Farklı fotokatalitik reaktörler ile içme sularının arıtılması ve detoksifikasyonu
Detoxification and treatment of drinking water with different photocatalytic reactors
Yazar: MUHAMMED İBERİA AYDIN
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN SELÇUK
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Elektrodiyaliz = Electrodialysis

Özet:
Küresel su kullanımı nüfusun ekonomik ve sanayi faaliyetlerinin gelişimi ve yaşam tarzına bağlı olarak artmaktadır. Sürdürülebilir çevre politikaları kapsamında alternatif su kaynaklarının geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Bununla birlikte küresel su kaynakları, insani faaliyetler nedeniyle nitrat, arsenik, pestisitler gibi organik ve inorganik kirlenmeye maruz kalmıştır. Bu kaynakların içme suyu kaynağı olarak kullanılabilmesi için ileri arıtma bir gereksinim haline gelmiştir. İleri arıtma yöntemleri ise yüksek enerji ihtiyacına sahiptir ve arıtma maliyetlerinin düşürülmesi için enerji ihtiyacının düşürülmesi veya yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması önemlidir.
Bu nedenlerle, bu çalışmada ışık altında çalışan yeni fotoelektrokatalitik elektrodiyaliz reaktörleri tasarlanmıştır. Bu reaktörlerde meydana gelen değişimler incelenmiştir. Sistemler farklı gerilimler, elektrot boyutları, kirleticiler ve membran dizilimlerinde çalıştırılmış ve sistemin arıtma verimleri karşılaştırılarak sistemin geliştirilebilmesi için gerekli olan yaklaşımlar tartışılmıştır. 
İlk olarak kesikli döngüsüz reaktör farklı ışıklar altında çalıştırılmış, sistemin ürettiği fotoakım değerleri takip edilmiştir. Elde edilen sonuçlarda Xenon lambanın en yüksek fotoakım değerini verdiği tespit edilmiştir. Xenon lamba altında farklı gerilimlerde yapılan çalışmalarda arıtma veriminin ve fotoakımın artan gerilim ile birlikte arttığı belirlenmiştir. Sistemin geriliminin artması, elektrodiyaliz prosesinin verimini arttırmakta ve fotoakıma katkı sağlamaktadır. Bu şekilde yapılan çalışmalarda yüksek gerilimlerde (5-10V) %40'a kadar sodyum giderimi elde edildiği tespit edilmiştir.
İkinci olarak sistemde pH değişimleri takip edilmiştir. Işık altında çalıştırılan sistemde fotoanot hücresinde fotokatalitik reaksiyonlar ve elektrodiyaliz prosesinin etkisi ile pH değerinin düştüğü gözlemlenmiştir. Fotoanot bölmesinde meydana gelen pH düşüşünün sistem verimini düşürdüğü gözlemlenmiştir. Fotoanot bölmesinde düşük pH ile çalıştırılan sistemde %2'lik bir sodyum giderimi gözlemlenmiştir. NaNO3 ile yapılan çalışmalarda sistemin NaCl gideriminde olduğu gibi benzer sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Kesikli döngülü çalıştırılan sistemde daha yüksek verim elde edilmiştir. Bunun nedeni pH değişiminin kontrol altında tutulabilmesi olduğu düşünülmektedir. Döngüsüz sistemde katot bölmesinde pH yükselirken, fotoanot bölmesinde düştüğü gözlemlenmiştir. Döngülü sistemde katot ve fotoanot hücreleri sürekli karışım halinde olduğu için pH'ta değişim gözlemlenmemiştir. Bu sayede konsantrasyon polarizasyonunun da önüne geçilebildiği düşünülmektedir.
Sistemde organik madde giderimi için hümik asit model kirletici olarak kullanılmış, fotoanot hücresinde %56 civarında bir giderim olduğu gözlemlenmiştir. Bununla birlikte aynı numunede toksisitenin de azaldığı görülmüştür.

Abstract:
The global water use is increasing depending on the development of industry, changes in lifestyle, economic and industrial activities due to population growth.  In the context of sustainable environmental policies, development of alternative water resources is needed. However, global water resources have been subjected to organic and inorganic pollutants such as nitrate, arsenic, pesticides due to human activities. For these resources to be utilized as a source of drinking water, advanced treatment has become a necessity. Advanced treatment methods have high energy requirements and it is important to reduce energy needs or use renewable energy sources to reduce treatment costs.
For these reasons, novel photoelectrocatalytic electrodialysis reactors designed in this study and the changes in these reactors have been examined. The systems were operated at different potentials, electrode sizes, contaminants and membrane arrays. The treatment efficiencies and the other changes of the system were compared.
Initially, the batch reactor without cycle was operated under different lights, and the photocurrent values produced by the system were monitored. It has been found that the Xenon lamp gives the highest photocurrent value in the obtained results. It has been found that the efficiency of the treatment and photocurrent generation increased with increasing potential under Xenon lamp illumination. Increasing the potential of the system increases the efficiency of the electrodialysis process and provides a supplement for photocurrent. Studies have shown that sodium uptake of up to 40% is obtained at high potentials (5-10 V).
Secondly, pH changes were monitored in the system. Photocatalytic reactions in the photoanode cell and the effect of the electrodialysis process decrease pH of photoanode cell in the system operated under light. It has been observed that low pH in the photoanode reduces system efficiency. Sodium removal of 2% was observed in the system at low photoanode cell pH values. Studies with NaNO3 have shown that the system gives similar results as NaCl removal. Higher efficiency has been achieved in the batch reactor with cycled system. In the non-cyclic system, while the pH was rising at the cathode section, it was observed a decrease of pH at the photoanode section. In the cycling system, no change in pH was observed because the cathode and photoanode cells were in a continuous mix. It is found that concentration polarization may be avoided in this respect.
Humic acid was used as a model contaminant for organic matter removal in the system, and it was observed that the photoanode cell had a removal of about 56%. A decrease in toxicity is also observed in the same sample.