Su (Kirliliği) Kimyası Ülkü Yetiş ODTÜ Çevre Mühendisliği Bölümü SYGM Ankara, 18 Nisan 2016

Kimyasal Kirleticiler Ötrofikasyon İçerik SU ve TEMEL ÖZELLİKLER Kimyasal Kirleticiler Ötrofikasyon

"SU" Temel Özellikleri

Su Molekülü Polar Elektronların H ve O atomları arasında eşit olmayan dağılımı; H atomları karşılıklı değil O atomu tarafı daha elektronegatif...

Hidrojen Bağları

Su ve İki Önemli Özelliği Yüksek yüzey gerilimi Universal solvent

Yüzey Gerilimi - Kohezyon Su moleküllerinin birbirini çekmesi Yüzey Gerilimi: Su yüzeyinde görülen kohezyon davranışı

Adhezyon Farklı cins moleküllerin birbirine yapışması

Adhezyon-Kohezyon-Yer Çekimi http://water.usgs.gov/

Çözünürlük Polar bileşikler çözünebilir (yüzey yükleri, su molekülündeki yüzey yükleri ile etkileşir) HİDROFİLİK Polar olmayanlar çözünemez (yüzey yükleri, su molekülündeki yüzey yükleri ile etkileşemez) HİDROFOBİK

Çözünürlük Polar su molekülleri, NaCl moleküllerini iyonize eder Na ve Cl iyonları su molekülleri tarafından çevrelenir (H bağları) H-bağı kalmadığı durum: doygunluk Su Molekülü Küreleri

Çözünürlük Organik : Glukoz Glukoz molekülü su molekülleri çeker Çekim kuvvetli ise: çözünür

Çözünürlük-PAH’ler Non-polar Çözünürlükleri düşük Aromatik halka sayısı artarken, çözünürlük düşer 100’den fazla temel PAH ve herbirinin 100’lerce derivatifi

Çözünürlük – PCB’ler Non-polar Çözünürlükleri düşük Aromatik halka sayısı artarken, çözünürlük düşer

Çözünürlük – PCB’ler PESTİSİT Çözünürlük, mg/L

Diğer Önemli Özellikler Yüksek spesifik ısı : Yüksek ısı alımına rağmen minimum sıcaklık artışı Yüksek buharlaşma ısısı: Yüksek ısı alımına rağmen, minimum buharlaşma

Buz Donarken genişler ve daha az yoğun kristaller oluşur. Katı Sıvı

Kimyasal Kirleticiler

Kimyasal Kirletici Parametreler Tanım pH H iyonu konsantrasyonu Organikler (Konvansiyonel kirleticiler için, BOİ,KOİ, TOK) Biyobozunur-bozunmaz Çözünmüş Oksijen Oksijen doğada mikrobiyal bozunma, sucul yaşam için gerekli

Kimyasal Kirletici Parametreler Tanım Azot Toplam N (TN) Toplam Kjeldahl N (TKN) Nitrat-N (NO3-N) Nitrit-N (NO2-N) Amonyak-N (NH4-N). TKN : Organik-N+ amonyak-N Fosfor Toplam P (TP) Fosfat (PO4) Orto-fosfat Metaller Hg, Cd, Pb, Ni, Zn, Co vb

pH

pH = -log[H3O+] pOH = -log[OH-] pH + pOH = 14 pH Skalası pouvoir hydrogène (Fr.) “hydrogen power” pH = -log[H3O+] pOH = -log[OH-] pH + pOH = 14

H2O + H2O H3O+ + OH- Kw = [H3O+][OH-] = 1.0  10-14 Suyun İyonlaşması Courtesy Christy Johannesson www.nisd.net/communicationsarts/pages/chem

Saf suyun pH = 7, neden? Suyun doğal olarak iyonize oluşu: H2O + H2O  H3O+ + OH1- 1 x 10-7 M H3O+ /L pH = -log[1 x 10-7], pH = 7

pH- Sıcaklık Ayrıca, havadan CO2 absorblanır... T (°C) Kw (mol2 dm-6) 0.114 x 10-14 7.47 10 0.293 x 10-14 7.27 20 0.681 x 10-14 7.08 25 1.008 x 10-14 7.00 30 1.471 x 10-14 6.92 40 2.916 x 10-14 6.77 50 5.476 x 10-14 6.63 100 51.3 x 10-14 6.14 Ayrıca, havadan CO2 absorblanır...

Asidite-Alkalinite Asidik Bazik Nötr Søren Sorensen (1868 - 1939) Asidik Bazik 10x 10x 10x 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Nötr Her adım, 10’luk bir katsayıya karşılık geliyor.. pH 6 vs. pH 7 (10X daha asidik) pH 3 vs. pH 5 (100X daha asidik) http://www.teachnlearnchem.com/chemistry.htm

Richter Ölçeği http://www.teachnlearnchem.com/chemistry.htm 6 5 7 . 4 3 2 1

Asitler - Bazlar Baz Farklı özellikler Benzer özellikler pH’ı etkiler pH < 7 pH > 7 Ekşi tat H+ (proton) konsantrasyonu Acı tat Asit Baz Metallerle rxn pH + pOH = 14 Metallerler rxn http://www.teachnlearnchem.com/chemistry.htm

Meyvelerin Olgunlaşması Olgunlaşma öncesi, asidik bileşenler Doğa, olgunlaşma öncesi "nahoş" hale getirip, tohumu koruyor Enzimler, asidi parçalıyor, ekşilik gidiyor 

Neutralization HCl + NaOH  NaCl + H2O ASİT + BAZ  TUZ + SU Oluşan Tuz; Asidik Bazik Nötr Dolayısıyla, pH = 7 olmayabilir... Örneğin: HC2H3O2 + NaOH  NaC2H3O2 + H2O bazik

Böcek Sokması Eşek Arısı - Bazik Kırmızı karınca - Asidik Limon ya da sirke ile nötralizasyon Karbonat ile nötralizasyon

Çözünme Sonrası-Denge Hali Zayıf-Kuvvetli Asit Çözünme Öncesi Çözünme Sonrası-Denge Hali Çözelti Kuvvetli Asit Zayıf

Le Chatelier’s Prensibi Henry Le Chatelier (1850-1936) Denge halindeki bir sisteme dışarıdan herhangi bir etki yapıldığında, denge bu etkiyi azaltacak yönde tepki gösterir. Bu tepki yeni denge kuruluncaya kadar devam eder.

Denge Ter bezlerim olmasını isterdim! CO2 + Ca CaCO3 “nefes” “yiyecek” “yumurta kabuğu” Sıcaklık artıkça, tavuklar terlemediğinden daha hızlı solur; kanda CO2 azalır, denge sola doğru kayar.. Sonuç: İNCE YUMURTA KABUĞU Çözüm: Karbonat eklenmiş su  Physical Chemistry: Understanding our Chemical World, Paul M. S. Monk http://www.unit5.org/chemistry/AcidBase.html

Organik Kirleticiler

Organik Kirleticiler Pestisitler ve herbisitler Evsel amaçla kullanılan bileşikler Endüstriyel amaçla kullanılan bileşikler Biyobozunur Biyobozunmaz

Organik Kirleticiler Proteinler, yağ ve greases, karbohidratlar, deterjanlar, üre, vb Karbonlu, azotlu organik bileşikler KOİ, BOİ5, UBOD, NOD, TOK, TKN, ThOD, PCB, PAH, Naftalenler

İnorganik Kirleticiler Nütrient düzeyi, bozunma düzeyi, oksitlenme düzeyi NH4+ Org N TKN (Org N + NH4+) Nitrit Nitrat TN Inorg P TP Organik P

KOİ Toplam KOİ Biodegredable KOİ Complex VFA Slowly biodegradable COD Readily biodegradable (soluble) Complex VFA Slowly biodegradable COD Kolloid Particulate Nonbiodegradable KOİ Çözünür

KOİ = bKOİ + nb KOİ bKOİ= ~ 1.6 x BOİ nbKOİ = nbs KOİ + nbpKOİ bKOİ = sbKOİ + rbKOİ TKN = NH4-N + ON ON = bON + nbON nbON = nbsON + nbpON

Pesticides Klorlu hidrokarbonlar Organofosfatlar Carbamatlar DDT, heptachlor, vb—2-15 yıl Organofosfatlar Malathion, methyl parathion—1-2 hafta Carbamatlar Carbaryl, maneb, aldicarb— birkaç gün-hafta Pyrethroidler Pemethrin, decamethrin— birkaç gün-hafta

PCB’ler Polychlorinated biphenyls 1940’s-1977: üretim Hala doğada var PBT maddeler

PCB Kullanımı Transformatörler Kapasitörler Hidrolik sıvıları Yapıştırıclar Yanmazlık kimyasalı Pestisitler Mürekkep 1978 öncesi üretilmiş; Fluorescent ampuller Electrikli cihazlar Hidrolik yağlara

N ve P

N ve P Fosfat (PO4-3) : Nitrat (NO3-) : Topraktaki N formu Kayaçlarda doğal olarak bulunur. Bitkiler ve mikroorganizmalar kullanır.. Nitrat (NO3-) : Topraktaki N formu Bitkilerin, gübrenin diğer organik maddenin mikrobiyal bozunması Redfield Ratio: (C:N:P) 106:16:1 Okyanus derinlerinde fitoplanktonların yapısı

N Döngüsü http://cografyahocam.com/madde-donguleri/

Azot Formları TKN Ammonia N Organik N Biodegradable Çözünmüş Partiküler Nonbiodegradable

Nitrifikasyon & Denitrifikasyon Hidroliz & Amonifikasyon Üre NH4-N organik Azot NH4-N Nitrifikasyon NH4-N + O2 NO2-N NH4-N + O2 NO3 –N Denitrifikasyon NO3-N N2 - - -

P Döngüsü

Konvensiyonel Nitrifikasyon & Denitrifikasyon Hidroliz & Amonifikasyon Üre NH4-N organik Azot NH4-N Nitrifikasyon NH4-N + O2 NO2-N NH4-N + O2 NO3 –N Denitrifikasyon NO3-N N2 - - -

Ötrofikasyon

Alg= C106H263O110N16P Ötrofikasyon 1 g N :16 g alg 1 g P :114 g alg OLUŞUMU…

Göllerde Kirlenme Organiklerden ziyade P ve N’e bağlı Alglerin aşırı büyümesi, gündüz fotosentez gece respirasyon Orgof nik maddelerin bozunması; anaerobik koşullar

Alg Patlaması- Ötrofikasyon

Ötrofikasyon

Metaller

Alkali toprak metaller Alkali metaller Li, Na, K, Rb, Cs Reaktif Elektropositif (kolayca elektron kaybederler) Alkali toprak metaller Be, Mg, Ca, Sr, Ba ve Ra Metaloidler Metaller ve metal olmayanlar arasında B, Si, As, germanium, antimon, telluryum, ve polonyum Metalloid kulanımı: Bilgisayarlar! Ağır metaller Yoğunluk> 5g/cm3 Cu, Ni, Cr, Fe, Cd, Pb, Ag, Hg, Pt, Au Çok toksik

Metal toksisitesi Etkileyen faktörler Diğer metallerin varlığı, düzeyi (etkilenecek biyolojik siteler için yarışma) Çözünürlük pH Diğer anyon ve katyonların varlığı/düzeyi Sertlik: Ca, Mg (toksik değil!, kolayca canlılar tarafından absorblanır) Sertlik artarken, toksik metalin toksisitesi azalır Yumuşak, asidik suda metaller daha toksik

Metal toksisitesi Cu, sertlik etkisi

Metal toksisitesi Cu, pH etkisi Park et al., 2009, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, Volume 15, Issue 1, January 2009, Pages 82-85

Metal toksisitesi Cu, DOC etkisi Park et al., 2009, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, Volume 15, Issue 1, January 2009, Pages 82-85

İletkenlik

İletkenlik Elektriği iletme kapasitesi, "toplam çözünmüş katı" Cl- Na+ Elektriği iletme kapasitesi, "toplam çözünmüş katı" Bir su örneğinin iletkenliği çok çok düşükse, TEMİZ!

İletkenlik Elektriği iletme kapasitesi, "toplam çözünmüş katı" Bir su örneğinin iletkenliği çok çok düşükse, TEMİZ! Su İletkenlik, µS/cm Tamamen saf su 0.055 Deiyonize su 0.1 Distile su 0.5-3.0 Ters ozmoz suyu 50-100 Musluk suyu 500-800 Deniz suyu 56000

Toplam Çözünmüş Madde (TÇM) İletkenlikle ilintili ama aynı değil! TÇM; "ppm" µS; "micro-Siemens" Katsayı: TÇM -> İletkenlik (NaCl):  ppm /(0.47-0.50) TÇM -> İletkenlik (KCl): ppm /(0.50-0.57)

İletkenlik - TÇM SU KÜTLESİ İletkenlik, µS/cm TÇM, mg/L Divide Lake 10 4.6 Lake Superior 97 63 Grindstone Lake 95 65 Lake Independence 316 213 Atlantic Ocean 43,000 35,000 Great Salt Lake 158,000 230,000 From wateronthweb.org http://www.waterontheweb.org/under/waterquality/conductivity.html Salt present in 1L water

SORULAR_CEVAPLAR SORU: BOİ5 ~ 0 mg/L CEVAP: -Test yanlış yapılmış -Atıksu toksik -Bakteri eklenmemiş SORU: BOİ5 << KOİ Metaller < 2-3 mg/L Toksik organikler yok CEVAP: Test yanlış

SORULAR_CEVAPLAR SORU: BOİ5 nitrifikasyonu da içerir mi? CEVAP: Hayır! Neden 5-gün BOİ? CEVAP: Nitrifying bakteri enterferansını engellemek

SORULAR_CEVAPLAR SORU: Deniz suyunda KOİ? CEVAP: Ciddi enterferans! (Hg ilavesi) SORU: BOİ=1.2 mg/L Veya BOİ=24.566 mg/L CEVAP: LoQ=2 mg/L Hassasiyet ; olamaz!

SORULAR_CEVAPLAR SORU: YAS’da NH4-N; nedeni? CEVAP: Evsel atıksu karışımı SORU: YAS’da NH4-N veya NO2-nedeni? CEVAP: NH4-N; yakın bir kaynak!

SORULAR_CEVAPLAR SORU: Ham atıksu NO2- ; 10 mg/L CEVAP: Test yanlış! TOK> KOİ olabilir mi? CEVAP: Hayır!

SORULAR_CEVAPLAR SORU: T-N < TKN olabilir mi? CEVAP: Asla! SORU: İletkenlik gros bir kirletici parametre olabilir mi? CEVAP: Evet; iyonik bileşiklerin (inorganik) varlığı konusunda fikir verir!

TEŞEKKÜRLER...