Kağıt ve karton fabrikası atık suyunun elektrokimyasal olarak arıtılması
Electrochemical treatment of paper and cardboard factory wastewater
Yazar: BAŞAK MERT
Danışman: PROF. DR. ABDURRAHMAN TANYOLAÇ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Bölümü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Atık su arıtma = Waste water treatment ; Cevap yüzey yöntemi = Response surface methodology ; Elektrokimyasal indirgeme = Electrochemical reduction ; Elektrokimyasal reaktör = Electrochemical reactor ; Elektrokimyasal özellikler = Electrochemical properties ; Elektroliz = Electrolysis ; Kağıt = Paper ; Kinetik = Kinetics ; Optimizasyon = Optimization

Özet:
Bu çalışmada kağıt üretimi sırasında ortaya çıkan ve karmaşık bir bileşime sahip olan atıksuyun elektrokimyasal yöntemler uygulanarak arıtımı hedeflenmiştir. Kağıt endüstrisi birim ürün başına kullandığı aşırı su ve ürettiği atıksuda bulunan biyolojik olarak parçalanamayan kimyasalları ile çevresel etkisi en güçlü proseslerden birisidir.Kağıt endüstrisine ait atıksuların kimyasal oksijen ihtiyacı (200-2000 mg/L) ve biyolojik oksijen ihtiyacı (100-1000 mg/L) değerleri çok yüksektir. Bu nedenle alıcı ortama deşarjı verimli bir arıtımdan sonra olmalıdır. Literatürde farklı endüstrilerin atıksuları için yapılmış elektrokimyasal çalışmalar mevcuttur. Bu çalışma kağıt endüstrisine yönelik yapılmış ilk çalışmadır. Gerçekleştirilen ön deneylerle elektrot türüne karar verildikten sonra Design Expert 6.0 programıyla deneysel optimizasyon yapılmış ve optimum koşullarda reaksiyon kinetiği incelenmiştir.Deneylerde elektrolit olarak daha önceki çalışmalarda kullanılan ve yüksek bir iletkenliğe sahip olan NaCl kullanılmış ve yüksek arıtım verimi ve düşük maliyeti nedeniyle elektrot türü olarak demir seçilmiştir. Kirlilik yükü, elektrolit derişimi ve potansiyel fark sistemin bağımsız değişkenleri olarak belirlenmiş ve bunlara karşılık KOİ giderimi, arıtılan KOİ miktarı, KOİ giderimi ilk hızı, verim, bulanıklık giderimi ve çökelek miktarı tespit edilmiştir. Bağımsız değişkenler Design-Expert 6.0 programına tanıtıldıktan sonra deneysel planlama yapılmış ve tasarlanan deneyler Cevap Yüzey Yöntemi (CYY) kullanılarak optimize edilmiştir.Deneyler sonucunda KOİ gideriminin % 41.12 - % 65.71, arıtılan KOİ miktarının 128.8 mg/L ? 476 mg/L, KOİ giderimi ilk hızının 100.8 mgKOİ/L.h ? 705.6 mgKOİ/L.h, verimin 1.3 kgKOİ/kWh ? 86.8 kgKOİ/kWh, bulanıklık gideriminin % 80.72 - %89.79 ve çökelek miktarının % 3 - %18 aralıklarında değiştiği görülmüştür.Optimizasyon sırasında elektrolit derişimi minimum değerde, kirlilik yükü maksimum değerde ve potansiyel fark programın belirlediği aralıkta tutulmuştur. Buna karşılık % KOİ gideriminin, KOİ giderimi ilk hızının, verimin, bulanıklık gideriminin ve arıtılan KOİ miktarının maksimum, çökelek miktarının ise minimum olması tercih edilmiştir. Optimum koşulların 9.97V potansiyel fark altında % 85.81 'lik kirlilik yüküne sahip atıksuya 5.07 g/L elektrolit eklenmesi ile sağlandığı belirlenmiştir ve bu koşullarda yapılan test deneyinde % 48.94 KOİ giderimi, 386.40 mg/L arıtılan KOİ miktarı, 492.8 mgKOİ/L.h KOİ giderimi ilk hızı, 8.25 kgKOİ/kWh verim, %82.75 bulanıklık giderimi ve %10 çökelek miktarı tespit edilmiştir. Kinetik çalışmalar sonucunda reaksiyon derecesi 1.5, reaksiyon hız sabiti 0.00125 mg(-0.5)/L(-0.5)-dak ve aktivasyon enerjisi 10.860 kj/mol olarak saptanmıştır.Elde edilen sonuçlar literatür için orijinal bir katkı sağlamakla beraber elektrokimyasal arıtımın kağıt sanayi atıksuyuna uygulanabilecek alternatif bir yöntem olduğunu göstermektedir.

Abstract:
In this study electrochemical treatment of the wastewater which is produced in paper industry and which has a complex composition is aimed. Paper industry has a powerful effect on environment with its high amount of water usage per unit product and its wastewater contains chemicals which can not be decomposed biologically. Chemical oxygen demand (200-2000 mg/L) and biological oxygen demand (100-1000 mg/L) of the wastewater in the paper industry have high values and therefore its discharge into receiving waterways must be made after an efficient treatment. There are some electrochemical studies for different industries however this is the first study aimed at paper industry. In the preliminary studies first the electrode type was determined and then experimental optimization was executed. Reaction kinetic was examined at the optimum conditions.Throughout the experiments NaCl which was used in the prior studies and having a high conductivity was used as electrolyte. Iron was selected as electrode with its high treatment efficiency and low cost. Independent variables of the system were determined as loading rate, electrolyte concentration and potential difference. In response to these, COD removal, treated COD amount, initial COD removal rate, efficiency, turbidity removal and precipitate amount were determined. After the independent variables were introduced into Design-Expert 6.0 program, experimental planning was created and then proposed experiments ware optimized with surface response method.After the experiments it was seen that the range of the COD removal, treated COD amount, initial COD removal rate, efficiency, turbidity removal and precipitate amount changes between 41.12% - 65.71%, 128.8 mg/l ? 476 mg/l, 100.8 mgCOD/L.h ? 705.6 mgCOD/L.h, 1.3 kgCOD/kWh ? 86.8 kgCOD/kWh, 80.72% - 89.79% and 3% - 18%, respectively.During the optimization, electrolyte concentration was fixed at its minimum value and loading rate was fixed at its maximum value. Potential difference was kept in the range determined by the program. On the other hand, COD removal, treated COD amount, initial COD removal rate, energy efficiency and turbidity removal were maximized and precipitate amount was minimized. Optimum conditions were accomplished with a loading rate of 85.81 %, electrolyte concentration of 5.07 g/L and potential difference of 9.97 V. It was seen that test experiment performed at these conditions produced 48.94 % COD removal, 386.40 mg/L treated COD amount, 492.8 mgCOD/L.h initial COD removal rate, 8.25 kgCOD/kWh efficiency, 82.75% turbidity removal and 10% precipitate amount. After the kinetic studies were completed, reaction order was determined as 1.5, reaction rate constant was determined as 0.00125 mg(-0.5)/L(-0.5)-min and activation energy was determined as 10.860 kj/mol.In addition to its original contribution to literature, results of this study show that electrochemical treatment can be applied to wastewater of the paper industry as an alternative method.