İLERİ ARITIM YÖNTEMLERİNDEN FENTON REAKTİFİ PROSESİ İLE ENDÜSTRİYEL BİR ATIK SUYUN ISLAK HAVA OKSİDASYONU Gülin AYTİMUR, Süheyda ATALAY Ege Üniversitesi Müh. Fak. Kimya Müh. Bölümü 351-Bornova İzmir ÖZET Bu çalışmada Afyon Alkaloid Fabrikası atık suyunun Fenton Reaktifi ile ıslak hava oksidasyonu yöntemi ile arıtımı incelenmiştir. Fabrika atık suyu direkt olarak 1 atm basınç altında, asidik (ph=3) ortamda Fenton Reaktifi ile ıslak hava oksidasyonuna tabi tutulmuştur. Deneylerde sıcaklık, H 2 O 2 ve Fe +2 miktarlarının, Kimyasal Oksijen İhtiyacı (KOİ) giderimi üzerindeki etkisi incelenmiştir. Çalışmalar sıcaklıkların 3, 4 ve 5ºC değerleri için 3 ayrı Fe/KOİ oranı (1/1, 1/25 ve 1/5) ve 3 ayrı oranı (1, 5 ve 1) ile gerçekleştirilmiştir. Deneylerin performansını değerlendirmek için, her deneyin sonunda çıkış suyunun KOİ değeri ölçülmüştür. Yapılan 1 saatlik deneyler sonucunda, en uygun sıcaklığın 5 C ve Fe/substrat oranlarının da 1/1 ve 1/25 olduğuna karar verilmiştir. Deneylerde oranının fazla etkili olmadığı görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Alkaloid fabrikası atıksuyu, Fenton reaktifi, Islak hava oksidasyonu GİRİŞ Son yıllarda hızla ilerleyen teknoloji ve bilimdeki yeni gelişmeler, paralelinde çevre bilincinin de geliştirilmesini zorunlu kılmıştır. Atık sular ve bunların işlem görmeden doğal ortama deşarjı çevre ve insan sağlığı açısından ciddi bir problem yaratmaktadır. Arıtılmadan doğal su ortamına bırakılan atık sular insan ve hayvan sağlığını bozmakla birlikte, parçalanan organik bileşikler, alıcı su ortamındaki çözünmüş oksijen derişim seviyesini de düşürmektedir. Bu durum ve giderek artan çevre koruma standartları da göz önüne alındığında, özellikle ileri arıtma yöntemleri günümüzde büyük önem kazanmaktadır. Yapılan çalışma, endüstriyel bir atık suyun kirlilik seviyesini, ileri arıtma yöntemlerinden biri olan Fenton Reaktifi ile Islak Hava Oksidasyonuna tabi tutarak, kabul edilebilir oranlara getirmek için optimum arıtma şartlarının belirlenmesini amaçlamaktır. Fenton Reaktifi, 1894 yılında H.J.H. Fenton tarafından keşfedildi. Bununla beraber, atık su arıtmadaki önemi ve kullanımı, Fenton Reaktifi nin atık sudaki reaksiyon mekanizmasının açıklandığı 193 lu yıllarda başladı. Günümüzde; fenol, formaldehit, BTX içeren atık sular, boya, böcek ilacı, plastik, deri, kauçuk endüstrilerinin atık suları gibi birçok atık suyun arıtımında kullanılabilmektedir. Fenton Reaktifi, atık su arıtımında kullanıldığı gibi atık çamurların ve kirletilmiş toprağın arıtımına da yardımcı olabilmektedir. Bilindiği üzere H 2 O 2 güçlü bir oksidanttır. Çeşitli inorganik ve organik kirleticilerin arıtımında kullanılmaktadır. Bununla beraber, yüksek konsantrasyonlardaki atık suların arıtımında, reaksiyon hızının düşük olması nedeniyle, düşük performans gösterir. Daha iyi arıtımların yapılabilmesi için H 2 O 2, geçiş metal tuzlarıyla, ozonla veya UV ışıkla desteklenebilir. H 2 O 2 nin demir tuzlarıyla aktive edildiği karışım Fenton Reaktifi olarak adlandırılır ve atık sulardaki zararlı organik kirleticilerin tasfiyesinde etkin bir rol oynar(1).
Bu çalışmaya, günümüzde çevre kirliliğinin azaltılması için yapılan pek çok bilimsel çalışmalar ışık tutmaktadır. Örneğin, Millioli ve arkadaşları,.4m-4m H 2 O 2 ve 2.7 g/l ve 27.2 g/l, fenton reaktifi ile 97% arıtım verimi sağlamıştırlar(2). Meriç ve arkadaşları ise Reaktive Black 5 içeren sentetik bir atık suyun arıtımı ile renk ve kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) giderimi üzerindeki fenton reaktifinin etkisini incelemişlerdir. Çalışmalarının sonunda %71 KOİ ve %99 renk giderimi elde etmişlerdir(3). Kang ve arkadaşları tekstil atık suyunun fenton prosesiyle önoksidasyonunu incelemişlerdir. Maksimum %9 renk giderimi elde etmişlerdir(4). DENEYSEL Yapılan çalışmada atık suyun arıtımı için; ileri kimyasal arıtma yöntemlerinden fenton reaktifi ile katalitik ıslak hava oksidasyonu prosesi kullanılmıştır. Deneyler Deneylere başlamadan önce uygun tepkime süresi saptanmıştır. Sabit ph, sıcaklık ve Fe/H 2 O 2 ve Fe/KOİ oranlarında 4 ayrı süre test edilmiştir. Sırasıyla 3, 2, 1 ve,5 saatlik deneyler yapılmıştır. Uygun tepkime süresine karar verdikten sonra, uygun arıtım koşullarını saptamak için deneyler asidik ortamda sıcaklık, ve ve Fe/KOİ oranları değiştirilip yapılmaktadır. Bu oranlar literatürde önerildiği gibi, Fe/KOİ oranı ağırlıkça 1/1-1/5, ve oranı ağırlıkça 1-25 arasında olacak şekilde 3,4 ve 5 C sıcaklıklarda test edilmiştir. Deneylerde kullanılan atıksuyun özellikleri Deneylerde kullanılan atıksu, Afyon Alkaloit fabrikasından temin edilmiştir. Bu fabrikadan yılda 18 m 3 hacminde atıksu deşarj edilmektedir. Bu atıksu çoğunlukla morfin, anilin ve toluen, vb. gibi organik bileşenleri içermektedir. Atıksuyun temel özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Afyon Alkaloit Fabrikası Atıksuyunun Temel Özellikleri KOİ (mg/l) BOİ (mg/l) ph 277-4 395-6 4.7-5.2 Deney sistemi Fenton Reaktifi ile arıtma gerçekleştirmek için; 5 ml hacminde, 5 mm yükseklikte, paslanmaz çelikten yapılmış bubble reaktör kullanılmıştır. 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 beslenmekte, basınç ise reaktör çıkışında bulunan iğne vana yardımıyla kontrol edilmektedir. Ayrıca, reaktörün üstünde, reaksiyon süresince oluşan buharların yoğuşturularak reaksiyon sistemine geri kazandırıldığı bir yoğuşturucu bulunmaktadır.
Analiz ve sonuçların değerlendirilmesi Deneylerin performansı KOİ giderimine göre değerlendirilmiştir. KOİ Giderimi; KOİ KOİ KOİ s KOİ = başlangıç kimyasal oksijen ihtiyacı değeri (mg/l) KOİ s = artım sonundaki kimyasal oksijen ihtiyacı değeri (mg/l) KOİ değerleri, spectroquant NOVA 4 ile analiz edildi. SONUÇLAR Uygun çalışma süresinin tespiti Deneylere başlamadan önce uygun tepkime süresi saptanmıştır. Sabit ph, sıcaklık ve Fe/H 2 O 2 ve Fe/KOİ oranlarında 4 ayrı süre test edilmiştir. Sırasıyla 3, 2, 1 ve,5 saatlik deneyler yapılmıştır. Bu sürelerde sırasıyla yaklaşık %11, %1,4, %8,8 ve %6 KOİ giderimleri elde edilmiş ve sonuçlar Şekil 1 de verilmiştir. Deney süresinin 1 saat olarak tutulmasının uygun olduğu görüşüne varılmıştır. KOİ Giderimi (%) 4 3 2 1.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Zaman(saat) Şekil 1. Farklı çalışma sürelerindeki KOİ giderimleri Diğer çalışma koşullarının tespiti İkinci aşama olarak, asidik ortamda (ph=3), sıcaklık 3,4 ve 5 o C de Fe/KOİ oranlarını 1/1, 1/25 ve 1/5 olarak değiştirilip farklı H 2 O 2 / Fe (1,5 ve 1) oranlarında deneyler yapıldı. Fe/KOİ oranını 1/1 da sabit tutup, farklı sıcaklıklarda H 2 O 2 etkisinin gözlemlendiği deneylerin sonuçları Şekil 2 de verilmiştir. Sıcaklık 4 ve 5 C olduğunda, H 2 O 2 miktarı arttıkça, KOİ gideriminin arttığı gözlemlenmiştir. H 2 O 2 / Fe oranı 1 iken sıcaklık etkisinin çok az, fakat oran arttıkça sıcaklığın etkili olduğu görülmektedir.
KOİ Giderimi(%) 6 5 4 3 2 1 3C 4C 5C 1 5 1 Şekil 2. Fe/KOİ oranı 1/1 olduğu durumda KOİ giderimleri Fe/KOİ oranı düşürüldüğünde, 5 C sıcaklık hariç, H 2 O 2 miktarı arttıkça KOİ gideriminin azaldığı ve oranı 1 iken sıcaklığın oldukça etkili olduğu kanısına varılmıştır. Fe/KOİ oranı 1/25 değerinde sabit tutularak yapılan bu deneylerin sonuçları Şekil 3 de gösterilmiştir. KOİ Giderimi(%) 4 3 2 1 3C 4C 5C 1 5 1 Şekil 3. Fe/KOİ oranı 1/25 olduğu durumda KOİ giderimleri Fe/KOİ oranı 1/5 iken 5 C sıcaklıkta H 2 O 2 miktarının çok etkili olmadığı, giderimin 4 ve 5 C sıcaklıklarda daha yüksek olduğu gözlemlenmiş ve elde edilen sonuçlar Şekil 4 de verilmiştir. KOİ Giderimi(%) 4 3 2 1 3C 4C 5C 1 5 1 Şekil 3. Fe/KOİ oranı 1/5 olduğu durumda KOİ giderimleri
Yapılan çalışmada alınan sonuçları şu şekilde özetlemek mümkündür: H 2 O 2 miktarı özellikle Fe miktarı yüksek iken ve 5 C sıcaklıkta, KOİ gideriminde etkili Uygun Fe/KOİ oranı 1/1 ve 1/25 Uygun çalışma sıcaklığı T=5 C Sonuçlara genel olarak bakıldığında KOİ en az 1495 mg/l ye kadar düşürülmüştür. Bu değer deşarj standartları için uygun değildir. Çalışma, söz konusu atık suyun arıtımı için farklı koşullarda ve farklı arıtma prosesleri ve bu proseslerin çeşitli kombinasyonlarını kullanarak devam edecektir. KAYNAKLAR 1. Neyens, E., Baeyens, J., A review of Classic Fenton s Peroxidation as an Advanced Oxidation Technique, Journal of Hazardous Materials, B98 33-5, 23. 2.Millioli,V.S., Freire,D., Cammarota,M., Testing the Efficiency of Fenton s Reagent in Treatment of Petroleum-Contaminated Sand, Technology, 44-47,22. 3. Meriç,S., Kaptan,D.Ölmez, T., Color Removal from Wastewater Containing Reactive Black 5 Using Fenton s Oxidation Process, Chemosphere,54, 435-441, 24. 4. Kang, S., Liao, C., Chen, M., Preoxidation and Coagulation of Textile Wastewater by the Fenton Process, Chemosphere,46, 923-928, 22.