Kimyasal Yumaklaştırma

Transkript

1 Kimyasal Yumaklaştırma Kimyasal yumaklaştırma (koagülasyon), sularda bulunan ve kendi ağırlıkları ile çökelemeyen kolloid boyutundaki ( µm) katı parçacıkların çeşitli kimyasallar yardımıyla çökebilir hale getirilmesi işlemi olarak kısaca tanımlanabilir. bu işlemin ikinci adımı ise büyüyen taneciklerin birleşerek çökmesinin sağlandığı flokülasyon işlemidir. İçme suları veya atıksulardaki - Anyonik ve organik bileşiklerin giderilmesi - Renk ve bulanıklık giderilmesi - Tad ve koku oluşturan maddelerin giderilmesi - Alg ve zararlı mikroorganizma türlerinin giderilmesi için sıklıkla tercih edilen yöntemlerdendir. Kolloidler suya çeşitli yollarla dahil olabilirler. Katı parçacıkların sıvı içerisinde bulunduğu katı-sıvı sistemleri soller olarak isimlendirilir.

2 Kolloidlerin özellikleri Kolloidal dispersiyon sözkonusu olduğunda stabilite veya kararlılık terimi kullanılır. Buradaki kararlılık; kolloid maddenin çökmeye veya filtrelenmeye karşı gösterdiği direnç olarak tanımlanabilir. Kolloidin kararlılığı; tanecik boyutuna, elektriksel özelliklerine kimyasal yapısına bağlıdır. Ayrıca dispersiyon ortamının kimyası (iyonik gücü, ph ve organik içeriği) da kararlılığı etkiler. Kolloidleri gidermek için kararsızlaştırmak gerekir. Kolloidlerin yüzey alanları kütlelerine oranla çok büyüktür. Örneğin; 1 kenarı 1 cm olan bir küp, 10 nm lik küplere dönüştürülürse yüzey alanı 6 cm 2 den 600 m 2 ye çıkar. Bu yüzden kolloidal maddelerin davranışlarını kontrol ederken yüzey alanları baskındır.

3 Kolloidin özellikleri Kolloidal partiküllerin kütlesi, yerçekiminin ihmal edilebileceği kadar küçüktür. Katı taneciklerin oluşturduğu kolloidlerin ortamdaki sıvı moleküllerine karşı ilgili olması (liyofilik) veya olmaması (lipofilik) olarak tanımlanır. Birçok kolloidin suya olan ilgisi, parçacık çevresinde polar özellik taşıyan OH, COOH ve NH 2 gibi grupların varlığı nedeni ile olur. Hidrofilik partikülün etrafını saran bu su tabakası hidrasyon suyu veya bağlı su olarak isimlendirilir. Hidrofilik kolloidler bağlı su ile birlikte irileşmiş olarak hareket ederler. Hidrofobik kolloidler ise bağlı su kütlesine sahip değildirler. Genellikle organik kolloidler hidrofilik, anorganik kolloidler hidrofobik özellik gösterirler.

4 Kolloidler genellikle davranışlarını etkileyen elektrik yüklere sahiptir. Partikül yüzeyinde bulunan yükler elektriksel bir alan oluştururlar. Bu yükler birincil yük olarak tanımlanır. birincil yük iki nedenle oluşur Partikül yapısını oluşturan moleküllerin uç kısımlarındaki reaktif grupların iyonik açıdan aktifleşmesi Su içinde dağınık halde bulunan bazı iyonların adsorbsiyon ile kolloid üzerine yapışması Hidrofilik kolloid partiküller üzerindeki birincil yükler COOH ve NH 2 gibi polar grupların ayrışması ile olur.

5 Zwitter İyonu COOH OH COO - OH COO - R R H + H + R NH 2 + NH 2 + NH 2 OH İzoelektrik nokta ph Belli bir ph değerinde (izoelektrik nokta) her iki grupta iyonize olur. Nötral durumdaki bu molekül zwitter iyonu olarak bilinir İzo elektrik noktadan itibaren ph daki artış hidrate amino gruplarının iyonizasyonunu baskılar ve taneciğin negatif yük kazanmasına neden olur. ph da oluşan azalmalar ise karboksilik grubun iyonizasyonunu bastırır ve taneciğin pozitif yüklenmesine neden olur. Hidrofobik partiküllerin birincil yükleri, üzerinde adsorbladıkları iyonlara bağlıdır. Bu adsorbsiyonunun belli bir mekanizması yoktur. ph değişimi ile ortaya çıkan H + ve OH - gruplarının adsorbsiyonu nedeniyle birincil yükler oluşabilir.

6 Çift Tabaka ve Zeta potansiyeli Kolloidlerin kararlılığı sahip oldukları yüzeysel elektriksel yüke bağlıdır. Tanecik yüküne bağlı olarak yakın çevresi tanecik ile zıt yüklü iyonlarla çevrilir. Buna sabit tabaka veya stern tabakası denir. Tanecik yüzeyinden uzaklaştıkça elektriksel çekim azaldığından zıt yüklü iyonların arasına, aynı yüklü iyonlarda karışabilir. Ve tanecikten belli bir mesafe sonra elektriksel potansiyel sıfırlanır. Bu mesafe izoelektrik nokta olarak adlandırılır. Sabit tabakanın bitişinden izo elektrik noktaya kadar olan mesafeye de dağınık tabaka veya difüze tabaka denir. Taneciğin yüzeyine yakın olan ve tanecikle birlikte hareket eden bir sınır düzlemi vardır bu düzleme de kesme düzlemi denir. Kesme yüzeyindeki elektriksel potansiyel ile izoelektrik nokta arasındaki potansiyel farkına Zeta Potansiyeli denir.

7 Kolloid çevresindeki çift tabakanın kalınlığı elektriksel çekim kuvvetleri ve difüzyona bağlı olarak değişir. Zıt yüklü iyonların derişimi taneciğe yakın yerlerde yüksektir, tanecikten uzaklaştıkça çekim kuvvetinin azalmasında dolayı zıt yüklü iyonların derişimi azalır, aynı yüklü iyonlara da rastlanır. Yüksek iyonik güce sahip sularda taneciğin etrafındaki elektriksel çift tabaka net olarak sıkıştırılabilir. Böylece tanecik daha küçük bir hacim işgal eder. Aynı yüke sahip benzer kolloidal tanecikler birbirine yaklaştığında, elektriksel çift tabakaları etkileşim haline geçer. Sahip oldukları benzer yükler yaklaştıkça itme kuvvetinin etkisinde kalır. Bununla birlikte tanecikler, moleküllerarası çekim kuvveti olan Van der waals kuvvetleri ile de birbirini çekmeye başlar. Bütün moleküller ve kolloidler yükleri ve bileşimleri dikkate alınmaksızın bir çekim kuvvetine sahiptir. Bu çekim kuvvetinin büyüklüğü; taneciğin yoğunluğunun ve bileşiminin bir fonksiyonudur. Sulu fazın bileşiminden bağımsızdır. Van der waals kuvvetleri tanecik yüzeyinden uzaklaştıkça azalır. Şekilde; iki partikül arasındaki mesafenin bunların arasında etkili olan net kuvvete etkisi gösterilmiştir.

8 Kolloidler su içinde Brownian hareketle hareket ederler. Aynı yüklü iki kolloid bir arada olduklarında birbirlerini itmek isterler. Çekme kuvveti ise Van der Waals kuvvetleri ile Brownian hareketlerinden doğan kinetik enerjiden dolayı ortaya çıkar

9 Tanecikler birbirine yaklaştığında artan itme kuvvetine karşılık, enerji engelini aşacak kadar yeterince yakınlaştığında van der waals kuvvetleri etkin duruma geçer. Böylece partiküller birarada kalabilirler. Eğer kolloidleri kararsızlaştırmak ve biraraya getirmek için, var olan enerji engelini aşabilecek kinetik enerjinin sağlanması veya enerji bariyerinin düşürülmesi gerekir. Enerji engelini yenemeyen kolloidler birleşemezler. Bu nedenle çeşitli yöntemlerle engeli azaltmak uygun olabilir. Kolloidlerin enerji engelini aşarak yumaklaştırılması için dört temel mekanizma vardır. 1-Kaynama, 2-Dondurma, 3-Elektrolitlerin ilavesi ve 4-Ters yüklü kolloid ilavesi ile elektrik yükünün nötralize edilmesi ile çökeltme.

10 Kolloidin denge durumu Kolloidin yapısını uzun süre koruması onun dengeli olduğunu ve çöktürülmesinin zor olduğunu gösterir Dengeli bir kolloide etki eden elektrostatik çekme ve itme kuvvetleri dengededir. Çekme kuvvetleri moleküller arası van der waals kuvvetleri İtme kuvvetleri; hidrofobik sistemde zeta potansiyelinden, hidrofilik sistemde ise zeta potansiyeline ilave olarak, parçacığı çevreleyen su kütlesinden de etkilenir. Bağlı su elektriksel bir yalıtkan gibi davranır ve taneciklerin birbirine yaklaşmasını engeller.

11 Zeta potansiyelinin azaltılması ve kolloidlerin destabilizasyonu - Kolloidlerin zeta potansiyeli, sistemin ph sını izoelektrik noktaya ayarlayarak azaltılabilir. İzoelektirik noktada birincil yük sıfırdır ve zeta potansiyelini oluşturmak üzere çift tabaka mevcut değildir. - Zeta potansiyelini azaltmanın bir yolu da kolloidlerle zıt yüklü iyon veya kolloidlerin eklenmesidir. Böylece kesme düzlemindeki yük (zeta P.) düşer. Kolloidlerle karşılıklı yumaklaşma, iyonlarla sabit veya dağınık tabakada bu zıt yüklü iyonların çoğalması nedeni ile yumaklaşma olur. - İyonlarla yumaklaşma da eklenen iyonun değerliği önemlidir. - Hidrofilik kolloidler için zeta potansiyelini azaltmaya ilave olarak, taneciği çevreleyen bağlı suyunda uzaklaştırılması gerekir. Bu amaçla yoğun tuz ilave edilir. Bu tuzların en önemlileri SO 4 2-,Cl -,NO 3-,I - anyonlarını içerenlerdir. Suya çok duyarlı olan bu anyonlar kolloidlerdeki bağlı suyu alırlar

12 Kolloidlerin destabilizasyonunda dört farklı mekanizma sözkonusudur - Çift tabakanın sıkılaştırılması - Adsorbsiyon ve yük nötralizasyonu - Çökelek içinde tutma - Adsorbsiyon ve tanecikler arası köprü oluşumu

13 İçme sularının arıtılmasında yumaklaştırma yöntemi Doğal sulardaki askıda katı maddelerin çoğu kolloidal yapıdadır Kolloidal maddeler negatif yüklüdür,bu yüzden yumaklaştırıcı olarak +3 değerlikli alüminyum ve demir kullanılır. Bu elementlerin sülfat veya klorür bileşikleri suya eklenir ve sudaki alkalinite ile birleşerek metal hidroksitleri oluşturur. Oluşan metal hidroksitler normal ph değerlerinde az çözünen ve çökebilen özelliğe sahiptirler. Çökeltiler beraberinde biraraya gelen kolloid birikimlerini de çökeltirler. Sistem uygun bir hızda karıştırıldığında, irileşen askıda parçacıklar çökelebilen parçacıklarla çarpışarak onlara yapışır veya oluşan doku içinde tutulur. Böylece büyüyen flokların bir parçası haline gelir. İnce kolloidler, sadece bu mekanizma ile çöktürülemezler, negatif yüzey yüklerinin mutlaka pozitif yüklerle dengelenmesi ve zeta potansiyellerinin 0 a indirgenmesi gerekir.

14 Metal hidroksit reaksiyonları B m An + mnoh mb ( OH ) n Kolloidlerin zeta potansiyellerini giderebilmek için, metal hidroksitin az miktarda hidrolizi yeterlidir. B ( OH ) n B n + + noh Bu hidroliz sonucu oluşan yüksek değerlikli katyonlar kolloidlerin çift tabakasına girerek zeta potansiyelini nötrler. Böylece kolloid elektriksel itme gücünü kaybeder ve kolaylıkla flok yüzeyine adsorblanır. Suların arıtılmasında en çok kullanılan yumaklaştırıcı Al 2 (SO 4 ) 3.14(H 2 O) yani alümdür. Alüminyum sülfat suya eklendiğinde moleküler SO 4 2- ye Al 3+ ya ve Al(OH) 2+, Al(OH) 3 ve Al(OH) 4- gibi çeşitli alüm hidroliz komplekslerine ayrışır. + na m

15 Bunlardan Al(OH) 3 normal ph larda çok az çözünen ve çökebilen bir maddedir. Çökerken ortamda bulunan kolloidal maddeleride beraberinde çökeltir. Al 3+ + kolloid Al kolloid İnce kolloidler bu mekanizma ile çöktürülemeyeceğinden negatif yüzeysel yüklerin mutlaka pozitif yüklerle karşılanması ve böylece zeta potansiyelinin sıfıra indirilmesi gerekir. Oluşan pozitif türlerin kolloidal partikül üzerindeki yükü nötralize etmek için diğer negatif yüklü ince kolloidlerle birleşmesini sağlamak gerekir. Böylece taneciğin zeta potansiyeli sıfıra indirgenir. Elektriksel itme gücünü kaybeden kolloid oluşan flokların yüzeyine adsorblanarak birlikte çöker.

16 - Kullanılan yumaklaşma maddesi için suyun ph sı hangi hidroliz türünün baskın olacağının belirlenmesinde önemlidir. Örneğin düşük ph değerlerinde pozitif yüklenmiş olanlar daha baskındır. - Koagülasyon mekanizması bir çok prosesle açıklanmaya çalışılmasına rağmen, aslında oldukça karmaşık ve bir çok etkenin bir arada gerçekleştiği bir süreçtir. Koagülasyon sürecinde gerekli olan tüm reaksiyonların gerçekleşmesi için çözeltiye eklenen alüminyum sülfatın tüm türlerinin kolloid maddelere kısa zamanda temas etmesi gerekir.

17 - Öncelikle hızlı karıştırma ünitelerinde kısa bir süre (10 s) karıştırıldıktan sonra, yavaş karıştırma ile dk kolloidlerin bir araya gelmesi sağlanır. Böylece çökelebilecek kadar büyürler. - Hızlı karıştırmanın hızı ve süresi koagülant maddenin çözeltideki kolloid maddelerle tam etkileşmesini sağlayıp floklar oluşturacak kadar olmalıdır. - Yavaş karıştırmanın hızı ise oluşan flokların birleşmesini sağlayacak kadar hızlı, flokların kırılmaması için de yeterince yavaş olmalıdır.

18 Yumaklaştırıcı yardımcıları -polielektrolitler Sadece metal tuzlarının ilavesi ile çöktürmenin zor olduğu durumlarda floklaşmayı hızlandırmak için aktif silika ve polielektrolitler ilave edilir. Aktif silika negatif yüklü bir sol dür ve pozitif yüklü metal hidroksitlerin floklaştırılmasında yardımcı olur. Uzun zincirli karmaşık organik molekül yapısına sahip polielektrolitler üzerinde aktifleşebilen ya (+) ya da (-) uçlar bulunmaktadır. Hidrolizle birlikte bu uçlar iyonlaşır ve zıt yüklü kolloidleri çekerek kendine bağlar. Polielektrolitler koagülant yardımcısı olarak kullanılabildiği gibi, direkt koagülant olarak da kullanılabilir.

19 Polielektrolit kullanımı: Polielektrolitler suda çözünen yüksek molekül ağırlıklı polimerlerdir. Çözündüklerinde yüksek değerlikli iyonlar veren gruplara sahiptir. Karboksil grubu gibi çözündüğünde negatif yüklü polimer iyonları verenler anyonik, amino grupları içeren ve çözündüğünde pozitif yüklü iyonlar verenleri ise katyonik olarak tanımlanır. her iki iyon türünü de içerenlere noniyonik polielektrolit denir. Eğer partiküler madde (-) yüklü ise bu durumda katyonik Polielektrolit kullanmak gerekmektedir. Polielektrolit, koagülantlarla birlikte kullanıldığında gayet çabuk çökelen, büyük ve yoğun pıhtılar teşkil ederler. Sıkışmadan dolayı oluşacak çamur miktarı da daha stabil ve hacimce daha azdır. Polielektrolit kullanılması ile birlikte koagülant miktarı da düşmektedir. Bazı durumlarda tek başlarına kullanılmaları da yeterli gelmektedir.

20 Kullanılmış suların arıtılmasında kullanımı Petrol sanayii, kağıt hamuru sanayii, deri sanayii, tekstil sanayii atıksularının arıtılmasında koagülasyon kullanılabilir. Artıma tesislerinden gelen çamurun yoğunlaştırılmasında kullanılır. Bu sulu çamurlar, hidrofilik mikroorganizmalardan oluşmaktadır. Koagülantların ilavesi ile bu bağlı suyun mikroorganizmadan ayrılması sağlanarak çökelmesi kolaylaştırılır ve koyulaştırılır. Çürütülmüş çamurlarda ortamda bulunan bikarbonat iyonları ile koagülant aşağıdaki çökelme tepkimesini verir FeCl 3 + CO 3 + NH 4HCO3 Fe( OH) 3 + 3NH 4Cl 3 Burada bikarbonatlar suyu tamponlar ve demir(3)hidroksitin çökelme yeteneğini düşürür. Bu yüzden ortama OH - iyonları ilave ederek bikarbonatlar giderilir ve ph düşürülür. Koagülasyon bazen ileri derecede dezenfeksiyon gerektiğinde ortama kireç (Ca(OH) 2 ) eklenerek hem katı maddeler çökeltilir hem de dezenfeksiyon sağlanır. 2

21 Jar Testi Koagülasyon ve flokülasyon yöntemi ile bir atıksuyun verimli olarak arıtılabileceği bir arıtma ünitesi yapmak için öncelikle laboratuar analizleri yapmak gerekir. Bu testlere Jar (kavanoz) testi denir. Bu test yardımıyla Koagülant türü ve dozu ph ayarlaması Karıştırma hızı ve süresinin optimizasyonu yapılır.

22 Kimyasal yumaklaştırma verilerinin çevre mühendisliği uygulamalarında değerlendirilmesi İçme suyu arıtılmasında suya renk ve bulanıklık veren maddeleri gidermek için filtrasyon işleminden önce kullanılır. Deri, kağıt ve dokuma sanayi atık sularının arıtılmasında kullanımı düşünülmektedir. Bazı sanayi atıksularında bulunan ağır metallerin giderilmesinde önemli bir yöntemdir. Fosfat giderilmesinde kullanılabilir. Yumaklaştırma sırasında oluşan floklar çökeltme veya filtrasyon ile sulardan uzaklaştırılırlar.