ADSORPSİYON Yrd. Doç. Dr. Yağmur UYSAL

Genel Esaslar Bir yüzey veya arakesit üzerinde maddenin birikimi ve derişimini arttırması olarak tanımlanabilir. Bu işlem herhangi iki değişik fazın arakesitinde meydana gelebilir; sıvı- sıvı, gaz-sıvı, gaz-katı, sıvı-katı gibi. Yüzeyde tutulan maddeye adsorblanan, yüzeyinde tutanlara «adsorban» denir. Absorbsiyon ise bir fazda bulunan atom veya moleküllerin diğer fazda bulunan atom veya moleküller arasından oldukça homojen biçimde geçerek bu faza yerleşmesidir. Adsorpsiyon ve absorpsiyon arasındaki temel farklar sıvıdan hareketle katuıya yayılan bir molekül türü için şöyledir:

X eksenindeki, sıvı içindeki saçılan moleküllerin arakesitte katı ile temas halindeki derişimleri (c), arakesiti kateden madde miktarını (qe) gösterdiğine göre; I ve III nolu eğriler sıvıdan kalan ve sorpsiyonla tutulan derişimlerin ilişkilerinde sırasıyla uygun ve uygun olmayan eğrisel bir gidişi, II nolu eğri ise lineer bir çalışma çizgisini göstermektedir (Şekil 1).

Şekil 1. Sıvı içinde saçılan moleküllerin derişimleri ile arakesiti kateden madde miktarı arasındaki ilişki

Adsorpsiyon Prosesinin Kullanıldığı Yerler Katı-sıvı adsorpsiyonu içme suyu ve atıksu arıtımında önemli rol oynar. Adsorpsiyon prosesi su ve atıksu arıtımında aşağıdaki amaçlarla kullanılmaktadır: İstenmeyen tat ve kokuların uzaklaştırılması, İnsektisid, bakterisid ve bunun gibi pestisidler biyolojik arıtma sistemlerinde girişim meydana getirebilirler ve arıtılmadan tesisten çıkarlar. Bu gibi maddelerin alıcı sulara gitmemesi için üçüncül arıtma olarak adsorbsiyon işlemi,

Küçük miktarda toksik bileşiklerin (fenol vb.) sudan uzaklaştırılması, Deterjan kalıntılarının sudan uzaklaştırılması, Endüstriyel atıklarda bulunan kalıcı organik maddelerin ve rengin giderilmesi Nitro ve kloro bileşikleri gibi özel organik maddelerin uzaklaştırılması,

TOK ve klor ihtiyacının azaltılması, Deklorinasyon (klor giderme) amacı ile kullanılır.

Adsorban Maddeler Su arıtımında adsorbsiyon teknikleri için çeşitli kimyasal maddeler kullanılmaktadır. Alümina, silikajel, fuller toprağı, makroporöz reçineler; bazik makroporöz iyon değiştirici reçineler aktif silika ve aktif karbon en çok bilinen adsorban maddelerdir.

Aktif karbon; turba, linyit, kömür ve mangal kömüründen ve Hindistan cevizi kabuğundan çeşitli işlemler sonucu hazırlanır. Aktif karbonun hazırlanmasında buhar aktivasyon prosesi veya kimyasal aktivasyon prosesi uygulanır. Aktif karbonun iç yüzeyi (aktifleştirilmiş yüzey) çoğunlukla BET-yüzeyi olarak (m2/g) şeklinde ifade edilir. Su arıtımında kullanılan aktif karbonların iç yüzey alanı 500-1500 m2/g dır. Genellikle karbon taneciklerin iç yüzey alanının yaklaşık 1000 m2/g olması istenir. Adsorbsiyon için por yapısı toplam iç yüzeyden daha önemli bir parametredir.

Porlar ortalama yarıçaplarına göre şu şekilde sınıflandırılabilirler: Makro porlar r = 1000 nm Geçiş porları r = 100 nm -Mikro porlar r= 1 nm Geçiş porları ve mikroporlar iç yüzeyin en önemli kısmını teşkil ederler (%95). Makroporlar adsorbsiyon için relatif olarak önemli değildirler, ancak mikroporlara doğru hızlı difüzyon için iletici olarak gereklidirler.

Yüzey Gerilimleri ile Adsorbsiyon İlişkisi Adsorpsiyon bir fazdan madde çıkarıp diğerinin yüzeyinde yoğunlaştırmak için kullanılan bir temel işlemdir. Yüzeyde egemen olan yüzey enerjilerinden etkilenir ve onları etkiler. Yüzey özellikleri faza ait kütleyle değil yüzeyin kendisiyle ilgilidir. Sıvı ve katı fazlar arasında yüzeysel çekim güçleri açısından şu üç olasılık gözlenebilir:

Şekil 2. Sıvı ve katı fazlar arasındaki yüzeysel çekim kuvvetleri ve sıvı-katı ara kesitleri

Yüzey gerilimleri düşüren maddeler su içinde bulunduğunda su moleküllerinin birbirlerine karşı ilgisi, bu maddelere ilgisinden fazla olacağı için kolayca yüzeyde birikirler. Birikme yüzeyde bir derişim artışına yol açar (hidrofobik). Tam tersine suyun yüzey gerilimini arttıran maddeler ise yüzeyden kurtulup suya karışırlar (hidrofilik). Bazı maddeler sıvı fazdaki yüzey gerilimlerini önemli ölçüde etkilerler. Deterjan türü maddeler suyun yüzey gerilimini azaltarak ıslatma gücünü arttırırlar.

Adsorpsiyon Türleri Adsorpsiyonun temel mekanizması ayrılacak maddenin çözücüden kaçma özelliğine ve katıya duyduğu ilgiye bağlıdır. Sulu sistemlerde her iki özelliğin bir kombinasyonu önem taşır. Bu özellikleri etkileyen tüm faktörler, bu arada çözünürlük adsorpsiyon için önem taşır. Bir sıvı-katı sisteminde çözeltiden katı faz yüzeyine adsorpsiyon sırasında katı ve sıvı fazdaki maddelerin derişimleri arasında dinamik bir denge oluşur. Bu denge durumunda maddenin sıvı ve katı fazlardaki derişimleri arasındaki orantı adsorpsiyon verimi açısından önem taşır.

Adsorpsiyon fiziksel ve kimyasal adsorbsiyon diye ikiye ayrılır Adsorpsiyon fiziksel ve kimyasal adsorbsiyon diye ikiye ayrılır. Fiziksel adsorbsiyonda Van der Waals kuvvetleri adsorblanan madde ile adsorblayıcı arasındaki bağlantıyı sağlar. Proses esnasında açığa çıkan ısı 2-5 kcal/mol’dür. Burada bir aktivasyon enerjisi mevcut değildir, ancak elektrostatik kuvvetler aracılık etmektedir. Kemisorpsiyon (kimyasal adsorbsiyon) da, adsorblayıcı ve adsorblanan madde arasında kimyasal bağlanma olur ve açığa çıkan aktivasyon enerjisi 10-50 kcal/mol’dür. Bu ndenele yüksek sıcaklıklarda kimyasal adsorbsiyon daha hızlı gerçekleşir. Kimyasal adsorbsiyonu içeren işlemler çevre mühendisliğinde çok önemli değildir.

Adsorpsiyon İzotermleri Adsorpsiyon dengesi, adsorpbsiyon izotermi olarak bilinen bağıntılarla ifade edilebilir. Çözeltide kalan derişim C ile, adsorblayıcının birim ağırlığı başına tuttuğu madde miktarı q arasındaki ilişkiler adsorpsiyon izotermi olarak tanınır. Adsorpsiyon izotermlerinin matematik açıdan uygun formüllerle ifadesi için başlıca üç yaklaşım geliştirilmiştir: Langmuir İzotermi, Freundlich İzotermi ve BET İzotermi.

Langmuir İzotermi Langmuir adsorpsiyon izotermi ampiriktir ve aşağıdaki şekilde ifade edilir: Qe = X/M = a.b. C/(1+bC) Burada; X/M = Birim adsorplayıcı ağırlığı başına adsorplanan madde miktarı (g/g) a = Birim adsorplayıcı ağırlığı başına tek sıralı filmde tutulan mol sayısı b = Sabit C = Adsorpsiyondna sonra çözeltide kalan maddenin derişimi (mg/L)

Langmuir izotermi lineerize edilmiş şekli ile; C/qe = C/(X/M) = 1/ab + C/a Veya 1/(X/M) = 1/a + (1/ab)(1/C) C’ye karşı C/(X/M) değerleri grafiğe geçirilerek Şekil 3 elde edilir ve bu grafik yardımı ile a ve b sabitleri hesaplanabilir. Langmuir adsorbsiyon izoterminin diğer bir ifade şekli de Şekil 4’te görülmektedir.

Şekil 3. Langmuir adsorbsiyon izoterminin grafiksel ifadesi

Şekil 4. Langmuir adsorbsiiyon izoterminin lineerize şekli

Freundlich İzotermi Freundlich izotermi aşağıdaki formül ile ifade edilir: qe = x/M = KF . C1/n Burada; X/M = qe =Birim adsorban madde ağırlığı başına adsorblanmış madde miktarı (g/g) M = Adsorban maddenin ağırlığı X = Adsorblanan madde miktarı KF = Freundlich sabiti n= Sabit (n>1) C = Adsorblanan maddenin çözeltideki kalıntı derişimi mg/L

Şekil 5. Freundlich izoterminin grafiksel ifadesi

Freundlich bağıntısının lineerize edilmesi ile Log x /M = log KF + 1/n log C Elde edilir. Log (X/M)’i log C’nin fonksiyonu olarak çizmek suretiyle lineer izoterm elde edilir (Şekil 6). Freundlich izotermi atıksu arıtılmasında aktif karbon dozlaması için kullanılır.

Şekil 6. Freundlich izoterminin lineerize şekli

BET İzotermi BET izoterminin matematiksel ifadesi aşağıda verilmiştir: X/M = qe = B C Q0 / (CS – C) [1+(B-1)(C/CS)] Burada; B, Q0 =Sabitler B = Yüzey ile enerji alışverişi ile ilgili bir sabit Yukarıdaki bağıntı lineerize edilirse, C/(Cs – C)qe = 1/B Q0 + [(B-1)/BQ0] (C/Cs)

Granül Aktif Karbon İçeren Filtrelerde Arıtma Granül aktif karbonun içme suyu arıtımındaki uygulamaları yenidir. Daha ziyade atıksuların arıtımında kullanılan bir işlemdir. Granül aktif karbon filtrelerde tat ve koku oluşturan maddelerin yanı sıra organik kimyasal maddeler de uzaklaştırılmaktadır. Diğer önemli bir uygulama da tehlikeli sentetik organik kimyasal maddelerin uzaklaştırılması ile biyolojik arıtmayı birlikte kullanımdır. Baız ülkelerde 25 yıldan beri aktif karbon filtreleri kullanılmakla beraber bu öenmli erıtma kademesi ile ilgili olarak önemli bir bilgi noksanlığı mevcuttur. Bu nedenle bu konuda önemli kavramlar ve problemleri içeren alan yoğun bir araştırma programı vardır.

Şekil 7. BET .zoterminin lineerize şekli

Granül aktif karbonun kullanımındaki en önemli avantaj atıksu kalitesindeki salınımlardan etkilenmemesidir. Filtre yataklarında kullanılan aktif karbonun önemli özelliklerini şu şekilde sıralayabiliriz: Karbonun yaş olarak kullanılabilirliği ve yoğunluğu Tanecik iriliği Dağılımı ve şekli Aşınmaya dayanıklılığı adsorbsiyon kinetiği ve aktif karbonun rejenerasyon imkanı.

Granül aktif karbonun yaş yoğunluğu 0 Granül aktif karbonun yaş yoğunluğu 0.55 g/mL’den daha azdır ve çoğunlukla 0.4 g/mL’dir. İyi bir aktif karbon % 8’den daha az yanmayan kül içermelidir. Granül aktif karbonun suya batırıldığında hidrate olması, tam ıslanması için birkaç saat süre gereklidir. Hidrate karbon, çeliğe karşı koroziftir ve yılda 5 mm çeliği korozyona uğratır. Bu nedenle «Paslanmaz çelik AISI 316» korozyona dayanıklı olduğundan tercih edilmesi ve epoxy, polivinilklorür gibi kaplama maddeleri ile tankların içinin kaplanması gerekir. Beton yüzeylerde herhangi bir problem ile karşılaşılmamıştır. Granül aktif karbonun naklinde ve sistemde olabilecek korozyonu önlemek üzere «hidrolik taşıma» tercih edilir. Karbonun hidrolik taşınması için izin verilen derişim sınırı 125-375 g/L’dir. 1 m/sn hızla taşındığında ise aktif karbon aşınır ve boru tahrip olur.

Aktif Karbon Filtreleri ile İlgili Teknik Hususlar Deney kolonunun davranışı İzoterm verileri, deney kolonundan elde edilecek bilgiler ile bir tutulamaz. Bu nedenle adsorblanan maddenin ideal ve gerçek davranışının Şekil 8’de verilen bir aktif karbon kolonu yardımı ile belirlenmesi gerekir.

Şekil 8. Karbon filtresi deney kolonu ve deney sonuçlarının grafiksel ifadesi

Aktif karbon deney kolonu çok kademeli bir proses olarak dikkate alınmalıdır. Girişte aktif karbon ham su ile, kolonun sonunda ise arıtılmış su ile temas halindedir. Giriş ve çıkış arasında adsorblanan kirletici madde gradyanı, karbon tükendikçe aşağı doğru ilerler. Tasarım için göz önüne alınması gereken kriterler şunlardır: LUB kriteri (kullanılmamış yatak uzunluğu) - BDST kriteri (yatak derinliği hizmet süresi)

LUB kriteri: Solüt’ün filtre yatağında ilk geçtiği andaki toplam yatak uzunluğu; doymuş yatak uzunluğu Ls ve kullanılmamış yatak uzunluğu LUB diye ikiye ayrılır. Lfiltrre = Ls + LUB Filtrenin doymuş baş kısmının yer değiştirmesi, kolon hacmine veya geçiş için gerekli süreye kıyasla sabittir. Ls/LF = tB / tkh = VB/Vkh kh = kararlı hali, stokiyometrik adsorbsiyon dengesini ifade etmektedir. LUB = LF x (tkh tB) / tkh

Adsorbsiyon gradyanının şekli ve eğilimi, akış hızına ve safsızlıkların adsorblanabilirliğine bağlıdır. Herhangi bir problem incelendiğinde adsorbsiyon yatağının uzunluğunun deneysel olarak belirlenmesi gereklidir. LUB kriteri genellikle aktif karbon yataklarında gaz arıtımı için çok kullanılan bir kriterdir. Su arıtımında ise temas süresi (BDST) kriteri daha önemli bir kriterdir.

BDST kriteri: Adsorbsiyon kolonundaki temas süresi, boş filtre hacminin kolondan geçen debiye oranı olarak tanımlanır. Tasarım parametreleri aşağıdaki BDST bağıntısı yardımı ile bulunabilir: t = ax + b Burada; t = kırılma süresi x = yatak uzunluğu b =doğrunun ordinatı kesim noktası (saat) a = doğrunun eğimi

a parametresi; aktif karbon kolonun verimi E0 , giriş suyundaki kirlilik derişimi C0 ve yüzeysel hidrolik yükün fonksiyonudur. a = E0/C0 (Q/A)

Şekil 10’da, değişik derişimlerdeki fenolün adsorbsiyonunda yatak derinliğine bağlı olarak yatağın hizmet süresinin değişimi görülmektedir. Servis süresi (t); karbonun adsorbsiyon hızının ve tükenme anında çıkış suyunda izin verilen kirlilik derişiminin bir fonksiyonudur. Uzun çalışma periyotları veya yüksek adsorblanacak madde değişimleri için yatay derinliklerinin büyük olması gerekebilmektedir. Bunu temin etmek üzere adsorbsiyon kolonları gerekebilmektedir. Bunu temin etmek üzere adsorbsiyon kolonları seri halde veya paralel halde birbirlerine bağlanarak kullanılmaktadır.

Seri bağlama: Seri bağlamada kolonlar ard arda yerleştirilir Seri bağlama: Seri bağlamada kolonlar ard arda yerleştirilir. Birinci kolon önce diğerleri daha sonra olmak üzere sıra ile doygunluk haline gelirler. Genellikle iki kolondan fazlası ekonomik nedenlerle seri bağlanmaz. Bu bağlama, sürekli adsorbsiyon için uygundur. Tek bir kolon için gereken yatak çok fazla olduğunda genellikle bu tip bir uygulamaya gidilir. Adsorbsiyon kolonlarının bağlanması ve seri bağlamada derişim değişimi Şekil 11’de verilmiştir.

Paralel bağlama: Paralel bağlamada filtrenin birim derinliğinde artma olfiltrelerin maz, ancak filtrelerin değiştirilmesi ve tükenen filtrenin adsorblama maddesinin rejenerasyonu için bu bağlama şekli çok uygundur.

Şekil 9. Kullanılmamış yatak uzunluğu

Şekil 10. Değişik derişimlerdeki fenolün adsorbsiyonunda yatak derinliğine bağlı olarak yatağın hizmet süresinin değişimi

Şekil 11. Aktif karbon filtre kolonlarının seri bağlanması

Şekil 12. Aktif karbon filtre kolonlarının paralel bağlanması

Toz Aktif Karbon ile Adsorbsiyon Granül aktif karbon filtre yatakları daha ziyade çok kirli atıksuların arıtımı için kullanılmaktadır. Toz aktif karbon ise daha ziyade içme sularının arıtılmasında kullanılır. Toz aktif karbon dozlama teçhizatlarında büyük gelişmeler yapılmıştır. Şekil 13’te Hollanda firması olan NORİT tarafından geliştirilmiş bir dozlama düzeneği içeren su arıtma tesisinin akım şeması görülmektedir.

Karbon tozunun tane iriliği adsorbsiyon hızına büyük ölçüde etki eder Karbon tozunun tane iriliği adsorbsiyon hızına büyük ölçüde etki eder. Çok ince tanecikler için temas süresi 30 dakika yeterlidir. Buna karşılık iri taneler için bir saat temas süresi gerekmektedir. Çözeltide maksimum adsorbsiyon verimini sağlayan temas süresini bulmak için 1 litre çözelti, çeşitli dozlardaki (örneğin 20 mg’dan 1 g’a kadar) aktif karbon ile 5, 10, 20, 30, 40, 60 ve 80 dakika sürelerle karıştırılır.

Şekil 13. Toz aktif karbon dozlaması yapılan bir su arıtma tesisinin akım şeması

Karbon daha sonra filtrelenerek çözeltiden ayrılır ve çözeltide uzaklaştırılması istenen bileşiğin kalıntı derişimi ölçülür. Temas süresine karşılık, % arıtma verimi grafiğe geçirilerek optimum temas süresi bu grafikten belirlenir. Aktif yüzey (iç/yüzey) toz aktif karbonda 500-800 m2/g, su içeriği ağırlıkça % dan daha az ve görünen yoğunluk 400-500 g/L’dir.

Karbon tanecikleri suya ilave edildiğinde süspanse madde gibi davranırlar. Karbon, filtrelerden önce veya yumaklaşma fazı esnasında suya ilave edilmelidir. Yumaklaşma esnasında suya toz aktif karbon verilmesi hızlandırılır ve toz aktif karbon köprü teşkili süreti ile pıhtılaştırmayı hızlandırır.

Hareketli Yatak Tekniği Hareketli yatak tekniği, tipik olarak ters akım prensibine göre çalışan ve atıksu arıtımı için uygun olan bir tekniktir. Prosesin en önemli yararları, çamur topaklarının ve gaz çıkışlarının elimine edilmiş olmasıdır. Biyolojik aktivite nedeni ile oluşan gazlar, çalışma esnasında karbonun sürekli verilmesi ile atılır. Bu sistem, karbonun geri devri suretiyle sistemin sürekli çalışması bakımından uygundur. Tükenen karbon rejenere edilir ve sisteme geri döndürülür.

Hareketli yatak kolonunun yüzeysel hidrolik yükü 1-10 m/saat arasında değişir. Yatak yüksekliğinin kolon çapına oranı 3/1 dir. Yatak yüksekliği 8-10 m kadar olabilmektedir (Şekil 14).

Şekil 14. Hareketli yatak tekniği ile çalışan bir adsorpsiyon kolonunun akım şeması

Basınçlı Karbon Filtreleri Aşağıya doğru akışlı akışlı basınçlı karbon filtreleri en klasik adsorpsiyon filtreleridir. Bu filtreler; tek tabakalı ve iki tabakalı filtreler olmak üzere iki şekilde bulunur. İki tabakalı filtrelerde, karbon tabakasından önce bir kum tabakasında ön filtrasyon yapılır. Aşağı doğru akışlı filtreler hem adsorpsiyon ve hem de askıda katı madde uzaklaştırma amacıyla kullanılırlar. Bu filtrelerin geri yıkanması klasik yolla yapılır. En yaygın filtrelerin geri yıkanması klasik yolla yapılır. En yaygın kullanılanları basınçlı dikey filtrelerdir. Tipik kolon boyutları 5 m çap ve 8 m yükseklik şeklindedir.

Şekil 15. Basınçlı karbon filtreleri a) tek kademeli basınçlı karbon filtresi b) çift kademeli basınçlı karbon filtresi

Filtre Yataklarının Boşaltılması Aktif karbon kapalı bir kapta tutulduğunda, kademeli bir şekilde havanın oksijenini adsorblar ve karbon içindeki biyolojik aktivite ile onu tüketir. Kapalı filtrelere girildiğinde bu nedenle uygun bir havalandırma yapılmalı veya oksijen maskesi kullanılmalıdır. Taşıma, depolama ve filtreyi doldurma, filtrenin boşaltılması ve artık karbonun değiştirilmesi için gerekli teçhizat temin edilmelidir. Nakil için alışılagelmiş metod, «eductor» kullanmaktır. Bu gereç 100 m mesafeye ve 10 m yüksekliğe kadar kullanılabilmektedir. Ara depolama tankı karbonun dinlendirilmesi ve reaktivasyon veya deşarjdan önce çökeltilmesi için gereklidir. Üst sıvının boşaltımı bir pompa yardımı ile yapılmalıdır.

Granül aktif Karbonun Rejenerasyonu Aktif yüzey üzerinde daha çok molekül adsorplandıkça yüzeyde adsorpsiyon için uygun daha az yer kalır ve karbonun adsropsiyonn özelliği kademeli olarak azalır. Rejenerasyon ard arda iki kademeden oluşur. Karbon üzerinde tutulan maddenin desorpsiyonu ve reaktivasyonu filtreden çıkan suda, arıtılmaı istenen herhangi bir maddenin derişimindeki artmanın izlenmesi, rejenerasyona karar vermek için ana kriterdir.

Rejenerasyon üç yolla yapılabilmektedir: Biyolojik rejenerasyon Kimyasal rejenerasyon Termal rejenerasyon

Biyolojik rejenerasyon Aerobik koşullarda bakteriler karbon üzerinde adsorplanmış organik bileşikleri oksitleme ve mineralize etme kabiliyetine sahiptirler. Bu biyolojik ayrışma prosesi yardımı ile filtrelerin yararlanabilir ömrünün uzadığı bulunmuştur. Biyolojik rejenerasyon çoğunlukla biyolojik olarak ayrışabilir organik maddelere bağlıdır. Bugüne kadar henüz tam olarak biyolojik aktiviteye dayanan bir endüstriyel rejenerasyon sistemi devreye alınamamıştır.

Kimyasal rejenerasyon Kimyasal rejenerasyon, tükenmiş karbonun birçok kez kimyasal çözeltilerle yıkanması yolu ile yapılır. Örneğin; fenollerin kostik soda ile yıkanarak fenat iyonunun teşkili ve bunun atılması sureti ile kimyasal rejenerasyon yapılabilmektedir. Fransız firması Degremont tarafından önerilen ve birbirini takip eden bir seri işlemle bunu gerçekleştirmek olasıdır.

İşlem kademeleri aşağıdadır: % 1-2’lik HCl ile 1 saat yıkama % 10’luk NaOH ile 110˚C de 1 saat yıkama % 50’lik alkol ile 3-4 saat yıkama 1 saat, 120-140˚C de buhar ile muamele % 1-2’lik HCl ile 10 dakika süre ile yeniden asitlendirme Bu teknikler, özellikle endüstriyel uygulamalarda kullanılmaktadır. Çünkü desorplanan maddeler diğer proseslere geri döndürülmektedir. Bu yöntem içme suyu arıtma tesisleri için uygun değildir.

Termal rejenerasyon Termal rejenerasyon aktif karbonun rejenerasyonu için kullanılan en yaygın metoddur. Termal rejenerasyon az oksijenli ortamda suyun kontrollü bir şekilde ilavesi ile yapılır. 2 C + 3/2 O2 CO2 + CO C + CO2 2CO C + H2O CO + H2

Termal reaktivasyon karbonun kontrollü atmosfer altında ısıtılmasını içerir. Böylece organik madde uçurulur ve çıkan gazlar yakılır. Reaktivasyon prosesi için ortalama enerji tüketimi yaklaşık olarak 2600 Kcal/kg karbon verilmektedir. Bunun yarısı buharlaştırma-karbonizasyon fazında tüketilir ve yarısı da gazlaştırma-aktivasyon fazında harcanır. Çıkan gazların yanması 1200 Kcal/g kabon enerji verir. Termal rejenerasyon için çok gözlü ocaklar, döner fırınlar, akışkan yataklı fırınlar gibi çeşitli tip fırınlar kullanılmaktadır.

Deklorlama için aktif karbon kullanımı Klor, aktif karbon ile aşağıdaki reaksiyonları verir: 2 Cl2 + C + 2 H2O 4 HCl + CO2 Reaksiyon iki ardışık faza ayrılır: Serbest oksijenin üretilmesi: Cl2 + H2O 2 H+ + 2 Cl- + O Karbon üzerinde adsorblanmış oksijenin reaksiyonu: CxOy C + CO veya CxOx C + CO2

Genel olarak klorun uzaklaştırılma hızı aşağıdaki ampirik bağıntıya göre ifade edilebilir: Log (C0/C) = k (L/v) Burada; C0 = girişteki klor derişimi C = çıkıştaki klor derişimi L = yatak uzunluğu V= akış hızı

Yüzeysel hidrolik yükleme 7 m/saat’ten daha az olmalıdır Yüzeysel hidrolik yükleme 7 m/saat’ten daha az olmalıdır. Reaksiyon karbon taneciklerinin büyüklüğüne, pH’ya, sıcaklığa ve klor derişimine bağlıdır. Deterjanlar gibi büyük moleküllerin adsorpsiyonu halinde deklorinasyon verimi düşer.

Aktif Karbonun Çevre Mühendisliğindeki Uygulamaları Adsorpsiyon işleminin bir yyüzey olayı olarak tanımlanması dolayısıyla birim kütlenin taşıdığı aktif alan olarak tanımlanan özgül yüzey, S ile ilişkisi vardır. Küp veya küre biçiminde, boyutu d olan homojen dağılmış bir adsorplayıcının aktif yüzeyinin: S = 6/pd şeklinde hesabı mümkündür. p = maddenin yoğunluğu d = adsorplayıcının boyutu (çap veya kübün kenarı)

Buna göre yoğunluğu 2 olan bir maddeden yapılmış, 1 cm boyutunda bir taneciğin alanı S = 3 cm2 olduğu durumda bu taneciği 10 mµ boyutunda kolloidal bir yapıya dönüştürdüğümüzde, serbest yüzeyi 300 metrekare olmaktadır.

Kesikli çalışan bir sistemde toz karbon ekleyerek yapılan adsorpsiyonda bu büyük serbest yüzeye kolayca ulaşır. Özellikle iyi karışım sağlandığında 30 dakikalık bir reakisyon süresi dengeye ulaşmak için yeterlidir. Granül halindeki karbonda ise ne kadar iiyi karıştırılırsa karıştırılsın dengeye ulaşmak için 2-3 haftaya ihtiyaç vardır.

Toz aktif karbonun tane iriliğine bağlı olarak 103 m2 /g karbon gibi S değerleri bulunabilir. Su ve atıksularda arıtma amacıyla kullanılan aktif karbonun aktif adsorpsiyon yüzeyi «iyod sayısı» ile saptanır. Bu indeks hem toz hem de granül karbon için geçerli olup, deneysel olarak bulunur. Bu amaçla kullanılacak karbonun «iyod sayısı» 1000 m2/g civarında olmalıdır.

Su içerisindeki seyreltik organik maddelerin giderimi beklendiğinde standart uygulama, toz aktif karbonun bir kesikli (batch) reaktör içindeki suya eklenip karıştırıldıktan sonra önce çöktürülüp sonra filtre edilerek sıyrılmasıdır. Bazı durumlarda suya koagülant ekleyerek çökelme verimini arttırmak gerekir. Toz karbon granül karbona göre çok daha ucuz olduğundan küçük su hacimleri için en uygun adsorbandır.

Büyük atıksu arıtma tesislerinde ise (örneğin biyolojik arıtma ile 30 mg/L ye düşürülmüş organik maddenin giderilmesi için) m3 başına 600 g gibi bir karbon ihtiyacı oluşur ki, bu da çok pahalıya mal olur. Bu nedenle granül karbonla doldurulmuş dolgu kuleleri kullanmak daha uygun olmaktadır. Granül karbon ile adsorpsiyonun yavaşlılığı, gözeneklerden geçen suyun düşük debide olması yüzünden çok uzayan temas süresi ile karşılanır. Yüksek organik madde yüküne sahip suların arııtlmasında 3-10 m’lik yükseklikte dolgu kuleler kullanılır.

Az kirli içme sularının hazırlanmasında ise 0 Az kirli içme sularının hazırlanmasında ise 0.5-1 m’liik dolgu kuleler kullanılır. Bu kulelere su yukarıdan veya aşağıdan verilebilirse de bazen sabit dolgu kuleler yerine alttan beslenen genişleyen yataklı kuleler kullanılır. Kulelerden geçen debiler hızlı kum filtrelerindeki gibi olup 10-40 cm/dak kadardır. Kulenin dolgu derinliği ile besleme debisi öyle ayarlanır ki su ile karbon yatak arasında 15-30 dakika temas süresi kalsın (örnek olarak; 10 cm/dak debi için 1.5-3 m karbon yatak yeterli olduğu halde, 40 cm/dak debi için 6-12 metre karbon yatağı gerekir). Yukarıdan aşağıya çalışan kuleler aynı zamanda filtre görevi de yapacaklarından sık sık tıkanır ve geri yıkanmaları gerekir. Bu ise 2-3 kulenin seri kullanımını zorunlu kılar. Böylece her seferinde en baştaki kule rejenerasyona ayrılıp diğerleri çalıştırılır. En sona ise yeni bir kule bağlanır.

Karbon 900˚C’de buharla ısıtıldığında rejenere olmakta, bu sıcaklıkta üzerindeki organik maddeler ya buharlaşmakta, karbonize olmakta veya yanmaktadır. İlk rejenerasyonda % 10 civarında bir aktif kapasite kaybı görülürse de bundan sonra en az 9 defa daha rejenerasyon mümkündür. Her bir rejenerasyon işlemi % 5’lik bir aktivite kaybına neden olduğundan taze karbonla desteklenmelidir.

Aşağıdan beslenen kulelerde ise karbon eklenip çıkarılması da işlem esnasında mümkün olmakta, rejenerasyon için durmaya gerek olmadığından yedek kulelere ihtiyaç yoktur (Şekil 17). Aktif karbon tüm su arıtımı problemleri için bir uluslar arası ilaç değildir. Ancak yine de çözünmüş organik ürünlerin ve toksik kimyasal maddelerin, tat ve koku oluşturan maddelerin sulardan uzaklaştırılmasında en iyi arıtma yöntemlerinden biridir.

Filtrasyon tekniği olarak granül aktif karbon kullanımı aynı zamanda demir 3 iyonlarını gidermede de çok etkili bir yöntemdir. Adsorpsiyondans onra KOI 0-2 mg/L’ye ve TOK 1 mg/L ye kadar düşürülebilmiştir. Fenol içeriği adsorpsiyon işlemi ile µg/L derişim sınırına kadar azaltılabilmiştir. Buna karşılık deterjanlar % 70-80 oranında adsorbe edilebilirler.

Aktif karbon tabakaları çoğunlukla önemli ölçüde nakteri adsorplayabilmektedir. Örneğin 100 000 bakteri/mL. Bunun sonucu olarak atıksuyun BOI5 i %20 oranında azaltılmış olur. Bu biyolojik aktivite, son yıllarda aktif karbonun biyolojik arıtma tesislerinde, aktif çamurla birlikte kullanımına neden olmuştur.

Şekil 16. Seri bağlı dört adsorpsiyon kulesi ve yedeğinden oluşan bir atıksu arıtma sisteminin akım şeması

Şekil 17. Aşağıdan beslemeli aktif karbon kuleleri içeren bir arıtma sisteminin akım şeması