kimyasal arıtma - FİZİKOKİMYA GRUP

SU HAZIRLAMA TEKNİKLERİ
KONU:Kimyasal Arıtma,Oksidasyon
ve Elektrooksidasyon
Hazırlayanlar
Döne SERT 2011144059
Emine ŞEKER 2012144601
Tuğba ASLAN 2011144601
KİMYASAL ARITMA
Atık suyu hızlı ve yavaş karıştırma ünitelerinde
çeşitli nötralizasyon, koagülasyon ve flokülasyon
kimyasalları eklenip, bu kimyasalların atık suyun
içindeki kirleticiler ile reaksiyona sokularak
çökeltilmesi ile oluşan prosestir.
• Kimyasal arıtmanın amacı, suda çözünmüş
halde bulunan kirleticilerin kimyasal
reaksiyonlarla çözünürlüğü düşük bileşiklere
dönüştürülmesi ya da kolloidal ve askıdaki
maddelerin yumaklar oluşturarak çökeltilmesi
suretiyle giderilmesidir.
Başlıca kullanım alanları;
•
•
•
•
•
•
•
Demir ve mangan giderilmesi
Dezenfeksiyon
Organik bileşiklerin giderilmesi
Renk giderilmesi
Tat ve koku giderilmesi
Korozyon kontrolü
Krom indirgenmesi
Kimyasal presipitasyon ve flokulasyon
• Suya kimyasal madde ilavesiyle suda bulunan
askıda ve çözünmüş maddelerin yapılarını
değiştirerek veya ilave edilen maddelerin
oluşturduğu fiziksel etkenler ile sudan
uzaklaştırılması amacıyla uygulanır.
• Presipitasyon işlemi kolloidal haldeki maddelerin
kimyasal maddeler ilavesiyle birbirleriyle
birleşebilir yapıya dönüştürülmesi ve böylece
flokulasyona başlangıç oluşturacak kümelerin
oluşturulması işlemidir.
• Flokulasyon işlemi ise presipite olmuş
taneciklerin birleştirilerek sudan çökelme ile
ayrılabilir büyüklük ve yapıda yumaklar haline
getirilmesidir.
• Presipitasyon ve flokulasyon işlemi içme suyu
arıtımında bulanıklık ve sertlik giderilmesinde,
endüstriyel atık su arıtımında, evsel atık su
arıtımında, evsel atık sulardan organik madde,
renk, metal iyonu ve spesifik kirleticilerin
giderilmesinde kullanılır.
Atık suya ilave edilen kimyasallar ortamda bulunan
maddelerle reaksiyona girerler. Söz konusu
kimyasallar;
1-Şap (Alum) AI2(SO4)3.18H2O ( X.H2O 13-18 arasında
değişebilir)
2-Kireç Ca(OH)2
3-FeSO4.7H2O (Demir II Sülfat)
4-FeCI3 (Demir III klorür)
5-FeCI3 ve kireç
6-Fe2(SO4)3 (Fe III Sülfat) ve kireçtir
•
Şap ile reaksiyonlar;
Şap, kalsiyum ve magnezyum bikarbonat
alkalinitesi içeren atık sulara ilave edildiğinde,
aşağıdaki reaksiyonlar oluşur;
Al2(SO4)3.18H2O + 3Ca(HCO3)2 → 3CaSO4 +
2Al(OH)3 + 6CO2+18H2O
• Çözünmeyen alüminyum hidroksit, jelatinimsi
flok teşkil eder ve atık su ile birlikte çökelir. Eğer
suda bir miktar alkaliniteden daha az alkalinite
varsa suya ilave edilmesi gerekir. Bu amaçla
gerektiğinde kireç kullanılır.
Kireç ile Reaksiyonlar;
Kireç yalnız başına koagülant olarak ilave
edildiğinde, arıtmanın prensipleri aşağıdaki
reaksiyonlar ile ifade edilir;
Ca (OH)2 + H2CO3→ CaCO3 + 2H2O
Kalsiyum hidroksit Karbonik asit
Kalsiyum karbonat
Ca (OH)2 + Ca(HCO3)2 → 2CaCO3 +2H2O
Kalsiyum hidroksit Kalsiyum bikarbonat
Kalsiyum karbonat
• Serbest karbonik asit ile ve bikarbonatların
karbonik asit ile birleşimini sağlamak üzere
yeterli miktarda kireç suya ilave edilmelidir.
Demir sülfat ile kireç birlikte kullanıldığında
yalnız kireç kullanımına kıyasla daha az kireç
gerekir. Endüstriyel atıklar, mineral asidite veya
tuzlarını içerdiklerinden bunlarda çökelmenin
olması için nötralize edilmeleri gerekmektedir.
Ferro sülfat ve kireç ile reaksiyonlar;
Çoğu hallerde ferro sülfat, çöktürme maddesi
olarak yalnız başına kullanılmamalıdır. Ferro
sülfat ile yalnız başına olan reaksiyon şu
şekildedir ;
FeSO4.7H2O + Ca(HCO3)2 → Fe(HCO3)2 +
Ferro sülfat
Kalsiyum bikarbonat
CaSO4 + 7H2O
Kalsiyum sülfat
Su
Ferro bikarbonat
Eğer Kireç Ca(OH)2 şeklinde ilave edilirse,
reaksiyon şu şekilde oluşur;
Fe(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 → Fe(OH)2 + 2CaCO3 +
Ferro bikarbonat
2 H 2O
Karbonat
Kalsiyum hidroksit
Ferrohidroksit
Kalsiyum
Ferro hidroksit, önce ferri hidroksite oksitlenir;
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)2
Ferro hidroksit
Oksijen
Su
Ferrihidroksit
Çözünmeyen Ferri hidroksit, jelatinli floklar
halinde oluşur. Ferri hidroksitin oluşumu,
çözünmüş oksijenin mevcut olmasına bağlıdır.
Eğer endüstriyel atık su veya evsel atık su gerekli
oksijeni içermiyorsa yukarıdaki son reaksiyon
tamamlanamaz. Ferri sülfat ise ferro sülfatın
yerine kullanılabilir ve çoğunlukla kireç ilavesini
ortadan kaldırır.
Ferri klorür ile olan reaksiyonlar şunlardır;
FeCI3 + 3H2O → Fe(OH)3 + 3H + 3CI
Ferri klorür
Su
Ferri hidroksit
3H+ + 3HCO3 → 3H2CO3
Bikarbonat
Karbonik asit
Ferri klorür ve kirecin reaksiyonları şunlardır;
2FeCI3 + 3Ca(OH)2 → 3CaCI2 + 2Fe(OH)3
Ferri klorür
Kalsiyum hidroksit
Kalsiyum klorür
Ferri hidroksit
Ferri sülfat ve kireç ile olan reaksiyonlar şu
şekilde verilebilir;
Fe2(SO4)3+ 3Ca(OH)2 → 3CaSO4 + 2Fe(OH)3
Ferri sülfat
Kalsiyum Hidroksit
Kalsiyum sülfat
Ferri hidroksit
• Kimyasal atık su arıtma sistemlerinde dengeleme havuzundaki su, önce
Nötralizasyon Tankına alınarak ph’ı düzenlenecektir. Bu işlem pH metre
ve dozaj pompası vasıtasıyla otomatik olarak yapılmaktadır.
Nötralizasyon tankında pH’ı düzenlenen atık, flok oluşması sağlamak için
Flokülasyon Tankına alınır. Flokülasyon Tankında askıda kalan
maddelerin flok oluşturması sağlanır. Flokülasyon Tankında flok
oluştuktan sonra su kimyasal durultucu tanka alınır. Kimyasal Durultucu
Tankının dip kısmına çöken floklar dipte çamur birikintisi haline gelir.
Oluşan çamur, çamur yoğunlaştırıcı tankına alınır, oradan da filtre press’e
gönderilir. Çamur filtre press ve ekipmanları sayesinde kek haline getirilir.
Kek haline gelen çamur poşetlenerek çamur bertaraf tesislerine
gönderilir. Kimyasal Durultucu Tankının üzerinde biriken su deşarj hattına
verilir.
Nötralizasyon
Asidik ve bazik karakterdeki endüstriyel atık
suların pH'sını ayarlaması işlemidir. Atık suyun
pH'nın ayarlanması kimyasal çöktürme işleminde
reaksiyonların gerçekleşeceği uygun pH değerinin
sağlanması bakımından gereklidir.
Su ve Atık Su Arıtımında Kimyasal
Oksidasyon
Oksidasyon(Yükseltgenme); elektronların bir atom
ya da molekülden ayrılmasını sağlayan kimyasal
tepkimedir.
Çeşitli nedenlerle istenmeyen bileşiklerin zararsız
bileşiklere çevrilmesi veya daha sonraki arıtma
işlemleri için uygun hale getirilmesi amacıyla
uygulanır.
• Kimyasal oksidasyon her zaman tam olarak
gerçekleşmesi mümkün olmayabilir. Örneğin
zehirli bir madde olan fenol kuvvetli bir oksidan
madde ile karbondioksit ve suya kadar
oksitlenebilir. Ancak fenole göre daha az zararlı
ara oksidasyon bileşiklerinin oluşması
düzeyindeki bir oksidasyon bazı amaçlar için
yeterli olabilir.
Benzer durum siyanür oksidasyonu için de
geçerlidir. Bu uygulama oksidasyon hızlarının
çok yavaş olması durumunda kaçınılmazdır.
• Kimyasal oksidasyon kullanılmasında arıtmanın
amacına göre bazı kısıtlamalar bulunmaktadır.
Bunlar içinde en önemlisi oksitleyicinin
reaksiyon sonunda zararlı atıklar
bırakmamasıdır.
• Bunun dışında oksitleyicinin arıtma veriminin
yüksek olması diğer arıtma işlemleri için zararlı
olmaması, kolay uygulanabilir olması ve
ekonomik olması istenir.
• Bu koşulları özellikle ekonomik olma koşulunu
sağlayan oksitleyici sayısı oldukça azdır. Su
arıtımında kimyasal oksidasyonun en yaygın
uygulamaları demir ve mangan giderme ve tat
ve koku kontrolüdür.
Oksidasyonda kullanılan kimyasallar
Oksijen
Asidik 2H2O → O2 + 4H+ + 4eBazik 4OH- → O2 + 2H2O + 4e-
-1.229 V
-0.401 V
Ozon
O3 + H2O → O3 + 2H+ + 2eO3 + 2OH- → O3 + 2H2O + 2e-
E0asit = 2.07 V
E0baz = 1.24 V
Potasyum Permanganat
Potasyum permanganat kuvvetli asit ortamda
(pH<3)
MnO4- + 8H+ + 5e- → 4H2O + Mn2+
E0 = 1.51 V
pH 3-11.5 aralığında ise;
MnO4- + 4H+ + 3e- → 2H2O + MnO2(k) E0 = 1.695 V
MnO4- + 2H2O + 3e- → 4OH- + MnO4(k) E0 =
0.588 V
Klor
Klor siyanürü pH>10’da;
CN- + OCl- → CNO- + ClpH 7.5-9’da;
2CNO- + 3OCl- + H2O → N2 + 2HCO3- + 3Cl-
veya pH< 2.5’de ;
2NaCNO- + H2SO4 + 4H2O → (NH4)2SO4 +
2NaHCO3
Klor dioksit
Asit çözeltide;
ClO2 + 4H+ + 5e- → Cl- + 2H2O
E0=-1.95V
Bazik çözeltide;
ClO2 + e- → ClO2- oluşur.
Klor dioksit düşük pH’da kuvvetli bir
dezenfektandır. Su arıtımında, tat ve koku
kontrolü ve mangan gideriminde kullanılır.
Hidrojen peroksit
H2O2 → O2 + 2H+ + 2e-
E0 = -0.682 V
Elektrooksidasyon
Elektrooksidasyon yönteminde ana prensip
çözünmeyen elektrotlar (Ti, Ru, Pt, paslanmaz
çelik vb.) kullanılarak elektrotlar vasıtasıyla çıkan
gazlar (O2 ve H2) ile istenilen oksidasyonun
sağlanmasıdır.
• Bu işlemle birlikte birçok madde oksidasyona
uğratılabilirken biyolojik olarak parçalanabilirliği
zor olan bileşikler biyolojik olarak kolay
parçalanabilir organik bileşiklere veya CO2 ve
H2O gibi son ürünlere dönüştürülmektedir.
Organik molekülerin elektrooksidasyonunda,
elektrot metalinin katalitik etkisi önemlidir. Organik
maddeler elektrooksidasyon yöntemiyle
parçalanarak ortamdan uzaklaştırılabilir ya da bir
başka organik maddeye dönüşebilir.
• Tüm oksidasyon tepkimeleri elektron kaybı ile
olur. Elektrooksidasyon da elektrokimyasal
olarak yürütülen bir oksidasyon tepkimesidir.
Birçok organik maddenin elektrooksidasyonu
değişik şekillerde gerçekleşebilir. Bunlardan ilk
akla geleni organik molekülün metal yüzeyinde
adsorbsiyonu ve doğrudan elektron transferinin
gerçekleşmesi ile maddenin başka ürünlere
dönüşmesidir.
• Elektrooksidasyon ürünleri son basamak olan
H2O ve CO2 olabileceği gibi ara kademelerde
oluşan değişik ürünler ya da radikaller de
olabilir. Bu durumda, kararlı ara ürünlerin
oluşması elektrooksidasyonun son basamağa
kadar gitmeyeceğini gösterir.
• Ara ürün olarak radikaller oluşursa bu
radikallerin elektrooksidasyonu homojen sıvı
fazda sürdürmesi mümkündür. Metal yüzeyinde
gerçekleşen elektrooksidasyon reaksiyonları
genel olarak şu şekilde gerçekleşmektedir;
MOx + H2O → MOx(OH') + H+ + e-
MOx(OH') →MOx+1 + H+ + eMOx(OH') →MOx + ½ O2 + H+ + 2eMOx+1 →MOx + ½ O2
2H2O → 4H+ + O2 + 4eR+MOx(OH')n → CO2 + nH+ + n e- +MOx
R+ MOx+1 →MOx + RO
• Elektrooksidasyonun gerçekleşmesini
sağlayacak ikinci bir yol ise organik
molekülün dışında bazı iyon ya da
moleküllerin elektrokimyasal tepkimeye
katılması ve bu tepkime sonucu oluşan
radikallerin oksidasyonu sürdürmesidir.
• Bu durumda organik maddenin oksidasyonu
metal yüzeyindeki elektrokimyasal tepkimeden
sonra ama dolaylı olarak elektrokimyasal
tepkimenin devamı şeklinde çözeltide
gerçekleşecektir.
Bu olay bir kimyasal oksidasyon olup
elektrokimyasal bir tepkimenin devamı
niteliğindedir. Asıl tepkimenin ( organik maddenin
oksidasyonu ) kimyasal basamakta yürüdüğü çok
basamaklı bir elektrokimyasal tepkime
mekanizması söz konusudur. Bundan dolayı olay
elektrooksidasyon olarak kabul edilmektedir.
• Diğer taraftan oksidasyon doğrudan organik
molekülün anoda adsorplanıp okside oluyorsa
anodik oksidasyon olarak adlandırılır. Bir alifatik
hidrokarbonun anodik yükseltgenmesindeki
basamaklar şöyledir;
• Hidrokarbon→ Alkol → Aldehit → Asit→ CO2
• İstenilen basamaktaki ürünü iyi bir verimle elde
etmek için şartları iyi saptamak gerekir.
Günümüzde elektrooksidasyon ve redüksiyonla
birçok organik ve inorganik sentez
gerçekleştirilmektedir.
Elektrooksidasyon Prosesi
Bu proses temelinde inert özellik gösteren
metal elektrotların kullanıldığı reaktörde
organik maddelerin dolaylı veya doğrudan
oksitlenmesine dayanır.
• Doğrudan anodik proseste kirleticiler ilk önce
anot yüzeyine adsorbe olurlar ve daha sonra
anot yüzeyinden elektron transferi gerçekleşir.
Organik kirleticilerin doğrudan oksidasyon hızı,
anodun aktif noktalarına organik bileşiklerin
difüzyon hızı ve uygulanan akım şiddeti
yardımıyla anodun katalitik aktivitesine bağlıdır.
• Dolaylı elektrooksidasyon süresince organik
maddelerin oksidasyonunda etkili olan klor,
hipoklorit, hidrojen peroksit ve ozon gibi ajanlar
anodik olarak üretilebilir.
Elektrooksidasyon prosesinin alternatif arıtma
teknolojilerine kıyasla birçok avantajı vardır;
• Basit araç gereç gerekmektedir. Ayrıca basit
işletme parametreleri ile iyi bir verim elde
edilebilmektedir.
• Elektrooksidasyon arıtım yöntemleriyle birçok
kirletici bir arada giderilebilir.
• Düşük enerji ihtiyacından dolayı gereken enerji
kolayca karşılanabilir.
• Elektrokimyasal arıtım prosesleri düşük bakım
maliyeti ve iş gücü gerektirir.
• Yüksek sıcaklıklar proses için herhangi bir
problem oluşturmamaktadır.
• Elektrooksidasyon sonucu oluşan anodik klor,
dezenfektan gibi davranır.
TEŞEKKÜRLER..