Ozon/?-FeOOH partikülleri ile sulardan tetrakloroetilen özelinde klorlu organik gideriminin araştırılması
An investigation on removal of chlorinated organics from water with special reference to tetrachloroethylene by ozone/?-FeOOH particulates
Yazar: AHMET KILIÇ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. AYŞEGÜL LATİFOĞLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Demir oksit = Iron oxide ; Ozon = Ozone ; Ozonlama = Ozonation

Özet:
Bu çalışmada, katalitik ozonlama işlemi ile sulardan klorlu organik madde giderimiaraştırılmıştır. Ozonun katalizörü olarak demir oksit (goethite, ?-FeOOH)partikülleri, model klorlu organik olarak tetrakloroetilen (perkloroetilen, PCE)kullanılmıştır. Çalışmalar üç bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde, çalışmalarınyürütüldüğü geri döngülü reaktörün tam karışımlı-kesikli reaktör koşullarındaçalıştırılabilmesi için gerekli şartlar tespit edilmiştir. İkinci bölümde, tetrakloroetileniçeren sularda ozonun demir oksit partikülleri üzerinde katalitik olarak ayrışması veozon/?-FeOOH kombinasyonunun tetrakloroetilen giderimine olan etkileriaraştırılmıştır. Üçüncü bölümde ise, ozon/?-FeOOH kombinasyonunun sudantetrakloroetilen giderimi ile ilgili reaksiyon mekanizması önerilmiş, önerilenreaksiyon mekanizması baz alınarak ozonun ayrışması ve tetrakloroetilen giderimiile ilgili kinetik çalışmalar yapılmıştır.Reaktör içeriğinin herhangi bir anda homojen olarak çalışmasını sağlayaraksistemin tam karışımlı-kesikli reaktör olarak tanımlanabilmesi için reaktörüniçerisindeki karışımın katalizör üzerinden her bir geçişteki dönüşümü çok küçüktutulmuştur (< % 1). Katalizörün üzerinden geçiş başına dönüşümün çok küçüktutulması ise yüksek çevrim hızları ile sağlanmıştır. Deneylerde kullanılan çevrimhızı metodolojik bir yaklaşım ile 3 L/dk olarak tespit edilmiştir.Ozon/?-FeOOH işlemi ile sudan tetrakloroetilen giderimi bireysel ozonlamaya göreçok daha etkilidir. Tetraklorotilen içeren sularda, ozonun demir oksit partikülleri ilekatalitik ayrışma hızının birinci dereceden reaksiyon kinetiğine uygun olduğugörülmüştür. Tetrakloroetilen, demir oksit üzerinde adsorplanmamıştır ve giderimisu fazında oluşan olası radikal reaksiyonları ile gerçekleşmiştir. Demir oksitdozajlarının artması ile birlikte ozonun ayrışma hızı ve buna bağlı olaraktetrakloroetilen giderim hızı artmıştır. Ozon dozajları ile ozonun ayrışma hızıazalmış, başlangıç tetrakloroetilen giderim hızları artmıştır. Öte yandan, yüksekozon dozajlarında reaksiyon sonundaki giderim verimlilikleri anlamlı bir farklılıkgöstermemiştir. Tetrakloroetilen (PCE) ve inorganik karbon(CT)konsantrasyonlarındaki artış, ozonun ayrışmasını ve tetrakloroetilen gideriminiazaltmıştır. Hümik asit konsantrasyonlarının ozonun katalitik ayrışmasınıhızlandırdığı gözlenirken; düşük hümik asit konsantrasyonlarında tetrakloroetilengiderimininin arttığı, yüksek konsantrasyonlarda ise azaldığı görülmüştür. pHarıtışının ozonun ayrışması ve tetrakloroetilen giderimini artırdığı görülürken, buartışın pH 8'de daha fazla olduğu gözlenmiştir.Ozon/?-FeOOH işlemi için ozonun katalitik ayrışması ve tetrakloroetilen gideriminiaçıklamaya yönelik olarak bir reaksiyon modeli ileri sürülmüştür. Önerilen modelbaz alınarak kinetik bir model oluşturulmuş ve Runga-Kutta yöntemi ileçözülmüştür. Modelin sayısal çözümüyle elde edilen sonuçlar ve laboratuvarkoşullarında elde edilen deneysel sonuçlar farklı demir oksit dozajları,tetrakloroetilen dozajları ve farklı pH koşulları için karşılaştırılmıştır.Karşılaştırmalar, model sonuçlarının, ozon ve tetrakloroetilen dönüşümlerinideneysel sonuçlar ile benzer eğilimlerde açıklamıştır.Anahtar Kelimeler: Katalitik ozonlama, ozon, demir oksit, klorlu organik,tetrakloroetilen, reaksiyon mekanizması, kinetik model

Abstract:
In this study, catalytic ozonation process was investigated for the removal ofchlorinated organic substance from water. Iron oxide (goethite, ?-FeOOH) andtetrachloroethylene (perchloroethylene, PCE) were used as an ozone catalyst andmodel chlorinated organics, respectively. The study comprised three parts. In thefirst part of the study, the necessary conditions were determined for the recycledflow reactor to be operated under the completely mixed reactor mode. Catalyticconversion of ozone by the iron oxide particulates and the effect of ozon/?-FeOOHon the removal of tetrachloroethylene were investigated in the second part of thestudy. In the third part of the study, reaction mechanism was proposed for theremoval of tetrachloroethylene by ozone/?-FeOOH and kinetic studies related tothe ozone and tetrachloroethylene decomposition were conducted based on theproposed reaction model.For each recycling of the mixture over the catalyst, the conversions of ozone andtetrachloroethylene were achieved to be extremely small (< %1) to providehomogenous mixture in a completely mixed reactor. The small amount ofconversion was maintained by recycling the mixture at a high rate. Recyling ratethat was determined by using a specific methodological approach was defined tobe 3 L/dk .Ozon/?-FeOOH process was more effective for the removal of tetrachloroethylenethan individual ozonation. Catalytic decomposition of ozone by iron oxideparticulates was observed to be a first order reaction in the tetrachloroethylenesolutions. Tetrachloroethylene did not adsorp on the iron oxide and removal wasachieved by the radical reactions occuring in the aqueous phase. Increase in ironoxide dosages increased the ozone and tetrachloroethylene decomposition rates.Increase in ozone dosages decreased the ozone decomposition rates. Although,initial decomposition rates of tetrachloroethylene were increased by the increase inozone dosages, removal efficiencies were not significantly different from eachother at the end of the reaction for the higher ozone dosages. Ozone conversionand tetrachloroetylene removal were reduced by the increase in tetrachloroetyleneand inorganic carbon concentrations. Ozone catalytic conversion was observed tobe increased by the increase in humic acid concentrations. Tetrachloroethyleneremoval was improved initially by the increase in humic concentration. By thefurther increase in the humic amount, the removal of the contaminant wasreduced. Ozon and tetrachloroethylene decompositions were increased by theincrease in pH and reached a maximum value at pH=8.Reaction model was proposed to indicate the catalytic decomposition of ozoneand tetrachloroethylene for ozon/?-FeOOH process. Based on the proposedmodel, a kinetic model was derived and solved by a Runga-Kutta method.Validity of the proposed model was tested by comparing the model predictions bythe experimental results at various iron oxide dosages, tetrachloroethyleneconcentrations and pH values. The model predicted similar trends with theexperimental results for ozone and tetrachloroethylene decompositions.Keywords: Catalytic ozonation, ozone, iron oxide, chlorinated organics,tetrachloroethylene, reaction mechanism, kinetic model