Süperkritik su oksidasyonu ile endüstriyel atık suların arıtılması
Treatment of industrial wastewaters by supercritical water oxidation
Yazar: ONUR ÖMER SÖĞÜT
Danışman: DOÇ. DR. MESUT AKGÜN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Süperkritik su oksidasyonu, her türlü organik bileşiğin sulu karışımlarının, saf suyun kritik noktasının (Tk=374°C, Pk=221 bar) üzerindeki sıcaklık ve basınç koşullarında oksidasyonuna dayanan çok etkili bir atık su arıtma yöntemidir. Bu koşullarda oksijen ve apolar organik maddeler su ile her oranda ve tek faz içinde karışabilmektedir, zira bu koşullardaki suyun çözücü davranışı polar organik çözücülerinkilere benzemektedir. Böylece kütle aktarımı kısıtlamaları ortadan kalkmakta ve çok kısa reaktörde kalma sürelerinde %100'e varan arıtma verimlerine ulaşılmaktadır. Prosesin başlıca ürünleri saf veya safa yakın su ile karbon dioksittir.Bu tez çalışmasında, çeşitli endüstriyel atık suların sürekli akışlı boru tipi reaktör sisteminde süperkritik su oksidasyonu ile arıtılması araştırılmıştır. Bu bağlamda süperkritik akışkanlar ve süperkritik su oksidasyonu prosesleri ile ilgili genel bilgiler derlenmiş ve çalışmada kullanılan yöntemler ile proses işleyişini aksatabilecek sorunların uygulamalı çözümleri aktarılmıştır. C.I. Disperse Orange 25 ve C.I. Basic Blue 41 azo tekstil boyalarıyla hazırlanmış model atık su karışımları, bir tekstil fabrikasının boyahanesinden temin edilmiş akrilik elyaf boyama atık suyu, peynir altı suyu ve bir ticari pestisit (o,o-dimetil-2,2-diklor-vinil fosfat) ile hazırlanmış model atık su numuneleri, yüksek kirletici potansiyeline sahip endüstriyel atık su örnekleri olarak seçilmiştir. Bu atık sular, deneylere tabi tutulmuş ve bunların süperkritik su oksidasyonu kinetik parametreleri belirlenerek tepkime hız ifadeleri önerilmiştir. C.I. Basic Blue 41, tekstil boyahane atık suyu, peynir altı suyu ve pestisit örneklerinin süperkritik su ortamındaki ısıl parçalanma tepkimeleri için kinetik parametreler belirlenmiş ve tepkime hız ifadeleri önerilmiştir. Çalışmalarda organik kirleticilerin derişimleri ayrı ayrı takip edilemeyeceği için, atık su ve süperkritik su oksidasyonu prosesi sıvı ürününün toplam organik karbon (TOK) veya kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) cinsinden yığın derişimleri takip edilmiştir.Süperkritik su oksidasyonunda reaktör sıcaklığının, organik kirletici derişimlerinin, oksidan derişimlerinin, reaktörde kalma süresinin ve sistem basıncının etkilerini bu çalışmada kullanılan atık su numuneleri için izlemek amacıyla yapılan deneylerin sonuçları değerlendirilmiştir. Bütün atık su numuneleri için üretilen süperkritik su oksidasyonu hız ifadeleri, kirletici yığın derişimleri (TOK veya KOİ) cinsinden birinci (veya civarı), oksijen derişimleri cinsinden ise sıfırıncı (veya civarı) mertebedendir. Elde edilen hız ifadeleri deney koşullarına uygulanarak hesaplama yapılmış, hesaplama sonuçlarının deney sonuçlarını hassasiyetle desteklediği gözlenmiştir. Varılan yargılar derlenmiş ve sanayi uygulayıcıları ile daha sonraki araştırmacılara öneriler getirilmiştir.Anahtar kelimeler: Süperkritik su oksidasyonu, atık suların arıtılması, azo boya, C.I. Disperse Orange 25, C.I. Basic Blue 41, endüstriyel atık su, tekstil atık suyu, peynir altı suyu, pestisit, tepkime kinetiği, TOK, KOİ.

Abstract:
Supercritical water oxidation is a very efficient method for wastewater treatment, which is based on oxidation of organic compounds in aqueous media above critical temperature and pressure conditions of pure water (Tc=374°C, Pc=221 bar). Under these conditions, oxygen and non-polar organics mix with water in any proportions, because the solvent behavior of water is similar with that of polar organic solvents under supercritical conditions. Thus, the reactions in supercritical water take place in absence of mass transfer limitations with treatment yields up to 100% in very short residence times. The main products of the process are pure or nearly pure water and carbon dioxide.In this work, supercritical water oxidation treatment of various industrial wastewaters in a continuous flow pipe reactor system was investigated. General information on supercritical fluids and supercritical water oxidation processes, applied scientific methods and practical solutions to possible operational problems were compiled in this context. Model wastewater samples prepared with azo textile dyes C.I. Disperse Orange 25 and C.I. Basic Blue 41, an effluent obtained from an acrylic fiber dyeing unit of a textile plant, cheese whey and a commercial pesticide (o,o-dimethyl-2,2-dichloro-vinyl phosphate) model were chosen as industrial wastewater samples with high environmental hazard potential. These samples were subjected to experimental studies, the relevant kinetic parameters were determined and their supercritical water oxidation rate equations were developed. Hydrothermal degradation kinetic parameters and rate equations were determined for each of C.I. Basic Blue 41, acrylic fiber dyeing effluent, cheese whey and pesticide samples. Bulk concentrations of organic content in the wastewater samples and effluents were tracked in terms of total organic carbon (TOC) and chemical oxygen demand (COD), since it was impossible to follow all the organic species appearing during the reactions.The experimental results were evaluated in order to understand the effects of reactor temperature, organics and oxidant concentrations, residence time and reactor pressure on treatment of the wastewater samples. Reaction orders of the organic contaminants (in terms of TOC or COD) and the oxidant were found as one (or approximately one) and zero (or approximately zero) in the supercritical water oxidation rate equations obtained for all wastewater samples. Experimental and calculated model results were found to be consistent. Evaluations and decisions were compiled and several suggestions were proposed for industrial practice and further research.Keywords: SCWO, water treatment, azo dye, C.I. Disperse Orange 25, C.I. Basic Blue 41, industrial wastewater, textile wastewater, cheese whey, pesticide, reaction kinetics, TOC, COD.