YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ KOAGÜLASYON

Transkript

1 YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ KOAGÜLASYON Dr. Tamer COŞKUN 20 Mart 2012

2 Giriş Sularda genellikle bol miktarda askıda ve kolloidal maddeler bulunabilir. Askıda partiküller sudan daha kolay bir şekilde uzaklaştırılabilirken kolloidal maddeler kendiliğinden çökememektedirler. Kolloidal maddelerin çöktürme ya da filtrasyonla giderilebilmeleri için fiziksel ya da kimyasal olarak şartlandırılmaları gerekir. Kolloidlerin fiziksel yapılarını değişikliğe uğratmak için suya çeşitli kimyasallar ilave edilmesi işlemine koagülasyon denilmektedir.

3 Giriş Fiziksel şartlandırmaya ise flokülasyon denilmektedir. Bu işlemin amacı kendiliğinden çökebilecek floklar oluşturmaktır. Sudaki bazı mineral ya da katılarda benzer şartlandırmalarla giderilebilir. Örneğin kalsiyum ve magnezyum, kireç ve soda ilavesi ile çöktürülebilir.

4 Askıda Katılar Sulardaki askıda katılar; kum, toprak, organik maddeler, bakteriler, virüsler ve diğer partiküler maddelerdir. Partiküllerin çapları Tablo da verilmiştir. 1 mikrondan daha büyük partiküller durgun sularda çökelebilirler. Daha küçük partiküller ise kendiliğinden çökelmez. Bu tip katı maddelere kolloidler adı verilir.

5 Askıda Katılar

6 Kolloidlerin Karakteristikleri Kolloidal partiküller 0,001 mikrondan 1 mikrona kadar çeşitli çaplarda bulunabilirler. 1. İnorganik partiküller (kil, silt, asbest vb.) 2. Koagülant çökeltileri 3. Organik partiküller (hümik maddeler, virüs, bakteri ve plankton) Kolloidal partiküller hidrofilik ya da hidrofobik olabilirler. Kütleleri çok küçük olduğu için yerçekimi çok etkili değildir.

7 Elektrostatik Güçler Pek çok kolloid elektriksel yüke sahiptir. Kolloid eğer metal oksit ise genellikle pozitif, metalik olmayan oksit ya da metal sülfit ise negatif yüklüdür. Doğal sulardaki kolloidler genellikle negatif yüklüdürler. Kolloidlerin yüzeyleri genellikle dengeleyici iyonlar ile kaplanır (counter ion). Dengeleyici iyonlarla birlikte bu yapı oldukça kararlıdır ve bu tabakaya stern tabaka adı verilir (stern layer).

8 Elektrostatik Güçler Su molekülleri de bu tabakaya bağlı gibi hareket eder. Bu tabaka etrafında difüze tabaka (diffused layer) adı verilen ikinci bir tabaka oluşur. Bu tabaka da iki türlü yon da bulunmakla birlikte genellikle dengeleyici iyonlar dominanttır. Bu iki tabakaya sıklıkla ikili tabaka (double layer) denilmektedir. Difüze tabaka eğer bir ayırma düzlemi ile kesilecek olursa içte kalan tabaka kolloidle birlikte dıştaki tabaka ise kolloidden bağımsız olarak hareket etmektedir.

9 Elektrostatik Güçler

10 Elektrostatik Güçler Elektrik potansiyeli kolloidin yüzeyinde maksimum iken difüze tabakanın sonunda sıfırdır. Ayırma düzlemindeki potansiyele ise zeta potansiyeli denilmektedir. Yüzeydeki gerilimi ölçmek mümkün olmamakla birlikte zeta potansiyeli ölçümü sıklıkla kullanılmaktadır. Zeta potansiyelinin yüksek olması kolloidlerin birleşmesinin düşük olmasına sebep olmaktadır.

11 Van der Waals Güçleri Van der Waals güçleri iki kütlenin birbirlerini çekme güçleri olarak ifade edilebilir. Çekim kuvveti iki partikülün kütlesi ve birbirlerine olan uzaklıklarının bir fonksiyonudur. Van der Waals güçleri elektrostatik güçlerin antitezidir. Eğer elektrostatik güçler azalır ve partiküller birbirlerine yaklaşırsa Van der Waals güçleri dominant olurlar.

12 Van der Waals Güçleri

13 Brownian Hareketi Su içerisindeki moleküller rastgele hareket ederler. Bu hareket kolloidler arasında rastgele çarpışmalarla sonuçlanır. Bu duruma Brownian hareketi adı verilir. Bazı durumlarda Brownian hareketleri iki kolloidin birbirlerine yakınlaşmasına ve Van der Waals kuvvetlerinin elektrostatik güçlere baskın olmasına sebep olur. Ancak bu durum nadiren gerçekleşir. Brownian hareketleri genellikle yetersiz kalır.

14 Yumaklaşma Hadisesi Çözeltiye ilave edilen zıt yüklü iyonlar, danecik etrafındaki tabakanın sıkışmasına sebep olup itme kuvvetinin etkisini azaltırlar. Çözeltiye ilave edilen metan iyonları ve organik polimerlerin danecik yüzeyinde adsorbe edilmesiyle danecik yüzeyindeki potansiyel azalmaktadır. Yumaklaştırıcı maddelerin çözeltiye ilave edilmesiyle teşekkül eden metal hidroksitler çökerlerken kolloidleri de bir ağ şeklinde sararak onların da çökelmesini sağlarlar.

15 Yumaklaşma Hadisesi Organik polimerlerin kullanılması halinde uzun zincirli bu polimerler, kolloidlerin etrafını sararak bir köprü meydana getirirler. Brownian hareketleri yumaklaşmaya sebep olur. Bu yumaklaşmaya perikinetik yumaklaşma denir. Ancak bu yumaklaşma yetersiz olduğundan kimyasalın çözeltiye tam olarak nüfuzu için çözelti karıştırılır. Bu tip yumaklaşmaya ortokinetik yumaklaşma denilir.

16 Hızlı Karıştırma Hızlı karıştırma işlemi, suya ilave edilen koagülantın su içerisinde yayılması ve çözünmesi amacıyla yapılmaktadır. Hızlı karıştırma, mekanik olarak ya da statik olarak yapılabilmektedir. Mekanik karıştırma; çarklar, pervaneler, pedallar ile, statik karıştırma ise, hidrolik sıçrama, perdeler, borularda türbülanslı akım ile yapılmaktadır. Her iki karıştırma şeklinin avantaj ve dezavantajları Tablo da özetlenmiştir.

17 Karıştırma Tipleri Karıştırma tipi Mekanik Statik Avantajları Debiden bağımsız olması Karıştırma ayarlanabilir Operasyondaki esneklik Bakım maliyeti yok ya da az Güvenilir Dezavantajları Bakım için ilave ekipman Güvenilirlik ekipmana bağımlı Debiye bağımlı karıştırma Yüksek yük kayıpları Operasyonun esnek olmaması

18 Karıştırıcı Tipleri

19 Karıştırıcı Tipleri

20 Karıştırıcı Tipleri

21 Karıştırıcı Tipleri

22 Karıştırıcı Tipleri

23 Karıştırıcı Tipleri

24 Karıştırıcı Tipleri

25 Karıştırıcı Tipleri

26 Karıştırıcı Tipleri

27 Karıştırıcı Tipleri

28 Karıştırıcı Tipleri

29 Karıştırıcı Tipleri

30 Karıştırıcı Tipleri

31 Karıştırıcı Tipleri

32 Karıştırıcı Tipleri

33 Karıştırma Gereksinimleri Hızlı karıştırma işlemi, kimyasalların su içerisinde dağılmaları için yeterli olmalıdır. Koagülasyon kimyasallarının reaksiyonu hızlı, yumuşatma reaksiyonları yavaş olarak gerçekleşir. Hızlı karıştırma üniteleri; koagülasyon ve yumuşatma kimyasalları kısa sürede su içerisinde homojenize olmaları için boyutlandırılmalıdır. Su arıtımında, karıştırma ünitelerinde karıştırmanın derecesi hız gradyenti (G) ifadesi ile belirlenir.

34 Karıştırma Gereksinimleri Burada; P G = V µ G: Hız gradyenti, s -1 (G= s -1 ) P: Suya aktarılan güç, Nm/s veya watt V: Tank hacmi, m 3 µ: akışkanın viskozitesi, Ns/m 2

35 Karıştırma Gereksinimleri P = 2πnT Burada; n: Pervanenin hızı, tur/s (rps) T: Pervane şaftının torku, N-m

36 Karıştırma Gereksinimleri P = N pµ n 2 d 3 P = N n 3 d 5 P = N ( γ / g) n 3 d 5 p pρ Burada; N p : Pervanenin güç numarası d: Pervane çapı, m ρ: Akışkanın özkütlesi, kg/m 3 γ: Suyun yoğunluğu, N/m 3 g: Yerçekimi ivmesi, m/s 2 µ: suyun dinamik viskozitesi, Ns/m 2

37 Karıştırma Gereksinimleri Laminer akımlar için ilk (N R <10), türbülanslı akımlar için (N R >10.000) ikinci formül kullanılır. d 2 N = R nρ µ

38 Karıştırma Gereksinimleri Hdirolik sıçrama ile karıştırma yapılırsa hız gradyenti aşağıdaki gibi hesaplanır: P G = V µ P = ρgq h Burada; h: Serbest düşme yüksekliği, m

39 Bekletme Süresi Hızlı karıştırma tanklarında bekletme süresi, 10 s ile 5 dk arasındadır. Tasarım kriteri olarak G*t değeri de kullanılır. Birimsiz olan bu değer arasındadır. Optimum değerler deneysel çalışmalarla belirlenen değerlerdir.