REACTİVE BLUE 160 BOYARMADDESİ İÇEREN TEKSTİL ENDÜSTRİSİ BOYAMA PROSESİ ATIKSUYUNUN ELEKTROKOAGÜLASYON YÖNTEMİ İLE ARITIMINDA İŞLETİM KOŞULLARININ ENERJİ TÜKETİMİNE ETKİSİ Bahadır K. KÖRBAHTİ, Gül Seren AKKUŞ Mersin Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, Çiftlikköy 33343 Mersin korbahti@mersin.edu.tr ÖZET Reactive Blue 160 boyarmaddesi içeren tekstil endüstrisi boyama prosesi atıksuyunun elektrokoagülasyon yöntemi ile arıtımı demir elektrotlar kullanılarak kesikli elektrokimyasal reaktörde incelenmiştir. Çalışmada, boyarmadde konsantrasyonu, destek elektrolit (NaCl) derişimi, akım yoğunluğu ve reaksiyon sıcaklığı işletim koşullarının enerji tüketimi üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Enerji tüketimi, kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) giderimi için 19.6-341.6 kwh/kg KOİ giderimi aralığında, boyarmadde renk giderimi için 2.1-67.8 kwh/kg boyarmadde giderimi aralığında hesaplanmıştır. Anahtar kelimeler: Elektrokoagülasyon, Tekstil atıksuyu, Boyarmadde giderimi, Reactive Blue 160, Enerji Tüketimi. 1. GİRİŞ Tekstil boyarmaddeleri, tekstil malzemelerinin lif ve iplik halinde, dokunmuş, örülmüş halde veya hazır giyim haline getirildikten sonra, boyama ve baskı yoluyla renklendirilmesinde kullanılan organik kimyasal maddelerdir. Tekstil endüstrisinde, suni veya doğal ipliklerin kalıcı renklere boyanması kesikli veya sürekli çalışan üretim proseslerinin herhangi bir aşamasında gerçekleştirilmekte ve boyama sırasında fazla miktarda atıksu üretilmektedir [1,2]. Boyama prosesleri sonrasında karşılaşılan başlıca sorun atıksudan rengin ve yüksek miktardaki tuzun uzaklaştırılamamasıdır [1,2]. Boyama prosesleri, tekstil endüstrisinde üretilen atıksuyun birincil kaynağıdır ve 1 kg ürün başına yaklaşık 125-150 litre atıksu üretilmektedir [1,2]. Tekstil endüstrisinde merserize olmamış pamuk ve vizkon için uygulanan boyama proseslerinde çoğunlukla reaktif boyarmaddeler kullanılmaktadır [1,2]. Bu çalışmada, Reactive Blue 160 (RB160) boyarmaddesi içeren tekstil endüstrisi boyama prosesi atıksuyunun elektrokoagülasyon yöntemi ile arıtımı ve işletim koşullarının enerji tüketimine etkisi demir elektrotlar ve NaCl destek elektroliti kullanılarak kesikli elektrokimyasal reaktörde araştırılmıştır. Elektrokoagülasyon prosesinin kirleticileri uzaklaştırma prensibi, koagülasyon, adsorbsiyon, çöktürme ve flotasyon giderme mekanizmalarının birine veya birkaçına dayanmaktadır. Birçok avantajından dolayı elektrokoagülasyon prosesi farklı endüstriyel atıksuların arıtılmasında etkili bir yöntem olarak kullanılmaktadır [3]. Demir elektrotların kullanıldığı elektrokimyasal reaksiyonlarda kimyasal oksijen ihtiyacının büyük kısmının giderimini sağlayan etkin koşullar oluşmaktadır [4,5]. Elektrokoagülasyon prosesinde, Fe +2 iyonları uygun potansiyel altında anot reaksiyonuyla çözünerek sulu ortama karışır ve organik moleküller ile askıda katı maddeler Fe(OH) 3 sedimantasyonu veya H 2 flotasyonu ile reaksiyon ortamından ayrılır (Eşitlik 1-4) [5].
Anot reaksiyonu 4Fe 4Fe +2 + 8e (1) Katot reaksiyonu 8H + + 8e 4H 2 (2) Kimyasal reaksiyon 4Fe +2 + 10H 2 O + O 2 4Fe(OH) 3 + 8H + (3) Toplam reaksiyon 4Fe + 10H 2 O + O 2 4Fe(OH) 3 + 4H 2 (4) 2. DENEYSEL YÖNTEM Kesikli deney sistemi ceketli elektrokimyasal reaktörden, programlanabilir DC güç kaynağından, ısıtma/soğutma tankından, ısıtıcıdan ve peristaltik pompadan oluşmaktadır. Deneysel çalışmada anot ve katot olarak demir elektrotlar kullanılmıştır. Karıştırma işlemi mekanik olarak cam karıştırıcı ile yapılmıştır. Reaksiyon sıcaklığı, sıcaklığı ayarlanabilen bir su banyosunda, soğutma suyunun reaktör ceketinde dolaştırılması ile kontrol edilmiştir. Boyarmadde renk analizleri, 620 nm dalgaboyunda, Unico SQ4802 double beam UV/Vis spektrofotometre kullanılarak yapılmıştır. Kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) analizleri için Merck Spectroquant TR420 termoreaktör ile Merck Nova 60 su/atıksu fotometresi kullanılmıştır. 3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Reactive Blue 160 boyarmaddesi içeren tekstil endüstrisi boyama prosesi atıksuyunun elektrokoagülasyon yöntemi ile arıtımında işletim koşullarının enerji tüketimine etkisi Tablo 1 de görülmektedir. Çalışmada, 10 dakika reaksiyon süresi sonunda %39.5-%99.5 aralığında boyarmadde renk giderimi, 60 dakika reaksiyon süresi sonunda %52.5-%86.7 aralığında kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) giderimi elde edilmiştir. Tekstil endüstrisi boyama prosesi atıksuyunun renk giderimi hızlı biçimde sağlanırken, KOİ giderimi daha yüksek maliyetli ve güç koşullarda gerçekleşmektedir. Boyarmadde derişiminin ve NaCl destek elektrolit derişiminin artırılmasının KOİ giderimi ve renk gideriminde enerji tüketimini azalttığı, akım yoğunluğunun artırılmasının enerji tüketimini artırdığı ve reaksiyon sıcaklığının enerji tüketimi üzerinde önemli bir etkisinin olmadığı belirlenmiştir. Tekstil endüstrisi atıksuyu içinde bulunan kirleticilerin giderimi için elektrokoagülasyon yöntemi uygulandığında, KOİ giderimi için tüketilmesi gereken enerji miktarının renk giderimi için gerekli olan enerji miktarından birkaç kat daha yüksek olduğu Tablo 1 de görülmektedir. Tablo 1. Reactive Blue 160 boyarmaddesi içeren tekstil endüstrisi boyama prosesi atıksuyunun elektrokoagülasyon yöntemi ile arıtımında işletim koşullarının enerji tüketimine etkisi Parametre E BM E KOİ (kwh/kg RB160g) (kwh/kg KOİg) RB160 boyarmadde derişimi 7.3-44.5 79.5-341.6 NaCl derişimi 8.0-67.8 63.8-157.5 Akım yoğunluğu 2.1-34.2 19.6-222.4 Reaksiyon sıcaklığı 12.8-14.1 93.3-109.6 2
3.1. RB160 Boyarmadde Başlangıç Derişiminin Etkisi RB160 boyarmadde başlangıç derişiminin enerji tüketimine etkisi 9 ma/cm 2 akım yoğunluğunda, 5 g/l NaCl elektrolit derişiminde ve 35 C reaksiyon sıcaklığında incelenmiştir. Şekil 1 de boyarmadde derişiminin artmasıyla enerji tüketiminin azaldığı görülmektedir. Enerji tüketimi, 10 dakika reaksiyon süresi sonunda 7.3-44.5 kwh/kg RB160 giderimi ve 60 dakika süresi sonunda 79.5-341.6 kwh/kg KOİ giderimi olarak hesaplanmıştır. Şekil 1. RB160 boyarmadde başlangıç derişiminin enerji tüketimine etkisi (J = 9 ma/cm 2, NaCl = 5 g/l, T = 35 C) 3.2. Elektrolit Derişiminin Etkisi Elektrolit derişiminin enerji tüketimine etkisi 600 mg/l RB160 boyarmadde derişiminde, 9 ma/cm 2 akım yoğunluğunda ve 35 C reaksiyon sıcaklığında incelenmiştir. Şekil 2. Elektrolit derişiminin enerji tüketimine etkisi (RB160 = 600 mg/l, J = 9 ma/cm 2, T = 35 C) 3
Şekil 2 de elektrolit derişiminin artmasıyla boyarmadde renk giderimi için enerji tüketiminin azaldığı görülmektedir. Çalışmada KOİ giderimi için enerji tüketiminin elektrolit derişiminin 0 dan 2.5 g/l ye artmasıyla arttığı, 2.5 g/l elektrolit derişimi üzerinde elektrolit derişiminin artışıyla azaldığı belirlenmiştir. Enerji tüketimi, 10 dakika reaksiyon süresi sonunda 8.0-67.8 kwh/kg RB160 giderimi ve 60 dakika süresi sonunda 63.8-157.5 kwh/kg KOİ giderimi olarak hesaplanmıştır. 3.3. Akım Yoğunluğunun Etkisi Akım yoğunluğunun enerji tüketimine etkisi 600 mg/l RB160 boyarmadde derişiminde, 5 g/l NaCl elektrolit derişiminde ve 35 C reaksiyon sıcaklığında incelenmiştir. Şekil 3 te akım yoğunluğunun artmasıyla enerji tüketiminin arttığı görülmektedir. Enerji tüketimi, 10 dakika reaksiyon süresi sonunda 2.1-34.2 kwh/kg RB160 giderimi ve 60 dakika süresi sonunda 19.6-222.4 kwh/kg KOİ giderimi olarak hesaplanmıştır. Şekil 3. Akım yoğunluğunun enerji tüketimine etkisi (RB160 = 600 mg/l, NaCl = 5 g/l, T = 35 C) 3.4. Reaksiyon Sıcaklığının Etkisi Reaksiyon sıcaklığının enerji tüketimine etkisi 600 mg/l RB160 boyarmadde derişiminde, 5 g/l NaCl elektrolit derişiminde ve 9 ma/cm 2 akım yoğunluğunda incelenmiştir. Şekil 4 te, reaksiyon sıcaklığının enerji tüketimi üzerinde belirgin bir etki oluşturmadığı belirlenmiştir. Enerji tüketimi, 10 dakika reaksiyon süresi sonunda 12.8-14.1 kwh/kg RB160 giderimi ve 60 dakika süresi sonunda 93.3-109.6 kwh/kg KOİ giderimi olarak hesaplanmıştır. 4
Şekil 4. Reaksiyon sıcaklığının enerji tüketimine etkisi (RB160 = 600 mg/l, NaCl = 5 g/l, J = 9 ma/cm 2 ) Gerçekleştirilen kesikli sistem çalışmasında elde edilen veriler cevap yüzey yöntemi ile değerlendirilerek optimize edilmiştir. Şekil 5 ve Şekil 6 da optimum koşullarda boyarmadde derişimi ve NaCl derişiminin enerji tüketimine etkisi görülmektedir. Tekstil endüstrisi boyama prosesinde, boyarmaddeler ile birlikte farklı amaçlar için yüksek derişimlerde sodyum klorür kullanılmaktadır [6]. Dolayısıyla tekstil endüstrisi boyama proseslerinden yıkama ve durulama suları ile birlikte yüksek derişimlerde fikse olmamış boyarmadde ve sodyum klorür atılmaktadır. Şekil 5 ve Şekil 6 da boyarmadde derişiminin ve NaCl derişiminin enerji tüketimi üzerindeki etkisi optimum işletim koşulları olarak belirlenen 25 C sıcaklıkta ve 11 ma/cm 2 akım yoğunluğunda incelenmiştir. Şekil 5. Optimum koşullarda boyarmadde derişimi ve NaCl derişiminin enerji tüketimine etkisi (kwh/kg boyarmadde giderimi) (t = 10 dk) (J = 11 ma/cm 2, T = 25 C) 5
Şekil 6. Optimum koşullarda boyarmadde derişimi ve NaCl derişiminin enerji tüketimine etkisi (kwh/kg KOİ giderimi) (t = 60 dk) (J = 11 ma/cm 2, T = 25 C) KAYNAKLAR [1] Best management practices for pollution prevention in the textile industry, U.S.EPA, ABD, 1996. [2] EPA Office of Compliance Sector Notebook Project: Profile of the textile industry, U.S.EPA, ABD, 1997. [3] Eyvaz, M., Bayramoğlu, M. ve Kobya, M., Tekstil endüstrisi atıksularının elektrokoagülasyon ile arıtılması: Teknik ve ekonomik değerlendirme, İTÜ Dergisi/e, Su Kirlenmesi Kontrolü, Cilt:16, 55-65, 2006. [4] Lin, S.H. ve Peng, C.F., Treatment of textile wastewater by electrochemical method, Water Research, Cilt:28, 277-282, 1994. [5] Szpyrkowicz, L., Juzzolino, C. ve Kaul, S.N., A comparative study on oxidation of disperse dyes by electrochemical process, ozone, hypochlorite and Fenton Reagent, Water Research, Cilt: 35, 2129-2136, 2001. [6] Körbahti, B.K., Response surface optimization of electrochemical treatment of textile dye wastewater, Journal of Hazardous Materials, Cilt: 145, 277-286, 2007. 6