu büyük serbest yüzeye kolayca ulaşılır. Özellikle iyi karışım sağlandığında 30 dakikalık bir reaksiyon süresi dengeye ulaşmak için yeterlidir. Granül halindeki karbonda ise ne kadar iyi karıştırılırsa karıştırılsın dengeye ulaşmak için 2-3 haftaya ihtiyaç vardır. Su içerisindeki seyreltik organik maddelerin giderimi beklendiğinde standart uygulama toz aktif karbonu bir kesikli reaktör içindeki suya eklenip karıştırıldıktan sonra filtre edilerek ayrılmasıdır. Bazı durumlarda suya koagülant ekleyerek çökelme verimini arttırmak gerekir. Toz karbon granül karbona göre çok daha ucuz olduğundan küçük su hacimleri için daha uygun adsorbandır. Büyük atıksu arıtma tesislerinde ise (örneğin biyolojik arıtma ile 30 mg/l ye düşürülmüş organik maddenin giderilmesi için) m 3 başına 600 g gibi bir karbon ihtiyacı oluşurki buda çok pahalıya mal olur. Bu nedenle granül karbonla doldurulmuş dolgu kuleleri kullanmak daha uygun olmaktadır. Yüksek organik madde yüküne sahip suların arıtılmasında 3-10 m lik yükseklikte dolgu kuleler kullanılır. Az kirli içme sularının arıtımı için ise m lik dolgu kuleler kullanılır. Aktif karbon tüm su arıtımı problemleri için bir uluslararası ilaç değildir. Ancak yine de çözünmüş organik ürünlerin ve toksik kimyasal maddelerin, tat ve koku oluşturan maddelerin uzaklaştırılmasında en iyi arıtma yöntemlerinden biridir. Filtrasyon trekniği olarak granül aktif 65

66 karbon kullanımı aynı zamanda demir 3 iyonlarını gidermede de oldukça etkilidir. Sudan kalıntı TOK ve KOİ i gidermede de oldukça etkili bir yöntemdir. Adsorpsiyondan sonra KOİ 0-2 mg/l ye ve TOK 1 mg/l ye kadar düşürülebilmiştir. Fenol içeriği adsorpsiyon işlemi ile µg/l derişimi sınırına kadar azaltılabilmiştir. Aktif karbon tabakaları önemli ölçüde bakteri adsorplayabilmektedir. Bunun sonucu olarak atıksuyun BOİ 5 i %20 oranında azaltılmış olur. Bu biyolojik aktivite son yıllarda aktif karbonun biyolojik arıtma tesislerinde aktif çamurla birlikte kullanımına sebep olmuştur. 2. DENEYİN YAPILIŞI VE SONUÇLARIN DEĞERLENDİRİLMESİ Çözelti olarak metilen mavisinin sulu çözeltisi kullanılarak aktif karbonun renk giderme özelliği belirlenir. Bu amaçla 10-4 metilen mavisi (MA= ) içeren çözeltiden seyreltme yolu ile en az 5 değişik konsantrasyonda çözelti hazırlanır. Adsorpsiyon izotermlerini elde etmek için 250 ml lik erlenlere 100 ml çözelti alınır ve bir miktar (0.5-1 gr/l) aktif karbon atılarak çözelti sabit sıcaklık ve sabit karıştırma hızında çalkalanır. Belirli bir temas süresi sonunda, karbon filtrelenerek çözeltiden ayrılır ve çözeltide adsorplanmadan kalan metilen mavisi konsantrasyonları spektrofotometrik olarak ölçülür. Bulunan konsantrasyonlar yardımıyla aktif karbon üzerine adsorplanan metilen mavisi miktarı molar konsantrasyon azalması/gram aktif karbon cinsinden hesap edilir. Bu amaçla aktif karbon tarafından adsorplanan metilen mavisi miktarı her örnek için hesaplanır. Hesaplanan konsantrasyon farkları (metilen mavisi mol sayısı) eklenen aktif karbon miktarına bölünerek (q = mol M.M/gram aktif karbon) ilişkisi elde edilir. Elde edilen veriler Langmuir ve Freundlich izotermleri teşkil edilecek şekle getirilip çizilir. Böylece tespit edilen çalışma sıcaklığındaki izotermler elde edilir. Not: Bu deney farklı miktarlarda fenol içeren çözeltiler için de yapılabilir. Fenol miktarları doğrudan 220 nm de spektrofotometrede okunabilir. Metilen mavisinin veya fenol konsantrasyonu C e (mol/ L) Hesaplanan q (mol/g aktif karbon) 1/C e 1/q Log C e Log q 66

67 OKSİJEN TRANSFERİ VE HAVALANDIRMA DENEYİN AMACI: Bir havalandırıcında hacimsel kütle transfer katsayısının (K L a) bulunması ve K L a değerine etkiyen parametrelerin incelenmesi 1. TEORİK BİLGİLER Gaz transferi gazın bir fazdan diğer faza geçtiği bir proses olarak tanımlanabilir. Bu genellikle gaz fazdan sıvı faza geçiş şeklindedir. Gaz transferi çok sayıda atıksu arıtma işleminin temel 67

68 prosesidir. Evsel ya da endüstriyel amaçlı kullanım için uygun bir su gerektiğinde veya kanalizasyon ve diğier atıksuların güvenli ve zararsız bir biçimde ortama deşarjı söz konusu olduğunda gazların su ortamı içine ya da dışına olan transferleri önem taşımaktadır. Atıksu arıtım tesislerinde gaz transferinin en yaygın uygulaması, atıksuların biyolojik arıtımında (aktif çamur sistemleri, lagünler ve bazı aerobik prosesler) oksijen transferidir. Oksijenin düşük çözünürlüğü ve bu sebeple havadan suya oksijen transferinin yavaş olması, aerobik atıksu arıtımı için gerekli oksijenin, normal olarak hava ve su arasında mevcut olan tabii temas yüzeyinden girmesine imkan vermez. Bu sebeple ilave temas yüzeyinin meydana getirilmesi gerekir. Oksijen havadan veya saf oksijen kabarcıklarından sağlanabilir. Atıksu arıtım tesislerinde en çok uygulanan havalandırma sistemi olan kabarcıklı havalandırmada, 10 metreye varan derinliklerden, suya kabarcıklar bırakılarak, bunların suya dağılması sağlanır. Bu kabarcıklar, gözenekli plaklar ve tüpler, delikli borular ve çeşitli şekillerde imal edilmiş metal ve plastik difüzörler tarafından meydana getirilir. Havalandırma işlemi çok çeşitli metotlarla yapılır. Bu metotlar aşağıdaki gibi sıralanabilir. 1. Cazibe ile çalışanlar 2. Mekanik havalandırıcılar 3. Püskürtücüler 4. Basınçlı havalandırıcılar Cazibe ile çalışan havalandırıcıların, kaskad, eğik düzlem, düşümlü havalandırıcılar ve damlatmalı filtreler olarak dört ayrı tipi mevcuttur. Evsel ve endüstriyel arıtma tesisleri ya da içme suyu arıtma tesislerinde daha çok basınçlı ve mekanik havalandırıcılar kullanılmaktadır. Havalandırmada amaç; b) Atmosferik oksijenin suya eklenmesiyle tatta iyileşmenin sağlanması ve bazı durumlarda çözünebilir demir tuzlarının çözünemeyen demir tuzlarına dönüştürülerek arıtmlarının sağlanması. c) CO 2 giderimi veya kazanımı; bu şekilde sudaki karbonat dengesini ayarlamak için CO 2 uzaklaştırmak. Kireçle yumuşatmadan sonra ph ı düşürmek için ortama CO 2 vermek. d) Biyolojik arıtım için gerekli oksijenin ilavesi ile kanalizasyon sularını ve organik kökenli atıkların biyolojik olarak bozunmasını ve oksitlenmesini sağlamak. 68

69 e) H 2 S ve CH 4 giderimi; anerob şartlarda oluşabilecek bu kirleticiler havalandırma ile rahatlıkla giderilebilir. f) Yağ ve gres havalandırma ile kolaylıkla stabilize olur. Gaz Transferi: Bir gazın sudaki çözünürlüğü gazın cinsine, suyun sıcaklığına ve sudaki kirletici konsantrasyonunalarına bağlıdır. Gazın su ortamı ile teması halinde, gaz molekülleri bir ortamdan diğerine geçecektir. Gaz ve sıvı ortamı bir denge durumuna geldiğinde molekül transferi sona erecektir. Bu durumdaki sıvı, gaza doygun demektir. Bir gazın bir başka ortamdaki transfer hızı, çözünmüş oksijen eksikliği ile doğru orantılıdır. Havalandırma; gaz fazda itici gücün basınç gradyantı, sıvı fazda ise itici gücün konsantrasyon gradyantı olduğu bir kütle transferidir. N = dc/dt = (Pg) =(C s -C L ) CO 2 ve O 2 gibi gazlar için sıvı film direnci, kütle transferini kontrol eder. Atıksu arıtımındaki uygulamalarda kütle transferinin çoğu sıvı film kontrollüdür. Bu nedenle sıvı film kontrollü proseslerde, konsantrasyon gradyantı önemlidir. N = kütle transfer hızı = K L a (C s -C L ) Burada; K L = sıvı film katsayısı = sıvı difüzyon katsayısı (D L ) / film kalınlığı ( L ) a = birim hacim başına temas yüzeyi = özgül yüzey = yüzey alanı (A) / hacim (V) C s = oksijen doygunluk konsantrasyonu (mg/l) C L = sıvıdaki oksijen konsantrasyonu (mg/l) Bu ifade C=C o ve C=C L, t=0 ve t=t sınırları içinde integre edilirse; C C L O dc/ C S C L K a L t 0 dt Ln (C s -C L )/(C s -C o ) = K L a t 69

70 (C s -C L )/(C s -C o ) = e K L at Ln(C s -C L )= Ln (C s -C o )- K L at (C s -C L ) ve (C s -C o ); son ve başlangıç oksijen doygunluk eksikliğini gösterir. K L a grafik yolu ile hesaplanır. Çizilen grafikte eğim K L a yı verir. K L a = tüm film katsayısını ifade eder ve genellikle transfer hızını hesaplamak için kullanılır. Birimi zaman -1 dir. Oksijen Transferini Etkileyen Faktörler: Havalandırmanın performansı birkaç faktörden etkilenmektedir. Bunlar; 1. Sıcaklık 2. Çözünmüş oksijen konsantrasyonu a) Su için doygunluk değeri b) Atıksu için doygunluk değeri c) Havalandırma tankının çalışma şartlarında 3. Havalandırma karakteristiği a) Türbulans, püskürtme b) Karıştırma hızı c) Daldırma derinliği 1. Sıcaklık: Sıcaklık arttıkça K L a değeri artmaktadır. Havalandırmada K L a arasındaki ilişki şöyle ifade edilir. K L a(t o C)= K L a(20 o C) (T-20) K L a(t o C)= T sıcaklıktaki oksijen transfer katsayısı, s -1 K L a(20 o C)=20 o C sıcaklıktaki oksijen transfer katsayısı, s -1 = ile arasında değişir. Genellikle hem difüzyonlu hem de mekanik havalandırma cihazları için kabul edilir. Eğer K L a değeri 20 o C 1.0 ise 30 o C de bu değer 1.25 dir ve sıcaklık 10 o C düştüğünde K L a 0.75 e düşer. Sıcaklık aşağıda açıklandığı gibi 70

71 çözünmüş oksijen konsantrasyonunu ve aynı zamanda sıvı içindeki hava kabarcıklarının hacmini de etkilemektedir. 2. Çözünmüş oksijen konsantrasyonu: Temiz sular için geçerli çözünmüş oksijen değerleri, atıksulardaki değişik maddelerin varlığı nedeniyle atıksular için geçerli değildir. Atıksular için doygunluk konsantrasyonu (C s ) tasfiye tesisinin çıkış suyunu, bir gece boyunca havalandırarak deneyle bulunur. Bu temiz sudaki değerin %90-98 i kadardır. Şu şekilde ifade edilebilir; = (atıksu) / (temiz su) suda tuzlar, partiküller ve yüzey aktif maddeler gibi bileşenlerin, oksijen çözünürlüğünü etkilemesi nedeniyle kullanılır. Örneğin oksijenin tuzlu sularda doygunluk konsantrasyonu daha düşüktür. değeri atıksular için genellikle 0.95 olarak alınır. Doygunluk konsantrasyonundan başka, işletme şartları altında havalandırma havuzu veya lagünlerdeki gerçek çözünmüş oksijen konsantrasyonunuda bilmeye ihtiyaç vardır. Nitrifikasyonun arzu edilmediği normal aktif çamur sistemlerinde, çözünmüş oksijen konsantrasyonu mg/l arasında bulunur. Genel olarak nitrifikasyonun arzu edildiği uzun havalandırmalı sistemlerde (oksidasyon hendekleri) ise çözünmüş oksijen konsantrasyonu 1.5 ila 2.0 mg/l arasında bulunur. 3. Havalandırma karakteristiği: Karıştırma hızı ve tank geometrisini teorik olarak ölçmek zordur. Fakat havalandırma cihazları verimlerine göre seçildiği için dizayn yapılırken hesaba katılmalıdır. Verim K L a değerleri ile yakından ilgilidir. Çoğu durumda bir havalandırma cihazı, musluk suyu ve düşük toplam çözünmüş katıya sahip işletme şartlarında verimlidir.günlük hayatta K L a değerini tahmin etmek için bir düzeltme faktörü kullanılır. = K L a(atıksu) / K L a(musluk suyu) değerleri havalandırma cihazının tipi, geometrisi, karıştırma derecesi ve atıksu karakteristikleri ile değişir. değeri genellikle 0.3 ile 1.2 arasında değişir. 71

72 Türbulans K L üzerindeki etkisi nedeniyle havalandırma veriminide etkiler. Daha yüksek türbulansta film kalınlığı incelir ve K L değeri daha da artar. Yüksek türbulansta havalanma yüzey oranı artar genellikle atıksularda havalandırma dalış derinliği havalandırma kapasitesini etkiler. Optimum derinlikte iyi türbulans sağlanacaktır. 2. DENEYİN YAPILIŞI Herhangi bir havalandırıcının havalandırma kapasitesini ölçebilmek için bazı standart yöntemler geliştirilmiştir. Yöntemler standart test tanklarındaki oksijenin kimyasal olarak bitirilmesinden sonra, havalandırılmasını içerir. Kimyasal olarak O 2 tüketilmesi ya konvansiyonel olarak 0.05 mg/l Co +2 katalizörlüğünde Na 2 SO 3 tuzu ile yapılır. O 2 tüketilmesi havalandırma tankına N 2 gazı verilerek de yapılabilir. Co +2 2 Na 2 SO 3 + O 2 2 NaSO 4 veya mg/l Cu +2 katalizörlüğünde ph : de NH 2 NH 2 ile gerçekleştirilir. Cu +2 NH 2 NH 2 N 2 + 2H 2 O Her iki metodunda avantaj ve dezavantajları vardır. Na 2 SO 3 kullanımı değerini artırmakla beraber genelde tercih edilmektedir. Deneyde Kullanılan Çözeltiler: 1. % 10 luk Na 2 SO 3 çözeltisi: 100g Na 2 SO 3 saf suda çözülür ve 1 L ye tamamlanır. 2. % 1 lik CoCl 2 6H 2 O çözeltisi: 10 g CoCl 2 6H 2 O saf suda çözülür ve 1 L ye tamamlanır. Belirli miktarda su numunesi tanka koyulur ve oksijen muhtevası kimyasal olarak veya azot gazı verilerek sıfırlanır. Kimyasal işlemde, her bir litre çözelti için hazırlanan sodium sülfit çözeltisinden 1.5 ml, kobaltklorür çözeltisinden de 0.5 ml ilave edilir ve karıştırıcı çalıştırılır. Çözünmüş oksijen konsantrasyonu ölçülür. Çözünmüş oksijen konsantrasyonu, doygunluk 72

73 değerinin % 10 u mertebesine kadar düşürülmüş olmalıdır. Gerekirse çözünmüş oksijenin bu aralığa çekilebilmesi için her iki çözeltiden de yeteri kadar ilave edilmelidir. Daha sonra tanka hava verilmeye başlanır ve hava akış debisi sistemde bulunan debi ölçer vasıtası ile ayarlanır. Deney süresince çözünmüş oksijen derişimi 2 dakikalık zaman aralıkları ile doygunluğa ulaşana kadar okunur. Konsantrasyonlarla birlikte aynı zamanda suyun sıcaklığıda ölçülerek aşağıdaki tablo oluşturulur. Zaman (dak) O 2 mg/l Sıcaklık o C 3. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ Ln(C s -C L )=Ln(C s -C o ) - K L at denkleminden yararlanarak Ln(C s -C L ) ile t arasında çizilen grafikten K L a hesaplanır. Bu denemeler önce difüzör derinliği ve tipi değiştirilerek, daha sonra farklı karıştırma hızlarında ve değişik su numuneleri kullanılarak yapılır. Örnek Soru: Atıksu örneğinin 15 o C de bir gece boyunca havalandırıldığındaki C s değeri 9 mg/l dir. Örneğe Na 2 SO 3 ve CoCl 2 ile çözünmüş O 2 değeri sıfırlandıktan sonra havalandırma yapılarak atıksudan her 5 dakikada bir örnek alınmış ve çözünmüş oksijen değeri ölçülmüştür. Sonuçlar tabloda sunulmuştur. Buna göre K L a değerini saat -1 biriminde hesaplayınız. Zaman (dak) Çözünmüş oksijen kons. mg/l (C s - C)

74 Çözüm: Tablodan (C s C) mg/l olarak hesaplanır. Ln(C s -C L )= Ln (C s -C o )- K L a*t grafik yoluyla hesaplanarak Ln (C s -C) t (dak) K L a= 2.52 saat -1 bulunur. KIRILMA NOKTASI KLORLAMASI DENEYİN AMACI: 1. TEORİK BİLGİLER Bir su ortamındaki patojen mikroorganizmaların yok edilmesi işlemine dezenfeksiyon denir.içme sularının dezenfeksiyonu, su ile bulaşan hastalıkları önlemek amacıyla yapılmaktadır.iyi bir dezenfektan insan ve hayvan sağlığına olumsuz etki etmeyecek 74

75 konsantrasyonlarda olup, patojenik mikroorganizmalara çok hızlı bir şakilde toksik etki yapmalıdır. Dezenfektanın ucuz ve kolay elde edilebilir olması istenilen özelliklerindendir. Mikroorganizmaların ölüm hızı, birinci mertebe reaksiyon kinetikler,i ile ifade edilebilir ve Chick Kanunu ile şu şekilde formüle edilebilir; dn/dt = -Kn Bu ifade integre edildiğinde; N t = N o.e -kt eşitliği elde edilir. Burada, N o : Başlangıçtaki canlı hücre sayısı N t : t zamanındaki canlı hücre sayısı K:Deneysel olarak hesaplanan ölüm sabiti Birçok faktör dezenfeksiyon verimini azaltabilir. Bunlardan en önemlileri bulanıklılık ve dirençli organizmalardır. Virüsler bakterilere göre, dezenfeksiyona karşı daha dirençlidir. Bu durumda daha yüksek dezenfektan konsantrasyonları ve daha uzun dezenfeksiyon zamanı gerekmektedir. Dezenfeksiyon Yöntemleri: 1-Kimyasal Dezenfeksiyon: Bu yöntemde kullanılan dzenfektanlar, klor ve bileşikleri, brom, iyod, ozon, fenol ve bileşikleri, alkoller, ağır metaller ve bileşikleri, sabun ve deterjanlar, kuaterler amonyum bileşikleri, hidrojen peroksit ve değişik asit ve bazlardır. En yaygın kullanılan dezenfektanlar klor ve bileşikleridir. Brom ve iyod atıksu arıtım dezenfeksiyonunda kullanılmaktadır. Ozon güçlü bir dezenfektandır ve kullanımı giderek artmaktadır. 75

76 2-Fiziksel Dezenfeksiyon: En önemli dezenfektanlar, ısı ve ışıktır.su belli bir süre kaynatıldığında içerisindeki mikroorganizmalar ölür. Fakat ısı ile dezenfeksiyon pahalı bir yöntemdir. Bu yüzden belirli endüstrilerde kullanılır. UV yöntemi ile dezenfeksiyon, suyun fiziksel ve kimyasal yapısını değiştirmez, tad ve koku oluşturmaz. Temas süresi oldukça kısadır.en büyük dezavantajı, aşırı elektrik tüketimi ve pahalı ekipman kullanımıdır.uv ışıması ile bakteri sporları, virüsler, mantarlar ve mantar sporları ile diğer mikroorganizmaların yok edilmesi mümkündür. Dezenfeksiyonda mikroorganizma giderme verimine etki eden faktörler şu şekilde sıralanabilir: -Mikroorgamizmaların cinsi -Mikroorganizmaların yoğunluğu -Kullanılan dezenfektanın cinsi ve dezojı -Temas süresi -Suyun ph değeri -Suyun sıcaklığı -Suda dezenfektan ile reaksiyona giren bileşiklerin bulunması Klor ile Dezenfeksiyon: Klor normal ısı ve basınçta sarımsı-yeşil bir gaz olup, havadan ağırdır. Çok keskin bir kokusu vardır. Aktif bir elementtir. Su olması halinde, normal sıcaklıklarda bütün elementlerle reaksiyona girmez. Atıksu arıtım sistemlerinde en yaygın kullanılan klor bileşikleri, klor gazı sodyum hipoklorit ve klordioksittir. Kalsiyum ve sodyum hipoklorit daha çok, küçük arıtma tesislerinde kullanılır. Klordioksit amonyak ile reaksiyona girmediğinden kullanımı sınırlıdır. En yaygın kullanılan klor formlarından birisi klor gazıdır. Klor gazı su içerisinde çözüldüğünde hidroliz ve iyonlaşma reaksiyonları meydana getirir. Cl 2 + H 2 O = HOCl +H + +Cl - (1) Bu reaksiyonun denge sabiti 25 O C de 4.5 * 10-4 tür. Meydana gelen HOCl nin iyonizasyonu şu şekilde gerçekleşir: 76

77 HOCl =H + + OCl - Bu reaksiyonun iyonlaşma derecesi ise 25 o C de 2.9 * 10-8 dir. HOCl ve OCl nin her ikisine birden serbest kullanılabilir klor denir. HOCl nin dezenfektan etkinliği, Ocl nin etkinliğinden yaklaşık 40 kat daha büyükür. HOCl ve OCl nin değişik ph lardaki etkinliği aşağıdaki gibidir: ph< 7.5 iken HOCl etkindir. ph= 7.5 iken HOCl = OCl - ph> 7.5 iken OCl - etkindir. Klorun Amonyak ile Verdiği Reaksiyonlar: Sularda amonyak azotu veya organik azot varsa klorlamada tat ve koku problemi oluşur. HOCl, kuvvetli bir oksitleyici olduğu için sudaki amonyak ile çok hızlı reaksiyona girer ve triaminleri oluşturur. HOCl + NH 3 = NH 2 Cl + H 2 O HOCl + NH 2 Cl = NHCl 2 + H 2 O HOCl + NHCl 2 = NHCl 3 + H 2 O (Monokloramin) (Dikloramin) (Trikloramin) Bu reaksiyonlar ph, sıcaklık, temas süresi, ve Cl 2 /NH 3 oranı gibi faktörlere bağlıdır. Kloraminler aynı zamanda birer dezenfektan olarak görev yaparlar. Ancak bunların dezenfektan etkinliği, klora göre çok düşüktür. Kırılma Noktası Klorlaması: Bir su ortamında, amonyak mevcut değilse klor ilave edildiğinde klor yalnızca amonyak ile reaksiyona girmez. Klor kuvvetli bir oksitleyici olduğundan suda bulunan Fe +2, Mn +2 ve H 2 S ile organik bileşikleri oksitler. Amonyak içeren su ortamına klor ilave edildiğinde meydana gelen reaksiyonlar Şekil 21 de belirtilmiştir. 77

78 A : Artık klorun indirgenen bileşiklerce parçalanması B : Kloro- organik bileşiklerinin ve koroaminlerin oluşması C : Kloroaminlerin ve kloro-organiklerin parçalanması D : Serbest klorun oluşması ve kloro-organiklerin varlığı E : Serbest klor F : Bağlı klor Şekil 21 Kırılma noktası klorlaması Suya ilave edilen klor önce Fe +2, Mn +2 ve H 2 S ve organik maddeleri oksitler ve kendisi klorür iyonuna indirgenir. Bu nedenle bu maddelerin oksitlenmesi sırasında ortalama kalıntı klor bulunmaz. Bu noktadan sonra klorlamaya devam edildiğinde, klor amonyak ile reaksiyona girer ve koraminler oluşur. (A-B noktaları). Bu noktalar arasında ilave edilen klor dozu arttıkça kalıntı klor dozu da artmaktadır. Çünkü kalıntı klor, kloraminlerdeki kloru da içermektedir. B ile kırılma noktası arasında ilave edilen klor konsantrasyonları arttıkça kalıntı klor dozu azalır. Bu bölgede bazı koraminler trikloraminlere dönüşür. Kalan diğer kloraminler N 2 O ve N 2 ye oksitlenir ve klor, klorür iyonuna indirgenir. Cl - iyonu kalıntı klor olarak hesaplanmadığından bu bölgede kalıntı klor azalır. Bu bölgede meydana gelen reaksiyonlar şöyledir: 4NH 2 Cl + NHCl 2 + HOCl = 4HCl + N 2 O 4NH 2 Cl + 3Cl 2 + H 2 O = N 2 + N 2 O + 10HCl 2NH 2 Cl + HOCl = N 2 + H 2 O + 3HCl NH 2 Cl + NHCl = N 2 + 3HCl Bu noktaya kadar ki klor tüketimine kırılma noktası klorlaması denir. Kırılma noktadından sonra klorlamaya devam edilirse, kalıntı klor eğrisi, sulu ortam içerisinde klorla reaksiyona girecek madde bulunmadığından, sıfır klor ihtiyacı eğrisine parelel olarak yükselir. Kırılma 78