MKM 412 KİMYASAL TEKNOLOJİLER SU TEKNOLOJİSİ Prof. Dr. Ayşe Nilgün AKIN

SU TEKNOLOJİSİ Su teknolojisi 3 önemli konu ile ilgilenir. 1- Su kaynaklarını bulmak 2- Suyu kullanılacağı yere göre hazırlamak 3- Atık suları zararsız hale getirmek

SU KAYNAKLARI Endüstriyel tesislerin kurulması sırasında gerekli suyun ekonomik olarak sağlanabileceği su kaynağına gereksinim vardır. Su kaynakları : Yer altı suları Yeryüzü suları: akarsular, ırmaklar, denizler,göller Bu kaynaklar yağmur suyu ile beslenirler. Bir fabrika kullanımı için yeterli derecede yer altı suyu bulunsa da, atıkların seyreltilmesi ve çevre kirliliğini azaltmak için yeryüzü suyuna da gerek vardır

SUYUN ENDÜSTRİDE KULLANIM ALANLARI -Taşımacılık: Kömür çıkarıldığı yerden su ile bulamaç haline getirilerek taşınır. -Isı aktarımı: Soğutma kuleleri, ısı değiştiriciler, yoğuşturucular, soğutma-havalandırma cihazları - Kimyasal tepkimelerde hammadde: fosforik asit üretimi, kalsiyum karbürden asetilen üretimi - Çözücü olarak - Endüstriyel sıvı atıkların seyreltilmesi -Kinetik enerjisinden yararlanılır. Yüksek basınçlı jetlerde bazı metal parçaların temizlenmesi -Kullanma ve içme suyu

SUYUN ENDÜSTRİDE KULLANIM ALANLARI Kullanıldığı yere ve amaca göre suyun kalitesi farklılık gösterir. Bu nedenle kimyasal ve/veya fiziksel prosesler uygulanarak su istenilen özelliklere getirilir. Ayrıca endüstride ve evlerde kullanılan su temizlendikten sonra doğaya geri verilmektedir . Bu amaçla da su arıtım teknolojileri geliştirilmiştir.

Doğada tamamen saf su yoktur. Çok iyi bir çözücü olduğundan dolayı yağmur halinde yağarken bile havada bulunan birçok gazı çözer. (Oksijen, azot, azotoksit, karbon dioksit, kükürt dioksit) Toprakta ise çeşitli mineral maddeleri çözecektir. Sudaki en önemli safsızlık kalsiyum bikarbonattır [Ca(HCO3)2] Suyun niteliğini katı maddeler, bakteriler, renk, koku, ve çözünmüş diğer safsızlıklar belirler.

SU SERTLİĞİ Su sertliği nedir? Suda bulunan iki değerlikli metal katyonlarının sebep olduğu, sabunun köpürmesini güçleştiren, kazan taşı oluşumuna yol açan, bazı endüstriyel işlemlere zarar veren, suyun tadını bozan ve bu şekilde suyun kalitesini etkileyen bir parametredir.

SERTLİK OLUŞTURAN KATYONLAR Suyun sertliği içermiş olduğu +2 ve +3 değerlikli metal katyonlarının iyon konsantrasyonuna bağlıdır. Bunların başlıcaları kalsiyum ve magnezyum iyonlarıdır. Diğerleri ise demir, mangan, baryum, aluminyum vb. dir ancak bunlar genellikle eser miktarda bulunurlar. (Ca ve Mg dışındaki katyonlar doğal sularda çok az bulunduğundan sertliğe fazla katkıları bulunmaz) Su sertliği litrede bulunan CaCO3 ün mg/L olarak konsantrasyonu cinsinden ifade edilir. Bu nedenle toplam sertlik Ca ve Mg iyonu konsantrasyonlarının toplamı olarak tanımlanır. (mg CaCO3/L)

TOPLAM SERTLİK Karbonat sertliği Ca ve Mg’un bikarbonatları [Ca( HCO3)2 ve Mg(HCO3)2] ile karbonatlarının(CaCO3 and MgCO3) toplamıdır. Karbonat olmayan sertlik ise yine Ca ve Mg un karbonat iyonu dışındaki iyonlarının toplamıdır. Bunlar kalsiyum sulfat (CaSO4), kalsiyum klorür (CaCl2), mağnezyum sülfat(MgSO4), ve mağnezyum klorür (MgCl2). Toplam sertlik karbonat ve karbonat olmayan iyonların konsantrasyonlarının toplamıdır. Ancak kabaca magnezyum ve kalsiyum iyonlarının toplamı olarak da bilinir.

SUYUN KALİTESİ Yumuşak su 0 - 75 mg/ L CaCO3 Orta 75 – 150 mg/ L CaCO3 Sert 150 – 300 mg/ L CaCO3 Çok sert >300 mg/ L CaCO3 Suya sertlik veren maddeler suyun ısıtılması sırasında uğrayacakları değişikliklere göre ikiye ayrılır.

GEÇİCİ VE KALICI SERTLİK Geçici sertlik: bikarbonatların oluşturduğu ve kaynatılmakla giderilen sertlik Bikarbonatlar ısıtıldıklarında karbonat ve karbondioksite dönüşürler. Karbonatlar çökerek sarı kahverengi bir taş oluştururlar. Bunların birikimiyle de kazan taşı oluşur. Ca(HCO3)2 CaCO3+ CO2 + H2O Mg(HCO3)2 MgCO3 + CO2 + H2O Kalıcı sertlik: Toprak alkali metallerinin bikarbonat dışında silikat, klor, sülfat ve nitrat gibi diğer anyonları ile oluşturdukları tuzların yol açtığı ve kaynatılmakla giderilemeyen sertlik

SU SERTLİK DERECELERİ 1 Alman SD= 100 mL suda 1 mg CaO 1 Fransız SD= 100 mL suda1 mg CaCO3 1 İngiliz SD= 700 mL suda10 mg CaCO3 1 USA SD= 100 mL suda 0,1 mg CaCO3 Ülkemizde Fransız sertlik derecesi kullanılır.

SU SERTLİĞİNİN GİDERİLMESİ Endüstride kullanılacak suyun sertliğinin giderilerek kullanılması yani yumuşatılması gerekir. Bazı hallerde yalnız su yumuşatma yetmez saflaştırılması da gerekir. Suyun saflaştırılması işlemi sudan organik maddelerin ve mikroorganizmaların giderilmesi işlemidir. Su sertliğinin giderilmesi genellikle iki yöntemle yapılır. iyon değiştiriciler kimyasal maddeler

KİMYASAL MADDELERLE ÇÖKTÜRME Eski yöntemler olmasına rağmen halen kullanılmaktadır. Sertliği giderilecek suya, Ca+2 ve Mg+2 katyonları ile suda güç çözünen maddeler verebilecek kimyasal maddeler ilavesiyle sertlik veren maddeler çöktürülürler. Çöktürme maddeleri olarak NaOH, Na3PO4 ve NaCO3 kullanılabilir. En çok kullanılan yöntemlerden birisi Kireç-soda yöntemidir. Bu yöntemde kireç doymamış çözelti halinde, soda ise uygun konsantrasyonda ilave edilir. MgCl2 + Na2CO3 MgCO3 + 2NaCl (soda) (çöker) MgCO3+Ca(OH)2 Mg(OH)2 + CaCO3 (kireç) (çöker) (çöker) Na2CO3 ilavesinde oluşan ve çok az çöken MgCO3, kireç ilavesinde tamamen ayrılır.

İYON DEĞİŞTİRME Katı maddede bulunan suda çözünen iyonların, çözeltide bulunan benzer yükteki iyonlarla yer değiştirilmesi işlemidir. Hareketli iyonlar, elektriksel yönden nötr veya yüklü olarak katı yapıya (balık ağı yapısında polimerik reçine) bağlanmıştır. Bunlara iyon değiştirici denir. İyon değiştiricilerin sabit yüklü grupları negatif olduğu zaman katyon değiştirici, pozitif olduğu zaman anyon değiştirici iyon değiştirici denir. Reçinelerin %80 inden fazlası su yumuşatmada kullanılır.

İYON DEĞİŞTİRİCİLER İyon değiştirme özelliği bakımından sınıflandırılmaları: Katyon değiştiriciler Na+ iyon değiştiriciler H+ iyon değiştiriciler Anyon değiştiriciler Zayıf bazik anyon değiştiriciler Kuvvetli bazik anyon değiştiriciler

İYON DEĞİŞTİRİCİLER Yapılarına göre sınıflandırılmaları: Anorganik Doğal zeolitler Sentetik zeolitler Organik Sülfone kömür esaslı Reçine esaslı

Na-katyon değişim prosesi Su yumuşatmada kullanılan en yaygın metottur. Yumuşatma prosesi esnasında sert sudan Ca+2 ve Mg+2 iyonları uzaklaştırılır ve bunların yerini iyon değiştiricinin Na+ iyonu alır. R = iyon değiştirici radikal

Na-katyon değişim prosesi İyon değiştirici gruplar tümüyle Ca ve Mg bileşiklerine dönüştüğü zaman işlevlerini kaybederler. Bunun rejenere edilerek tuz haline getirilmesi tuz (NaCl) çözeltisi ile sağlanır. CaR2 + 2NaCl 2NaR + CaCl2 MgR2 + 2NaCl 2NaR + CaCl2 Tuz Ca ve Mg un çözünen klorürleri halinde uzaklaştırılır. Aynı zamanda katyon değiştiriciyi de tekrar Na tuzu haline çevirir. Bu işlemden sonra katyon değiştiricinin bulunduğu yatak yıkanarak çözünen ürünlerden ve tuzun fazlasından kurtarılır. İyon değişimine tabi tutulan suyun Ca sertliği sıfır dır.

Hidrojen katyon değişimi Sodyum katyon değişimi prosesine benzer. Sadece katyon değişimi yapan reçine değiştirilebilen hidrojen iyonuna sahiptir ve tüm katyonları uzaklaştırmak için kullanılabilir. R sembolü, hidrojen katyon değiştiricinin kompleks radikalini gösterir. Asitli su istenmez ve bu sebeple, hidrojen katyon değişimini terk eden su ya nötralize edilir veya minerallerinden kurtarmak için anyon değişimi yapan bir maddeden geçirilir.

Anyon değiştiriciler Fazla bazik ve az bazik olmak üzere genelde iki tiptir. Her iki tip reçine de sülfürik, hidroklorik ve nitrik asit gibi kuvvetle iyonize olan asitleri uzaklaştırır. Su yumuşatılması işleminde kullanılan iyon değiştiricilerde aranan özellikler Su ile reaksiyona girmemeli Mekanik aşınmaya dirençli olmalı Sürekli rejenere edilebilmeli İyon değiştirme hızı ve kapasitesi yüksek olmalı

ATIK SU ARITIMI Dünyada nüfusun artması ve endüstrinin gelişmesi ile suyun yerküre üzerindeki doğal yapısı istenilmeyen yönde bozulmaktadır. Su kirliliği, kaynak suyu veya herhangi bir doğal suyun fiziksel, kimyasal, biyolojik veya radyoaktif katkılarla etkilenmesi sonucu oluşur. Suyun kalitesini kötüleştirebilecek miktar yada konsantrasyonlarda suya, kanalizasyon suyunun, endüstriyel ve tarımsal faaliyetler sonucu oluşan atıkların, diğer zararlı ve istenmeyen maddelerin ilave edilmesiyle su kirlenir bu nedenle bitki büyümesini, insan ve hayvan sağlığını tehdit edici düzeye ulaşır. Canlıların yaşamasını zorlaştıracak, ekosistem dengesini bozabilecek her şey doğrudan veya dolaylı su kirliliği oluşturur.

ATIK SU ARITIMI Su içerisine karışan atık maddelerdeki organik maddeler bazı bakterilerin yardımı ile biyo oksidasyona uğrar ve zararsız duruma dönüştürülür, bu durumun olabilmesi için bazı bakteri gruplarının ve fazla miktarda çözünmüş oksijenin suda bulunması gerekir, akarsulara göllere ve denizlere boşaltılan anorganik, organik ve toksik maddelerin oldukça fazla olması durumunda, sudaki oksijen azalmaktadır, oksijen azalmasıyla bulunması gereken bakteriler ölmekte ve su kaynakları kirlenmektedir. Endüstrinin yol açtığı biyolojik kirlenme sonucunda da sularda patojen bakteriler, mantarlar, algler vb. çoğalmaktadır.

ENDÜSTRİYEL ATIK SULAR VE ÖZELLİKLERİ Endüstri atıklarının su ortamlarına boşaltılması, çevresel açıdan, evsel atıklara oranla çok daha büyük bir tehlike oluşturmaktadır. Endüstri atık suları genelde, debi ve içerdiği kimyasal maddelerin bileşimi yönünden büyük salınımlar gösterir, Su kalitesi gerek ayni bir endüstri için zaman içerisinde, gerekse endüstriden endüstriye büyük farklılıklar gösterir. Ayrışmaz ya da güç ayrışabilir türden maddelerin yanı sıra toksik bileşenleri de içerebilen bu sular, zaman zaman çok kuvvetli (kirlilik konsantrasyonu yüksek) nitelik arz ederler. Bazı durumlarda renkli yüzer madde, köpük gibi maddelerin bulunması, suyun yalnızca estetik açıdan kullanım imkanını bile ortadan kaldırabilmektedir.

ENDÜSTRİYEL ATIK SULAR VE ÖZELLİKLERİ Atık sularda bulunan zararlı bazı organik bileşikler şu başlıklar altında toplanabilir; Fenoller ve Türevleri Pestisidler Deterjanlar Uçucu Organik Bileşikler (UOB) Endüstriyel Çözücüler Polisiklik Aromatikler (PAH lar)

ENDÜSTRİYEL ATIK SULAR VE ÖZELLİKLERİ Endüstriyel atık sular taşıdıkları kirletici yük ve türlerine göre başlıca dört sınıfa ayırabiliriz. Üretim işlemleri atıkları Soğutma suları İşyeri ve çalışanların temizliğiyle ilgili atıklar Yağmur suları ve temizlik suları Birbirinden çok farklı kalitelerde olan bu dört sınıfa ait atık sular farklı yöntemlerle arıtıldıklarından genellikle ayrı tutulup işlem görmeleri ekonomik açıdan uygun olur.

ATIK SU ARITIMI Türkiye ’de endüstriyel kirlenme konusunda 1974 yılına kadar bir yasal düzenleme bulunmamaktadır. 1974 yılında 1380 sayılı Su Ürünleri Kanunu çerçevesinde endüstriler için deşarj standartları getirilmiştir. 1983 tarihli Çevre Kanunu ‘nda endüstriyel kirlenme kontrolü, genel kirlenme kontrolü çerçevesinde belirli esaslara bağlanmıştır. Bunların dışında belediyelerce ön arıtma standartları yürürlüğe konulmuştur. Ayrıca şehirlerde arıtma tesisleri kurularak fabrikaların ön arıtmalarından gelen atık suların ve evsel atık suların arıtmı gerçekleştirilmektedir. Su Kirliliği Kontrolü Yönetmeliği, T.C Çevre ve Orman Bakanlığı, 31.12.2004 ve 25687 sayılı kanun ile sanayi kuruluşlarına belli bir sınırlandırılma getirilmiştir.

Su Kirliliği Kontrolü Yönetmeliği Bu yönetmelikte her türlü sektör için olması gereken atık su deşarj limitleri bulunmaktadır. Yasal olarak sanayi kuruluş bu yönetmeliğe uymak zorundadır. Sanayi kuruluşları ön arıtımı yaptıktan sonra arıtma tesisinde karışık atık sular toplanmaktadır. Bu atık sularında arıtım tesisinde arıtıldıktan sonra su kontrol yönetmeliğine göre belirli deşarj limitlerine sahip olması gerekir.

Karışık endüstriyel atık suların alıcı ortama deşarj standartları küçük ve büyük organize sanayi bölgeleri ve sektör belirlemesi yapılamayan diğer sanayiler PARAMETRE BİRİM KOMPOZİT NUMUNE 2 SAATLİK KOMPOZİT NUMUNE 24 SAATLİK KİMYASAL OKSİJEN İHTİYACI (KOİ) (mg/L) 400 300 ASKIDA KATI MADDE (AKM) 200 100 YAĞ VE GRES 20 10 TOPLAM FOSFOR 2 1 TOPLAM KROM KROM (Cr+6) 0.5 KURŞUN (Pb) TOPLAM SİYANÜR (CNˉ) KADMİYUM (Cd) 0.1 - DEMİR (Fe) FLORÜR (Fˉ) 15 BAKIR (Cu) 3 ÇİNKO (Zn) 5 CİVA (Hg) 0.05 SÜLFAT (SO4 ) 1500 TOPLAM KJELDAHL-AZOTU BALIK BİYODENEYİ (ZSF) PH 6-9

ATIK SU ARITIM YÖNTEMLERİ Atık sulardan organik bileşiklerin giderimin de çeşitli fiziksel, kimyasal ve biyolojik yöntemler kullanılmaktadır. Arıtım için kullanılacak yöntem organik bileşiklerin tipine ve derişimine bağlı olarak saptanır.

Endüstriyel Atık Suların Arıtımında Kullanılan Başlıca Arıtım Yöntemleri KONVANSİYONEL YÖNTEMLER FİZİKSEL KİMYASAL BİYOLOJİK Debi ölçümleri Izgaralar Öğütücüler Dengeleme Karıştırma Yumaklaştırma Çökeltme Yüzdürme Mikroelekler Gaz transferi Uçurma ve gaz ile sıyırma Kimyasal çöktürme Adsorpsiyon Dezenfeksiyon Klor ile giderme Klor ile dezenfeksiyon Klordioksitle dezenfeksiyon Brom klorür ile dezenfeksiyon Ozon ile dezenfeksiyon AEROBİK PROSESLER Askıda büyüyen prosesler Yüzeyde büyüyen prosesler Birleşik-askıda ve yüzeyde büyüyen prosesler ANOKSİK PROSESLER ANAEROBİK PROSESLER BİRLEŞİK AEROBİK-ANOKSİK VE ANAEROBİK PROSESLER Birleşik askıda ve yüzeyde büyüyen prosesler STABİLİZASYON HAVUZLARI

Endüstriyel Atık Suların Arıtımında Kullanılan Başlıca Arıtım Yöntemleri İLERİ YÖNTEMLER FİZİKSEL KİMYASAL BİYOLOJİK Mikroelekler Gaz transferi Uçurma ve gaz ile sıyırma Filtrasyon Hava ile sıyırma Ultrafiltrasyon Ters ozmos Elektrodiyaliz İyon değiştirme Karbon adsorpsiyonu Kimyasal oksidasyon (Katalitik veya katalitik olmayan) Ultraviyole ışığı ile kimyasal oksidasyon Kırılma noktası klorlaması Metal tuzları ile kimyasal çöktürme Kireç ile kimyasal çöktürme Biyolojik nitrifikasyon Biyolojik nitrifikasyon/denitrifikasyon Biyolojik denitrifikasyon Biyolojik fosfor giderme Aktif çamur-toz aktif karbon