Aktif Karbon Yardımıyla Tekstil Atık Sularındaki Boyarmadde ve Zararlı Kimyasal Giderimi

Transkript

1 Aktif Karbon Yardımıyla Tekstil Atık Sularındaki Boyarmadde ve Zararlı Kimyasal Giderimi Do a DAMLI Kaan TELC LER Özel Ege Lisesi 2009

2 ÇER K L STES Projenin Amacı. 2 Giri... 2 Yöntem Uygun Aktif Karbonun Bulunması.. 3 Aktif Karbon Eldesi... 3 Atık Sudaki ve Aktif Karbonla Temizlenmi Atık Sulardaki KO Tayini 6 Sonuçlar ve Tartı ma Te ekkür Kaynaklar 10 1

3 PROJEN N AMACI Tekstil, deri ve boya endüstrisi gibi farklı endüstrilerden kaynaklanan atık sular potansiyel kanserojen olarak bilinen tehlikeli ve toksik bile ikleri içermektedirler. Hacmi ve kompozisyonu göz önüne alındı ında tekstil endüstrisinden kaynaklanan atık sular di er endüstriyel sektörlere oranla daha fazla kirletici özelli e sahiptir. Bu projenin amacı, tekstil atık sularındaki rengin ve kimyasal kirlili in aktif karbon kullanılarak giderilmesidir. G R Tekstil, deri ve boya endüstrisi gibi farklı endüstrilerden kaynaklanan atık sular potansiyel kanserojen olarak bilinen tehlikeli ve toksik bile ikleri içermektedirler. Hacmi ve kompozisyonu göz önüne alındı ında tekstil endüstrisinden kaynaklanan atık sular di er endüstriyel sektörlere oranla daha fazla kirletici özelli e sahiptir. Türkiye son yirmi yıl içinde tekstil boyama ve apreleme endüstrisinde önemli bir büyüme gerçekle tirmi tir. Bu büyüme sonucunda, farklı boyalarla yardımcı kimyasalları içeren, kompleks yapılarından dolayı biyolojik ve fizikokimyasal arıtma prosesleri ile arıtılamayan atık sular ortaya çıkmı tır. Boyama, di er tekstil prosesleri olan hazırlama, yıkama ve aprelemeye nazaran oldukça fazla miktarda su ve kimyasal madde tüketen bir prosestir. Boyama i leminden gelen atık suların içerisinde önemli miktarda boya banyo kalıntıları ve fikse olmamı boyarmaddeler bulunmaktadır. Boyama sırasında kullanılan birçok kimyasal madde, kalıcı ve biyolojik olarak ayrı masının zor olması nedeniyle biyolojik ve fizikokimyasal (adsorpsiyon, koagülasyon ve çöktürme) arıtma proseslerine kar ı dirençli olup bu tip arıtma yöntemleri ile giderilememektedir. Ayrıca, e er yeteri kadar arıtılamazlarsa, bu tür kimyasal maddeleri içeren atık sular sadece kentsel kanalizasyon sistemlerinin ya da ikincil arıtma ünitelerinin performansının inhibe olmasına neden olmakla kalmaz alıcı ortamdaki sucul ya amın olumsuz yönde etkilenmesine ve estetik açıdan problemlerin olu masına neden olurlar. Sonuç olarak boyalı atık suların etkili ve uygun yöntemlerle arıtılması tekstil sektörü için önemlidir. Günümüzde aktif karbon yardımıyla bu atık sulardaki boyarmaddeler ve zararlı kimyasallar arıtılabilmektedir. Yaygın olarak kullanılan endüstriyel adsorbanlar arasında çevre kirlili ini kontrol amacıyla, u anda kullanılan adsorbanların en önemlisi, yüksek gözeneklili e sahip aktif karbonlardır. Ticari olarak aktif karbonlar, odun, turba, linyit, kömür, mangal kömürü, kemik, 2

4 Hindistan cevizi kabu u, pirinç kabu u, fındık kabu u, ya ürünlerinden ve çam kozala ından elde edilen karbonların çe itli i lemlerden geçirilerek aktive edilmesiyle elde edilirler. Aktif karbon, büyük kristal formu ve oldukça geni iç gözenek yapısı ile karbonlu adsorbanlar ailesini tanımlamada kullanılan genel bir terimdir. Aktif karbonlar, insan sa lı ına zararsız, kullanı lı ürünler olup, oldukça yüksek bir gözeneklili e ve iç yüzey alanına sahiptirler. Aktif karbonlar, çözeltideki molekül ve iyonları gözenekleri vasıtasıyla iç yüzeylerine do ru çekebilirler ve bu yüzden adsorban olarak adlandırılırlar. YÖNTEM 1.Uygun Aktif Karbonun Bulunması lk olarak elimizdeki atık sudaki boyarmadde ve zararlı kimyasal giderimi için uygun aktif karbonu bulmak için deneyler yaptık. Deneylerimizde 4 farklı aktif karbonu denedik. Bunlar: ZnCl 2 (1,5:1), H 3 PO 4 (2:1), V P (Valeks in H 3 PO 4 ile 1:1 oranında empregresinden elde edilen aktif karbon), V Z (Valeks in ZnCl 2 ile 1:1 oranında empregresinden elde edilen aktif karbon). Her bir aktif karbondan 0,1 gram alıp 100 ml atık su çözeltimize ekledik. Daha sonra bu çözeltilerimizi 30 dk boyunca kaynattık. Çözeltiler so uduktan sonra siyah bantlı süzgeç ka ıdı yardımıyla süzdük. Süzüntünün ilk 30 ml si atılır. Çünkü süzgeç ka ıdı da belli bir miktar madde adsorbe edebilmektedir. Balonjojeye alınan çözeltilerden renk ve zararlı kimyasal giderimine en uygun aktif karbonumuzu belirledik. En uygun aktif karbonun çam kozala ının H 3 PO 4 ile empregnesinden elde edilen aktif karbon oldu unu bulduk. 2.Aktif Karbon Eldesi Aktif karbonların üretimi karbonlu malzemenin pirolizi ve aktivasyonuna dayanır. Aktivasyon i leminde iki yöntem uygulanır bunlar fiziksel ve kimyasal i lemlerdir. Bütün karbon içerikli materyallerin aktif karbona dönü türülebilmesine ra men son ürünün özellikleri, kullanılan hammaddenin yapısına, aktivasyon maddesinin yapısına ve aktivasyon prosesinin ko ullarına ba lı olarak de i iklik gösterir. 3

5 2.1. Piroliz Organik maddeler oksijensiz ortamda ısıtılırsa ortaya çıkan termal parçalanma sürecine piroliz adı verilir. Örne in odunun termal parçalanmasına ili kin durum incelendi inde oksijensiz ortamda 500 C nin üstüne ısıtıldı ında; gaz bile enleri, uçucu yo unla abilir maddeler, mangal kömürü ve kül açı a çıkar. Piroliz süreci u ekilde gerçekle mektedir: Piroliz süreci Proses genellikle 800 C'nin altında ve N 2, He gibi sürekli bir inert gaz akı ında gerçekle ir. Piroliz edilmi ürünün miktarına ve kalitesine etki eden en önemli parametreler; ısıtma hızı, son sıcaklık, son sıcaklıkta bekleme süresi ve hammaddenin yapısı ve tane boyutudur. Piroliz sırasındaki dü ük ısıtma hızı, artırılmı dehidrasyon ve polimerik bile enlerin daha iyi stabilizasyonu nedeniyle daha dü ük uçuculuk ve yüksek kok oranı elde edilmesini sa lar. Ancak kok mikro gözenekli inin, ba langıç kompozisyonu ve pirolitik ısıtma hızından ba ımsız oldu u bulunmu tur. Temel mikro yapı, bunlardan bazılarının pirolitik ürünlerle bloke edilmi olmasına ra men esas olarak 500 C de olu maktadır. Bu faktörler ayrıca aktivasyon ve son ürün kalitesi üzerinde önemli etkiye sahiptir. Kok, aktivasyon sıcaklı ından daha dü ük sıcaklıklarda hazırlandı ında, bunlar fiziksel aktivasyon sırasında, aktive edici gazdan ba ımsız olarak a ırlık kayıplarıyla sonuçlanan, pirolitik parçalanmaya devam etmektedirler. Aktive edici gazın oksidatif reaktivitesi büyük oranda ham kok eldesindeki ısıtma hızına, aktivasyon sıcaklı ındaki bekleme süresine ve okside edici atmosfere ba lıdır. Piroliz i lemi sırasında, kullanılan hammadde çe idine ba lı olarak farklı bile imlerde sıvı ürün eldesi de mümkündür. Uygulanan piroliz yöntemi ve i lem parametrelerine ba lı olarak da de i ik özellikler gösterebilen sıvı fraksiyon su ve organik kimyasallardan olu makla 4

6 birlikte genellikle sulu faz ve katran olmak üzere iki fazdan olu ur. Su fazı oksijenli alifatik ve aromatik bile iklerin kompleks karı ımları eklindedir. Katran fazı ise reçine, orta boyutlu karbonhidratlar, fenoller, aromatikler, aldehitler ve bunların kondenzasyon ürünleri ve di er türevleri eklindeki yüksek molekül a ırlıklı ürünleri içerirler. Piroliz sıcaklı ının 500 C nin üstüne çıktı ı durumlarda katran karı ımları metan, etan, hidrojen gibi daha dü ük molekül a ırlıklı gazlara parçalanır Aktivasyon Aktivasyon prosesinin amacı, organize olmamı karbonu uzakla tırmak, mikro gözenek yapı geli imini ve miktarını artırmak ile yeni gözenekler olu turmaktır. Kimyasal aktivasyon ve gaz aktivasyonu olmak üzere iki çe it aktivasyon tekni i vardır Kimyasal Aktivasyon Bu teknik genel olarak turba ve odun temel kaynaklı lignosellülozik materyallerin aktivasyonunda kullanılmaktadır. Hammaddeye fosforik asit (P 2 O 5 ), çinko klorür (ZnCl 2 ), gibi kimyasallar emdirilir. Kimyasal emdirilmi hammadde C sıcaklıklarında pirolizlenir. Aktifle tirme i leminde hammaddenin çinko klorür, fosforik asit gibi kimyasal maddelerin varlı ında pirolize u ratılması sonucunda, karbon yüzeyinde katran birikmesi önlenir ve ileri parçalanmalar sa lanarak gözenekli bir yapı olu umu sa lanır. lem sonrası elde edilen aktif karbon, aktivasyon maddesinin uzakla tırılması ve yeniden kazanılması için yıkanır, daha sonra kurutulur ve ö ütülerek toz formuna getirilir. Kimyasal aktivasyonla elde edilen aktif karbonlar genellikle oldukça açık bir gözenek yapısı gösterirler ve daha çok büyük moleküllerin adsorpsiyonu için uygundurlar. Günümüzde yeni ve etkin kimyasal aktivasyon maddelerinin kullanılması amacıyla çalı malar yapılmaktadır. Bu amaçla kullanılan potasyum hidroksit, potasyum klorür, potasyum karbonat, potasyum sülfat, sodyum hidroksit gibi alkali maddeler aktivasyon maddesi olarak önem kazanmaktadır Fiziksel Aktivasyon Bu aktivasyon tekni i genellikle kömür ve meyve kabuklarında kullanılmaktadır. Lignosellülozik materyal öncelikle pirolizlenir. Bu i lem gözenekleri küçük olan karbonlu bir ürün olu turur. Daha sonra aktivasyon i lemi, yakla ık C'lerde, buhar, karbon dioksit, hava veya bu gazların karı ımından olu an uygun okside edici bir gaz varlı ında gerçekle tirilir. 5

7 Gaz ile aktivasyon sırasında a a ıdaki reaksiyonlar gerçekle tirilir. Karbondioksit ile; C CO 2 2CO Su buharı ile; C H2O CO H2 Endotermik olan bu reaksiyonda sıcaklık, olu an CO ve H 2 'nin kısmi yanmasıyla sa lanır. Hava, karbonu de il sadece gazı yakacak kadar sisteme ilave edilir. Kalan aktif karbon ise boyutlandırılır, elenir ve toz forma getirilir. Buhar ile aktifile tirilen aktif karbonlar iyi bir lignosellülozik yapısı gösterir ve sıvı ve gaz fazındaki bile iklerin adsorpsiyonunda kullanılırlar. Optimum süre ve yeterli deri imin bulunması : Yeterli deri imin bulunması amacıyla farklı miktarlarda çam kozala ının H 3 PO 4 ile empregnesinden elde edilen aktif karbonlar 100 ml atık su çözeltisine ilave edildi. Bu karı ımlar 30 dk. süre ile kaynatıldı ve süzüldü. Süzme i lemleri sırasında ilk 30 ml çözelti atıldı. Çünkü siyah bantlı süzgeç ka ıdı da bir miktar kimyasal adsorblama yetisine sahiptir. Daha sonra aynı denemeler ekstraktifi alınmı çam kozala ı ile yapılarak kar ıla tırıldı. Ekstraktifi alınmayan çam kozala ı suya kendi rengini vermektedir.bu nedenle tolien/etanol(2:1), metanol, su ekstraktifleri alınan çam kozalakları kullanılmı tır.yeterli miktarda aktif karbon ile hazırlanan çözeltiler optimum süreyi bulabilmek amacıyla 2,4,6,8 ve 24 saatlik sürelerle karı ımlar karı tırıcıda bekletildi. 3.Atık Sudaki ve Aktif Karbonla Temizlenmi Atık Sulardaki KO Tayini Kimyasal oksijen ihtiyacı (KO ) tayini için açık refluks-titrimetrik yöntem kullanılmı tır. 3.1.Kullanılan Araç ve Gereçler a. Geri so utma ve organik madde çözünürle tirme düzene i: 24/40 boyunlu 250 veya 500 ml lik ilifli erlen, 24/40 boyunlu 300 ml lik ilifli so utucudan olu ur. ilifli so utucu boru, erlen üzerine dikey olarak yerle tirilir ve ilifli erlen, elektrikli ısıtıcının üzerine yerle tirilir. b. Büret c. Pipet d. En az 1.4 W/cm 2 gücünde tablalı elektrikli ısıtıcı 3.2. Kullanılan Reaktifler a. Standart potasyum dikromat çözeltisi ( M) Önceden C de iki saat süreyle kurutulmu olan gr. K 2 Cr 2 O 7 kimyasalı, distile suda çözülür ve 1000 ml ye seyreltilir. 6

8 b. Sülfürik asit reaktifi 1 kg. deri ik sülfürik asit çözeltisine, kristal veya toz halinde 5.5 gr. Ag 2 SO 4 ilave edilerek çözülür. Gümü sülfatın asit içerisinde tamamen çözünmesi için 1-2 gün bekletilmesi gerekir. c. Ferroin indikatör çözeltisi gr. fenantrolin monohidrat ve 695 mg. FeSO 4.7H 2 O distile suda çözülür ve 100 ml ye tamamlanır. d. Standart demir amonyum sülfat çözeltisi DAS- (0.25 M): 98 gr. Fe(NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2.6H 2 O kimyasalı, distile suda çözülür. Üzerine çalkalayarak azar azar 20 ml deri ik sülfürik asit eklenir, so utulur ve 1000 ml ye tamamlanır. 3.3.Denemelerin Yapılı ı Numune iyice karı tırılır daha sonra numunenin 50 ml si bir pipet yardımı ile 250 ml lik ilifli bir erlene aktarılır. Numunedeki KOI nin yüksek oldu u tahmin ediliyorsa, daha az bir hacim alınarak distile su ile 50 ml ye tamamlanır. Ayrıca seyreltme gerekti inde bir balon jojede seyreltme yapılarak uygun hacim alınarak deneye ba lanır. Erlene birkaç kaynama ta ı atılır ve 1.0 gram civa sülfat (HgSO 4 ) konulur. Erlen, musluk altında çalkalanarak so utulurken 5 ml gümü lü sülfürik asit (Ag 2 SO 4 H 2 SO 4 ) ilave edilir. Burada civa sülfatın tamamı çözülmelidir. Erlene, bir pipetle 25 ml standart dikromat çözeltisi konur ve karı tırılır daha sonra erlen, so utucuya takılır, so utma suyu açılır. So utucunun üst a zından 70 ml. gümü lü sülfürik asit reaktifi yava ça bo altılır, bu arada erlen, sürekli olarak çalkalanır. So utucunun tepesine ters çevrilmi bir beher kapatılır. Isıtıcı açılır, kademeli olarak 5 dakikada en yüksek dereceye getirilir. Erlenin içerisindekiler, geri so utma altında 2 saat süreyle kaynatılır. Reaksiyonlar sırasında so utma suyu çıkı ı fazla ısınmı sa, ısıtıcı kapatılarak kaynamanın tamamen durması sa lanır. 25 ml distile su ile 3-4 kez so utucunun içi, ilifli erlenin içine yıkanır. Böylece çözelti 300 ml ye seyreltilir ve a zına bir beher kapatılarak oda sıcaklı ında so uması beklenir. Daha sonra 2-3 damla ferroin indikatörü konur. Standart DAS çözeltisi ile mavi-ye ilden, kırmızımsı kahverengi renge kadar titre edilir Hesaplama Kimyasal oksijen ihtiyacı miktarı, mg/lt. (suyun yo unlu u 1 g/ml olarak kabul edilirse a a ıdaki formül ile bulunan KOI miktarı, a ırlıkça ppm cinsinden ifade edilmi olur) olarak a a ıdaki formül ile hesaplanır: KO (mg/l) = (B-A)N.8000/V A: ahidin demir amonyum sülfat sarfiyatı, ml B: Numunenin demir amonyum sülfat sarfiyatı, ml N: Demir amonyum sülfat çözeltisinin normalitesi V: Kullanılan örnek miktarı,ml 7

9 SONUÇLAR VE TARTI MA Farklı miktarlarda aktif karbonlarla yaptı ımız denemeler sonucunda yeterli miktarın 0,03M oldu unu gözlemledik. Daha sonra 0,03M deri imindeki 5 örnek optimum süre bulma çalı masına tabi tutuldu. Bu 5 örnek 2,4,6,8 ve 24 saat süre ile karı tırıcıda bekletildi. 2,4 ve 6 saatlik örneklerde adsorbsiyon gözlenirken 8 ve 24 saatlik örneklerimizde desorbsiyon oldu u gözlendi. Yapılan KO çalı maları sonucunda bu adsorblama oranının % 100 oldu u anla ıldı ve optimum sürenin 2 saat oldu u saptandı. Aktif Karbonun % Kimyasal Kirlilik Giderimi % Giderim Zaman (sa) Rakamsal olarak KO de eri ISO 6060 da 730 mg/l olmasına kar ın, ISO de 753 mg/l olarak bulunmu tur. Temizlemeyi amaçladı ımız tekstil atık suyunun KO de eri 1460 mg/l iken yaptı ımız çalı malarda iste bu de er 0(sıfır) a dü ürülmü tür. 2,4 ve 6 saatlik denemelerde KO de eri 0(sıfır) a dü ürülmü ken 8 ve 24 saatlik denemelerde KO de eri tekrar yükselmi tir. Bu olay aktif karbondaki desorbsiyon sonucu kimyasal kirlili in yükseldi ini göstermektedir. AKT F KARBON Zaman (sa) KO (mg/l) Giderim(mg/L) %Giderim , , , , ,7534 8

10 Çam kozala ını aktif karbona dönü türmek için ısı enerjisi ve kimyasal madde kullandık. Isı enerjisi ve kimyasal kullanmadan tekstil atı ını temizleyip temizlemedi ini gözlemlemek amacıyla ekstraktifi alınmı çam kozala ı kullanılarak aynı denemeler yapıldı. Ancak yapılan deneylerde aktif karbondaki oran kadar yüksek bir giderim oranı sa lanamadı. Çam Kozala ının % Kimyasal Kirlilik Giderimi % Giderim Zaman (sa) Çam kozala ındaki giderim miktarını ara tırırken, bu deneme için zamanın önemsiz oldu unu tespit ettik. Bu deneydeki giderim miktarları ve kalan KO de erleri a a ıda bulunan tablodaki gibidir. ÇAM KOZALA I Zaman(sa) KO (mg/l) Giderim(mg/L) % Giderim , , , , ,7260 Projemizin sonucunda zirai bir atık olan çam kozala ını de erlendirerek tekstil atı ını temizledik. TE EKKÜR Çalı malarımız sırasında bize danı manlık yapan Yüksek lisans ö rencileri Ça da Okutucu ya ve Sermin Önenç e, gereksinim duydu umuz cihaz ve malzemelerinin kullanımına izin veren Ege Üniversitesi, Fen Fakültesi, Kimya Bölümü ne te ekkür ederiz. 9

11 KAYNAKLAR 1.Gözde Duman, Sedef Durmazer, Jale Yanık.. B OKÜTLEDEN AKT F KARBON ELDES 2007 Ege Üniversitesi, Fen Fakültesi Kimya Bölümü Bornova- zmir 2.Serkan Timur, I. Cem Kantarli, Erdinc Ikizoglu, and Jale Yanik 'Preparation of Activated Carbons from Oreganum Stalks by Chemical Activation' Energy & Fuels, 20, ,2006, 3. SISHENG TENG,* TIEN-SHENG YEH and LI-YEH HSU PREPARATION OF ACTIVATED CARBON FROM BITUMINOUS COAL WITH PHOSPHORIC ACID ACTIVATION ( 1998 ) 4. K. Santhy, P. Selvapathy, Removal of reactive dyes from wastewater by adsorption on coir pith activated carbon(2005) 5.Gözde Duman, Gülçin Aynur, Sedef Durmazer, Sermin Önenç Kozalaktan Aktif Karbon Üretimi Ege Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya Bölümü Lisans Bitirme Tezi F. Sua rez-garcı a, A. Martı nez-alonso, J.M.D. Tasco npyrolysis of apple pulp: chemical activation with phosphoric acid(2001) 7.Ekoloji Dergisi 14,

12 11