ÇD7 GIDA ENDÜSTRİSİ ATIKSUYUNUN ELEKTROKİMYASAL ARITIMI Y. Yavuz 1, A.S. Koparal, Ü.B. Öğütveren 3, E. Öcal 1 Anadolu Üniversitesi, Çevre Sorunları Uygulama ve Araştırma Merkezi, İki Eylül Kampusü 6555 Eskişehir e-posta: yuyavuz@anadolu.edu.tr Anadolu Üniversitesi, Çevre Sorunları Uygulama ve Araştırma Merkezi, İki Eylül Kampusü 6555 Eskişehir e-posta: askopara@anadolu.edu.tr 3 Anadolu Üniversitesi, Çevre Sorunları Uygulama ve Araştırma Merkezi, İki Eylül Kampusü 6555 Eskişehir e-posta: uogutver@anadolu.edu.tr Anadolu Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, İki Eylül Kampusü 6555 Eskişehir e-posta: eocal@ogu.edu.tr (1 Punto) ÖZET Bu çalışmada, bir gıda endüstrisi olan süt endüstrisi atık suyunun Elektrokoagülasyon (EK) yöntemiyle arıtılabilirliği araştırılmıştır. Basit kesikli reaktör ile gerçekleştirilen deneysel çalışmalarda paralel plaka şeklindeki demir elektrotlar kullanılmıştır. Deneysel çalışmalarla, destek elektrolit derişimi, akım yoğunluğu ve ph ın arıtma verimine etkileri incelenmiştir. Model atıksu bir peristaltik pompa yardımıyla reaktöre geri devir ettirilmiş ve çalışmalarda ph ın, sıcaklığın ve elektriksel iletkenliğin değişimi izlenmiştir. Çalışma sonucu, başlangıç KOİ si 1817, mg/l olan süt endüstrisi atıksuyu için,,1 M Na SO ilavesi ile %91,8 KOİ giderim verimi elde edilmiştir. Aynı çalışmada 1 ma/cm akım yoğunluğunda spesifik enerji tüketimi 1,63 kwh/giderilen kg KOİ olarak hesaplanmıştır. Deneysel çalışmalarda belirli zaman aralıklarında reaktörden alınan numunelerde KOİ analizleri gerçekleştirilmiş, ve daha ilk dakikadan itibaren çok düşük enerji tüketimleri ile oldukça yüksek KOİ giderim verimleri elde edilmiştir. Çalışma sonuçları EK nın süt endüstrisi atıksularının arıtımında oldukça başarılı olduğunu ortaya koymuştur. Anahtar Kelimeler: Elektrokoagülasyon, Süt endüstrisi atıksuyu, Demir 1. GİRİŞ Süt ürünleri atıksuları ağırlıklı olarak süt ve süt ürünlerini içerir. Bu atıklar arasında karbonhidratlar, protein ve yağ sayılabilir. Organik madde içeriği yüksek olan bu atıksuyun arıtımı ve bertaraf edilmesi, önemli bir çevresel sorundur. Süt endüstri atıksularının arıtımında fizikokimyasal ve sıklıkla biyolojik yöntemler [1, ] kullanılmakta olup geleneksel yöntemlerle bu yükün üstesinden gelmek, tesis yeterliliği ve işlemin ekonomisi açısından oldukça zordur. Bunun yanı sıra, az da olsa, membran [3] ve elektrodiyaliz [] süreçleri ile arıtım çalışmaları mevcuttur. Bu çalışmada literatürde ilk kez olmak üzere, süt endüstrisi atıksuyunun arıtımı amacıyla EK yöntemi kullanılmış olup, demirin elektrolitik olarak yükseltgenmesi ile oluşan demir hidroksit vasıtasıyla arıtım sağlanmıştır. Literatürde süt endüstrisinde dönüştürme, saflaştırma veya süt bileşenlerini ayrıştırmayı kapsayan elektrodiyaliz uygulaması ile ilgili bir
çalışma vardır [5]. Diğer bir çalışmada ise [], peynir altı suyundan protein özütlemesi için elektrokoagülasyon kullanılmıştır. Elektrokoagülasyon uygulanan akım vasıtasıyla çözünen anodun (genellikle alüminyum ya da demir) oluşturduğu koagülantın kullanılacağı yerde üretilmesi temeline dayanır. Bu sırada katotta oluşan hidrojen gazı ise kirleticilerin yüzdürme ile eşanlı giderimini sağlar. Mollah ve arkadaşlarına [6] göre, bir elektrolitik sistemde yükseltgenen demir, demir hidroksit oluşturur, Fe (OH) n, burada n = ya da 3. Fe (OH)n oluşumu için iki mekanizma önerilmiştir. Oluşan Fe (OH) n (katı) sıvı ortam içinde jelatinimsi asıltı olarak kalır ve atıksudaki kirleticileri kompleksleşme veya elektrostatik çekim sonrası koagülasyon ile giderir.. MATERYAL VE METOT Çalışmalarda kullanılan atıksu Eskişehir de yerleşik bir süt endüstrisinden temin edilmiş ve buzdolabında C de muhafaza edilmiştir. Deneysel çalışmalar 5mL hacimli bir reaktörde paralel olarak yerleştirilmiş plaka şeklindeki çözünebilir demir elektrotlar kullanılarak 35mL lik atıksu hacimlerinde gerçekleştirilmiştir. Sıcaklık, ph, gerilim ve iletkenlik çalışmalar sırasında izlenmiştir. Bütün çalışmalar 3 dakika sürdürülmüştür. Belirli zaman aralıklarında reaktörden numune alınmış ve KOİ analizleri gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışma düzeneği Şekil 1 de görülmektedir. Çalışmalar sabit akım altında gerçekleştirilmiş, akım yoğunluğu, destek elektrolit derişimi ve ph ın arıtma verimine etkileri araştırılmıştır. Süt endüstrisi atıksuyunun başlangıç KOİ si 1817, mg/l olup atıksuyun iletkenliği,18 ms/cm ve ph ı 7,6 dır. Çalışmalarda kullanılan bütün kimyasallar analitik saflıktadır. 3. BULGULARIN TARTIŞILMASI Şekil 1. Deneysel çalışma düzeneği Deneysel çalışmalar farklı akım yoğunlukları (, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 1 ma/cm ), destek elektrolit derişimleri (,1,,3,,5,,7 ve,1 M Na SO ) ve ph değerlerinde (, 5 ve orijinal ph= 7,6) gerçekleştirilmiştir. Bir deneysel çalışma sonucu elde edilen veriler Çizelge 1 de verilmiştir. ph ayarlaması yapılmaksızın gerçekleştirilen deneylerde, atıksu ph ı zamanla artış eğilimi göstermiştir. Bu deneylerde, atıksuyun ph ı düzenli olarak artarak 8-11 e kadar yükselmiştir. Örneğin, başlangıç ph ı olan 7,15 değeri, 3 dakikalık elektroliz sonrası 3, 6 ve 1 ma/cm akım yoğunlukları için sırasıyla 8,1, 9,5, ve 1,8 değerlerine ulaşmıştır (Şekil ).
3 Zaman (dak) Sıcaklık (C) ph Çizelge 1. Bir deneysel çalışmanın sonuçları Gerilim (V) İletkenlik (ms/cm) KOİ (mg/l) KOİ giderimi (%) Enerji Tüketimi (kwh/kg) Akım verimi (%) 13,1 8, 1,5 17.5 1817, - - - 1 13, 8,9 1,7 17,6 335,5 81,5,55 98,33 13,6 8,95 1,8 17, 79,6 8,6,111 5,13 3 13,8 9, 1,8 17, 33, 87,,16 37,18 5 1, 9,71 1,9 17,39 1, 88,,8,57 7 1,5 9,9 1,9 17,38 1, 88,,395 16,1 1 15, 1,7 1,9 17,36 195,7 89,,558 11, 15 16, 1,9 1,9 17,3 177,1 9,3,87 7,7 16,9 11, 1,9 17, 158, 91,3 1,9 5,8 3 18,5 11,73 1,9 17,1 19,1 91,8 1,66 3,91 1 1 ph 8 6 i = ma/cm i = 3 ma/cm i = 5 ma/cm i = 6 ma/cm i = 7 ma/cm i = 8 ma/cm i = 9 ma/cm i = 1 ma/cm 5 1 15 5 3 Şekil. ph ın zamanla değişimi Akım yoğunluğu arttıkça, KOİ değerlerinde düşüş görülmüştür (Şekil 3). Benzer şekilde, akım yoğunluğunu artırmanın KOİ giderimini hızlandırdığı söylenebilir. 1 8 KOİ giderimi, % 6 i = ma/cm i = 3 ma/cm i = 5 ma/cm i = 6 ma/cm i = 7 ma/cm i = 8 ma/cm i = 9 ma/cm i = 1 ma/cm 5 1 15 5 3 Şekil 3. KOİ gideriminin akım yoğunluğu ile değişimi Akım yoğunluğu uygulanan gerilimle yakından ilgilidir. Yüksek akım yoğunluklarında çalışmak için elektrokimyasal reaktöre daha yüksek gerilim uygulanması
gerekmektedir. Dolayısıyla, enerji tüketimi de Şekil te görüldüğü üzere akım yoğunluğu ile doğru orantılı olarak değişmektedir. Enerji Tük., kwh/kg 1 9 8 7 6 5 3 1 i = ma/cm i = 3 ma/cm i = 5 ma/cm i = 6 ma/cm i = 7 ma/cm i = 8 ma/cm i = 9 ma/cm i = 1 ma/cm 5 1 15 5 3 Şekil. Enerji tüketiminin zamanla değişimi Bir başka önemli parametre olan akım veriminin zamanla değişimi, Şekil 5 te verilmektedir. Akım verimi doğal olarak zamanla azalan bir eğilim göstermiştir. Deneysel çalışmalarda %98,5 gibi yüksek akım verimleri elde edilmiştir. Akım verimi, % 8 7 i = ma/cm i = 3 ma/cm 6 i = 5 ma/cm i = 6 ma/cm 5 i = 7 ma/cm i = 8 ma/cm 3 i = 9 ma/cm i = 1 ma/cm 1 5 1 15 5 3 Şekil 5. Akım veriminin akım yoğunluğu ile değişimi Destek elektrolitin elektrokimyasal süreçler üzerinde önemli etkisi olduğu oldukça iyi bilinmektedir. Bu çalışmada, süt endüstrisi atıksuyunun elektrokoagülasyon ile arıtımına etkisini incelemek için, destek elektrolit olarak sodyum sülfat kullanılmıştır. Elektrokoagülasyon sisteminin arıtma verimi destek elektrolit derişimine bağlı olarak doğru orantılı bir şeklide artmıştır. KOİ nin destek elektrolit derişimi ile değişimi Şekil 6 da gösterilmiştir. Destek elektrolit kullanılmayan çalışmalardaki enerji tüketimi, destek elektrolit kullanılanlara oranla 5 kat fazla çıkmıştır. Bu nedenle, destek elektrolit derişimi sadece giderim verimi açısından değil, enerji tüketimi açısından da önemlidir.
5 KOİ giderimi, % 1 8 6 Destek elektrolitsiz,1 M NaSO,3 M NaSO,5 M NaSO,7 M NaSO,1 M NaSO 5 1 15 5 3 Şekil 6. KOİ gideriminin destek elektrolit derişimi ile değişimi Çalışmalarda ph ın etkisi; bir ph kontrol ünitesi vasıtasıyla elektrokimyasal reaktöre sürekli olarak H SO ve NaOH ilavesi ile ph istenilen değerde sabit tutularak incelenmiştir. KOİ gideriminin ph ile değişimi Şekil 7 de verilmektedir. Çalışma sonuçlarına göre, ph ın arıtma verimi üzerine belirgin bir etkisi yoktur. 1 KOİ giderimi, % 8 6 ph orijinal ph = ph = 5 1 3 Şekil 7. KOİ gideriminin ph ile değişimi. SONUÇLAR Bu çalışmada, çözünebilir demir elektrotlar kullanılarak süt endüstrisi atıksuyunun elektrokoagülasyonu araştırılmıştır. Akım yoğunluğu, destek elektrolit derişimi ve ph gibi bazı önemli deneysel parametrelerin KOİ giderimine etkileri incelenmiştir. Akım yoğunluğu ve destek elektrolit derişimindeki artışlar, atıksuyun arıtma veriminde artışa neden olmuştur. En iyi çalışma şartları şu şekilde belirlenmiştir: akım yoğunluğu 1 ma/cm, destek elektrolit derişimi,1m Na SO ve atıksuyun orijinal ph değeri. Su Kirliliği Kontrolü Yönetmeliği nde verilen deşarj standartları ( saatlik kompozit numunede KOİ için 17 mg/l), kısa süreli elektrokoagülasyon çalışması sonucunda sağlanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, süt endüstrisi atıksuyunun demir elektrotlarla elektrokoagülasyonu atıksu arıtımı açısından oldukça verimli bir metot olarak görülmektedir. TEŞEKKÜR Bu çalışma, Anadolu Üniversitesi Bilimsel Araştırma Fonu tarafından,..39 Proje No su ile desteklenmektedir.
6 KAYNAKÇA [1] Demirel, B., Yenigun, O., ve Onay, T.T., 5. Anaerobic Treatment of Dairy Wastewaters: A Review, Process Biochemistry,, 583 595. [] Carta, F., Alvarez, P., Romero, F., ve Pereda, J., 1999. Aerobic Purification of Dairy Wastewater in Continuous Regime; Reactor with Support, Process Biochemistry, 3, 613 619. [3] Balannec, B., Gesan-Guiziou, G., Chaufer, B., Rabiller-Baudry, M., ve Daufin, G.,. Treatment of Dairy Process Waters by Membrane Operations for Water Reuse and Milk Constituents Concentration, Desalination, 17, 89-9. [] Bazinet, L.,. Electrodialytic Phenomena and Their Applications in the Dairy Industry: A Review, Critical Reviews in Food Science and Nutrition,, 55 5. [5] Janson. H.V., ve Lewis. M.J., 199. Electrochemical Coagulation of Whey Protein, Journal of The Society of Dairy Industry,, 87-9. [6] Mollah, M.Y.A., Schennach, R, Parga, J.R., ve Cocke. D.L., 1. Electrocoagulation (EC) Science and Applications, J. Hazard. Mater., B8, 9.