Kirlenmiş toprak-yeraltısuyu ortamından organik kirleticilerin elektrooksidasyon ile arıtılabilirliği
Removal of organic contaminants from contaminated soil-groundwater environment by electrooxidation
Yazar: OKAN KARATAŞ
Danışman: PROF. DR. ALI REZA KHATAEE ; PROF. DR. MEHMET KOBYA
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Tez çalışması, toprak ve yeraltı suyu ortamlarının birlikte arıtılabilirliğinin değerlendirilmesini amaçlamıştır. Bu kapsam doğrultusunda, günümüz itibariyle çokça çalışmaya konu olan per ve poliflorlu alkil grubu (PFAS) kirleticilerden olan perflorooktanoik asit (PFOA) ve perflorooktansülfonik asit (PFOS) hedef kirletici olarak belirlenmiştir. Bu kirleticilerin toprak ve yeraltı suyu ortamlarından arıtılabilirliği elektrokimyasal proseslerden olan, elektro-oksidasyon (EO) ve elektro-fenton(EF) ile değerlendirilmiştir. Çalışma kapsamında önce PFOA için EO parametreleri incelenmiş, parametreler optimize edilmiş ve yeraltı suyu için gerçekçi bir senaryo dizayn edilmiştir. Ek olarak gerçek atıksu matriksinde de PFOA için optimize edilen parametreler ile bir dizi deneysel çalışma yapılmıştır. EO optimizasyon deneyleri, farklı pH değerleri, akım yoğunluğu ve giriş konsantrasyonu için bor katkılı elmas (BDD) anotla gerçekleştirildi ve karşılaştırma için farklı anot malzemelerinin etkileri araştırılmıştır. Optimum koşullar altında, %90'a kadar toplam organik karbon (TOC) giderimi sağlandı. Yeraltı suyu simülasyonunda topraktan sızıntı suyu elde edildikten sonra optimize edilmiş EO parametreleri uygulandı. PFOA ile kirlenmiş simüle edilmiş yeraltı suyunun EO'sunda %86'ya kadar TOC giderimi elde edildi. Gerçekçi sızıntı suyu simülasyonu durumunda, PFOA ile kirlenmiş toprağa dört farklı sızıntı suyu arıtımı uygulanmış ve tüm matrislerde yüksek TOC giderimi sağlanmıştır. Ek olarak, sürecin etkinliğini izlemek için PFOA ile desteklenmiş depolama sahası sızıntı suyu atık suyuna BDD'li EO uygulandı. %85 oranında TOC giderimi sağlandı ve serbest F-iyonlarının konsantrasyonunun arttığı gözlendi. Benzer optimizasyon ve giderim çalışmaları PFOS içinde gerçekleştirildi. Optimum şartlarda %83 TOC giderimi elde edildi. Ek olarak, yeraltı suyu sızmasının simülasyonu sonrasında %79 TOC giderimi ve 8.78 mg/L lik bir F- iyonu konsantrasyonu elde edildi. Bu sonuçlar BDD ile PFOA'nın ve PFOS'un farklı ortamlarda gideriminin sağlanabildiğini göstermektedir. Ek olarak, daha ucuz, etkili ve alternatif bir yöntem için elektro-fenton(EF) prosesi de PFOA/PFOS giderimi için incelendi. Bu kapsamda yüksek verimliliğe sahip karbon siyahı (CB) katotların üretilmesi amaçlandı ve bu üretim şartları optimize edildi. Optimize edilen karbon siyahı elektrotlar, PFOA ve PFOS için EO ile benzer şartlarda proseslere tabii tutuldu. Optimum EF şartlarının belirlenmesinden sonra, EO'da olduğu gibi atıksu ve toprak-yeraltı suyu simülasyonuna da EF işlemleri uygulandı. Elde edilen sonuçlar, EO ve EF proseslerinin PFOA ve PFOS'un sentetik olarak, atıksu matriksinde ve yeraltı suyu simülasyonunda giderilebilirliğinde etkin olduğunu göstermektedir.

Abstract:
The thesis study aimed to evaluate the co-treatability of soil and groundwater environments. In line with this scope, perfluorooctanoic acid (PFOA) and perfluorooctanesulfonic acid (PFOS), which are per and polyfluorinated alkyl group (PFAS) pollutants that are the subject of much study today, have been determined as target pollutants. The purification of these pollutants from soil and groundwater environments was evaluated by electro-oxidation (EO) and electro-Fenton (EF), which are electrochemical processes. Within the scope of the study, first the EO parameters for PFOA were examined, the parameters were optimized and a realistic scenario for groundwater was designed. In addition, a series of experimental studies were conducted with parameters optimized for PFOA in real wastewater matrix. EO optimization experiments were carried out with boron-doped diamond (BDD) anode for different pH values, current density and inlet concentration, and the effects of different anode materials were investigated for comparison. Under optimum conditions, up to 90% total organic carbon (TOC) removal was achieved. In the groundwater simulation, optimized EO parameters were applied after obtaining leachate from the soil. Up to 86% TOC removal was achieved in the EO of simulated groundwater contaminated with PFOA. In the case of realistic leachate simulation, four different leachate treatments were applied to PFOA-contaminated soil, achieving high TOC removal in all matrices. Additionally, EO with BDD was applied to landfill leachate wastewater supplemented with PFOA to monitor the effectiveness of the process. 85% TOC removal was achieved and the concentration of free F-ions was observed to increase. Similar optimization and removal studies were carried out in PFOS. Under optimum conditions, 83% TOC removal was achieved. Additionally, 79% TOC removal and an F- ion concentration of 8.78 mg/L were achieved after simulating groundwater infiltration. These results show that BDD can remove PFOA and PFOS in different environments. Additionally, the electro-Fenton(EF) process was also examined for PFOA/PFOS removal as a cheaper, more effective and alternative method. In this context, it was aimed to produce high-efficiency carbon black (CB) cathodes and these production conditions were optimized. The optimized carbon black electrodes were processed under similar conditions as EO for PFOA and PFOS. After determining the optimum EF conditions, EF processes were applied to wastewater and soil-groundwater simulation, as in EO. The results obtained show that EO and EF processes are effective in removing PFOA and PFOS synthetically, in the wastewater matrix and in groundwater simulation.