Onuncu Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, 3-6 Eylül 2012, Koç Üniversitesi, İstanbul

Transkript

1 Onuncu Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, 3-6 Eylül 212, Koç Üniversitesi, İstanbul TEKSTİL ENDÜSTRİSİ ATIK SULARINDA BULUNAN REAKTİF KIRMIZI 2 AZO BOYAR MADDESİNİN AKTİF KARBON KULLANILARAK KATALİTİK ISLAK HAVA OKSİDASYONU İLE GİDERİMİNİN ARAŞTIRILMASI Gülin ERSÖZ, Süheyda ATALAY Ege Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, 351, Bornova, İzmir, gulin.aytimur@ege.du.tr, suheyda.atalay@ege.edu.tr ÖZET Bu çalışmada tekstil endüstrisinde yaygın olarak kullanılan Reaktif Kırmızı 2 (Procion Red MX- 5B) azo boyar maddesinin ileri oksidasyon proseslerinden Katalitik Islak Hava Oksidasyonu kullanılarak giderimi için optimum koşulların belirlenmesi amaçlanmıştır. Reaktif Kırmızı 2 nin Islak Hava Oksidasyonu ile bozunma ve renk giderimi aktif karbon varlığında araştırılmıştır. Böylelikle adsorpsiyonu ve katalitik reaksiyonu tek bir basamakta gerçekleştirerek aktif karbonun hem adsorbent hem de katalizör olma özelliğinin avantajı kullanılmıştır. Deneylerde Islak Hava Oksidasyonu uygulanarak Reaktif Kırmızı 2 boyar maddesi içeren sentetik olarak hazırlanmış atıksudan en iyi bozunma ve renk giderimi için aktif karbon yüklemesi, sıcaklık, ph, reaksiyon süresi, vb. parametrelerinin etkisi laboratuvar düzeyinde yarı kesikli bir bubble reaktörde incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde, en iyi bozunma ve renk giderimi ph= 3 değerinde, 5 C sıcaklık,.25 g/l aktif karbon yüklemesi ve reaksiyon süresi dakika olarak elde edilmiştir. Bu şartlarda gerçekleştirilen deneylerde yaklaşık olarak % 59 bozunma ve % 63 renk giderimi gözlemlenmiştir. Anahtar kelimeler: Reaktif Kırmızı 2, Katalitik Islak Hava Oksidasyonu, Aktif Karbon 1. GİRİŞ Azo boyar maddeleri, tekstil endüstrisinde yaygın olarak kullanılmakta olup renkleri, biyolojik olarak parçalamaya dirençli olmaları ve canlılar üzerinde potansiyel toksisite oluşturmaları nedeni ile atık su arıtımında problem yaratmaktadırlar [1]. Yüksek organik ve inorganik kirlilik ve yoğun renk içeriği bu tip atıksuların en belirgin özelliklerindendir. Bu sebeple boyar madde içeren atıksular çevresel açıdan ciddi tehdit yaratmaktadır. Bu tip atıksuların arıtılmasında yaygın olarak kullanılan geleneksel yöntemler (biyolojik, fiziksel vb) endüstriyel atık sulardaki bazı bileşikleri biyolojik olarak çok zor indirgeyebilmekte ve bazı durumlarda daha zararlı bileşikler oluşabilmekte veya biyolojik arıtım istenilen deşarj standartları için yeterli olamamaktadır. Klasik biyolojik yöntemler yüksek stabilitesi olan boyar maddelerin gideriminde çok etkili olamadığı gibi, fiziksel ve kimyasal yöntemler ise çamur oluşumu ve adsorban rejenarasyonu ihtiyacı gibi dezavantajlarından dolayı boyar madde gideriminde yetersiz kalmaktadır [2-4]. Bu gibi durumlarda ileri oksidasyon yöntemleri tercih edilmektedir. En çok kullanılan ileri oksidasyon prosesleri katalitik ıslak hava oksidasyonu, katalitik ıslak peroksit oksidasyonu, fotokatalitik oksidasyon, süperkritik su oksidasyonu, ultraviyole, ultraviyole ile ozon, Fenton ve foto-fenton dur.

2 Onuncu Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, 3-6 Eylül 212, Koç Üniversitesi, İstanbul Katalitik Islak Hava Oksidasyonu katalizör varlığında uygulanan ıslak hava oksidasyonu yöntemidir. Bu yöntemde, 125- C sıcaklık ve,5-2 MPa basınç aralığında, hava (veya oksijen) ile sıvı fazındaki kirleticiler oksidasyona tabi tutulur. Yöntemin temeli, katalizör yardımıyla moleküler oksijen ile organik madde arasındaki iletişimi artırarak oksidasyonu gerçekleştirmektir. Günümüzde yapılan en son çalışmalar, oksidasyon süreci içersinde aktif karbon kullanımının renkli atık sular için cazip bir alternatif olduğunu göstermektedir [5, 6]. Bu tip prosesler adsorpsiyonu ve katalitik reaksiyonu tek bir basamakta gerçekleştirerek aktif karbonun hem adsorbent hem de katalizör olma özelliğinin avantajını kullanmaktadır [3-8]. Bu bağlamda söz konusu çalışmada amaç, Reaktif Kırmızı 2 azo boyar madde içeren atık sulara aktif karbon varlığında ıslak hava oksidasyonu yöntemi uygulayarak, bozunma ve renk giderimi için optimum koşulların araştırılmasıdır. 2. DENEYSEL YÖNTEM 2.1 Deney Sistemi ve renk giderimini amaçlayan deneysel çalışmalar, 5 ml hacminde, 5 mm yükseklikte, paslanmaz çelikten yapılmış yarı kesikli bir bubble reaktörde gerçekleştirilmiştir. Reaktör, ısıtma amaçlı olarak elektrik telleriyle sarılmış ve cam yünüyle izolasyon yapılmıştır. Oksidasyon için gerekli olan oksijen, kuru hava tüpünden reaktör içerisine bir dağıtıcı vasıtasıyla beslenmektedir. Ayrıca, reaktörün üstünde, reaksiyon süresince oluşan buharların yoğuşturularak reaksiyon sistemine geri kazandırıldığı bir yoğuşturucu bulunmaktadır. 2.2 Deneyler Katalitik Islak Oksidasyon yöntemi ile giderim verimini etkileyen parametrelerin optimum değerlerini belirlemek amacıyla çalışma beş bölümde gerçekleştirilmiştir. Bu bölümlerde, sıcaklık (35- C), aktif karbon yüklemesi (-1 g/l), ph (3-7) ve reaksiyon süresinin etkileri incelenmiştir. 2.3 Analiz Kimyasal arıtmanın etkinliği elde edilen bozunma ve renk giderimleri, UV spektrofotometresi (Spectroquant NOVA Merck UV-spectrometer) kullanılarak 1 cm cam küvetlerde tespit edilmiştir. Reaktif Kırmızı 2 nin maksimum dalga boyunu saptamak amacıyla boyarmaddenin çözeltisinin - nm aralığında UV-VIS spektrumu alınmıştır. Reaktif Kırmızı 2 nin dalga boyu 52 nm deki absorbansı boyaya rengini veren azo ve hidrazon formlarının n π* geçişine karşılık gelmektedir ki, bu absorbansdaki azalma renk giderimini izlemede kullanılmaktadır. Aynı şekilde dalga boyu 3nm deki absorbans ise aromatik yapılarda gerçekleşen π π* geçişine karşılık gelmektedir. Dolayısıyla bu dalga boylarında yapılan absorbans ölçümleri çift bağ karakteri ve aromatikliğin gideriminde değerlendirilmektedir. 3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 3.1. Sıcaklığın ve ne Etkisi Sıcaklığın Reaktif Kırmızısı 2 nin bozunma ve renk giderimi üzerindeki etkisini incelemek amacıyla 1 mg/l başlangıç derişiminde,.25 g/l aktif karbon varlığında, ph=3 ve.89 L/dak hava akışında 35- C aralığında farklı sıcaklıklarda deneyler yapılmıştır. Şekil 1 de elde edilen sonuçlar verilmiştir. Sıcaklığın 35 C den 5 C ye arttırılmasıyla bozunma ve renk gideriminin arttığı gözlemlenmiştir. Sıcaklığın 5 C den daha yüksek değerlere çıkartılması bozunma ve renk giderimini çok etkilememiştir, bu sebeple çalışmada optimum sıcaklığın 5 C olduğu saptanmıştır. 2

3 Giderim(%) Giderim(%) Onuncu Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, 3-6 Eylül 212, Koç Üniversitesi, İstanbul Sıcaklık(ºC) Şekil 1. Sıcaklığın ve ne Etkisi 3.2. Katalizör Yüklemesinin ve ne Etkisi Katalizör Yüklemesinin optimum değerinin belirlenmesi için 1 mg/l başlangıç derişiminde sıcaklığı 5 C de ve ph=3 değerinde sabit tutularak,.89 L/dak hava akışında -1 g/l arasında farklı aktif karbon yüklemerinde deneyler yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar Şekil 2 de gösterilmiştir. Yapılan deneyler sonucunda, Şekil 2 de de görüldüğü gibi karbon yüklemesinin -,25 g/l aktif aralığında arttırılması ile bozunma ve renk giderimi yüzdelerininde arttığı, ancak.25 g/l den daha yüksek yükleme değerlerinde çalışıldığı taktirde bozunma ve renk giderimi yüzdelerinin azaldığı saptanmıştır. Lin ve Lai nin de yaptıkları çalışmada belirttikleri gibi aktif karbon katalitik oksidasyonun verimini arttırmıştır [9]. Alınan tüm sonuçlar değerlendirildiğinde, en uygun aktif karbon yükleme değerinin.25 g/l olduğu tespit edilmiştir ,25,5,75 1 Katalizör Yüklemesi (g/l) Şekil 2. Katalizör Yüklemesinin ve ne Etkisi 3

4 Giderim(%) Onuncu Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, 3-6 Eylül 212, Koç Üniversitesi, İstanbul 3.3. Başlangıç ph ının ve ne Etkisi Boyarmaddelerin giderimesinde en önemli parametrelerden biri ortam ph ıdır. Başlangıç ph değerinin bozunma ve renk giderimi üzerindeki etkisi, 1 mg/l başlangıç konstantrasyonunda, ph 3-7 aralığında 5 C sıcaklıkta ve aktif karbon yüklemesi,25 g/l değerinde sabit tutularak incelenmiştir. Alınan sonuçlar Şekil 3 de gösterilmiştir. Önceki çalışmalarda, kullanılan aktif karbonun yüzeyinin yükünün sıfır olduğu noktanın (zero point charge) phpzc değeri 8 olarak bulunmuştur[6]. Bu nedenle deneyler phpzc değerinin altındaki ph değerlerinde yapılmıştır. Şekilden de görüldüğü gibi ph artıkça giderim azalmaktadır. Bilindiği üzere reaktif boyalar anyonik halde çözeltiyi renklendirir. Düşük ph değerlerinde adsorpsiyon kapasitesinin artması aktif karbonun pozitif yüklenmesi ve çözeltideki reaktik kırmızı 2 boyar madde anyonları ile etkileşerek birbirlerini çekmeleri şeklinde açıklanabilir. Al-Degs ve arkadaşları yaptıkları çalışmada aktif karbonun asidik ortamda adsorpsiyon kapasitesinin arttığını belirtmişlerdir[1]. Sonuçlar değerlendirildiğinde, ph=3 optimum değer olarak seçilmiştir ph Şekil 3 Başlangıç ph ının ve ne Etkisi 3.4. Reaksiyon Süresinin ve ne Etkisi Reaksiyon süresinin etkisini gözlemlemek için 1 mg/l başlangıç derişiminde sıcaklığı 5 C de ve ph=3 değerinde sabit tutularak,.89 L/dak hava akışında farklı zamanlarda numune alınarak analiz yapılmıştır. Sonuçlar Şekil 4 de gösterilmiştir. Reaksiyon süresi ve giderimler arasındaki ilişkiye bakıldığında ilk 15 dakikada çok hızlı bir giderim olduğu gözlemlenmiştir. ile 75 dakika arasında ise neredeyse giderim yüzdelerinde hiç bir değişiklil olmamış ve sabit bir değere ulaşılmıştır. dakikadan sonra boya gideriminde belirgin bir değişme gözlemlenmediği için optimum reaksiyon süresinin dakika olması uygun bulunmuştur. 4

5 Giderim ((%) Onuncu Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, 3-6 Eylül 212, Koç Üniversitesi, İstanbul Zaman (dak) Şekil 4. Reaksiyon Süresinin ve ne Etkisi 4. SONUÇLAR Bu çalışmada tekstil endüstrisinde yaygın olarak kullanılan Reaktif Kırmızı 2 (Procion Red MX- 5B) azo boyar maddesinin ileri oksidasyon proseslerinden Katalitik Islak Hava Oksidasyonu kullanılarak giderimi için optimum çalışma koşulları saptanmıştır. Çalışmalar sonucunda şu sonuçlar elde edilmiştir: Optimum sıcaklık:5 C Optimum katalizör yüklemesi:.25 g/l Optimum ph değeri: 3 Optimum çalışma süresi: dakika. Bu şartlarda gerçekleştirilen deneylerde yaklaşık olarak % 59 bozunma ve % 63 renk giderimi gözlemlenmiştir. KAYNAKLAR [1.] Yoo, S., Libra, J., Wiesman, U., Reduction of Azo Dyes by Desulfovibrio Desulfiricans, Water Science and Technology 14, 2, 15-22, 2. [2.] Brosillon, S., Djelal, H., Merienne, N., Amrane, A., Innovative integrated process for the treatment of azo dyes: coupling of photocatalysis and biological treatment., Desalination, Cilt 222, , 28. [3.] Peternel, I., Koprivanac, N., Kusic, H., UV-based processes for reactive azo dye mineralization, Water Research, Cilt, , 26. [4.] Dokuzoğlu, Z., Alkan U., Yentürk A., Reaktif Boyar Madde İçeren Tekstil Atık Sularının İleri Oksidasyonu, Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 13, Sayı 2, 28. [5.] Santos, V.P., Pereira, M.F.R., Faria, P.C.C., Órfão J.J.M., Decolourisation of dye solutions by oxidation with H2O2 in the presence of modified activated carbons, Journal of Hazardous Materials, Cilt162, No 2-3, , 29. [6.] Türgay, O., Ersöz, G., Atalay, S.,Forss, J.,Welander, U., The Treatment of Azo Dyes Found in Textile Industry Wastewater by Anaerobic Biological Method and Chemical Oxidation, Separation and Purification Technology, Cilt 79, 26-33, 211 [7.] Quintanilla, A., Casas, J.A. J.J. Rodriguez, Hydrogen peroxide-promoted-cwao of phenol with activated carbon, Applied Catalysis B: Environmental, Volume 93, Issues 3-4, , 21. 5

6 Onuncu Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, 3-6 Eylül 212, Koç Üniversitesi, İstanbul [8.] Zazo, J.A., Fraile, A.F. A. Rey, A. Bahamonde, J.A. Casas, J.J. Rodriguez Optimizing calcination temperature of Fe/activated carbon catalysts for CWPO, Catalysis Today, Cilt 143, No, , 29. [9.] Lin, S. H. and Lai, C. L., Catalytic Oxidation of dye wastewater by metaloxide catalyst and granular activated carbon, Environmental International, Cilt 25, No 4, , [1.] Al-Degsa, Y. S. El-Barghouthia, M.I., El-Sheikha, A. H., Walker, G.M., Effect of solution ph, ionic strength, and temperature on adsorption behavior of reactive dyes on activated carbon, Dyes and Pigments, Cilt 77, No1, 16-23, 28. 6