Farklı sınıf tekstil boyalarının elektrokimyasal yöntemler ile arıtımında proses optimizasyonu ve suyun yeniden kullanımının incelenmesi
Optimization the treatment of different classes of textile dyes by electrochemical methods and investigation of reuse the treated water
Yazar: HİLAL GÜNDOĞDU
Danışman: PROF. DR. ORHAN TANER CAN ; PROF. DR. GAMZE VARANK
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Elektrokoagülasyon = Electrocoagulation ; Elektrooksidasyon = Electrooxidation ; Renk giderme = Decolorization ; Tekstil atıkları = Textile waste ; İleri oksitlenme süreçleri = Advanced oxidation processes

Özet:
Tekstil endüstrisinde kumaş ve ipliklerin kalıcı olarak renklendirilmesinde kullanılan boyar maddelerin bir kısmı (yaklaşık %30) sabitlenmeden atıksuya geçmektedir. Bu atıksu yoğun renk konsantrasyonu, değişken pH değerleri ve tuz içeriği ile dikkat çekmektedir. Boyama atıksularında yoğun renk konsantrasyonuna sebep olan boyar maddelerin, kompleks polimer yapıları sebebiyle, biyolojik olarak parçalanabilirliği kısıtlıdır ve bu bileşiklerin istenen seviyede giderimi için yenilikçi arıtma teknolojilerine ihtiyaç duyulmaktadır.
Bu çalışmada, farklı sınıf tekstil boyalarının elektrokimyasal yöntemler ile arıtımında suyun yeniden kullanımının incelenmesi amacıyla boya ve elektrolitten oluşan çözeltiler hazırlanmıştır. Boyar maddenin, tekstil endüstrisinde suyun yeniden kullanımına etkisinin incelenmesi amacıyla tasarlanan deneylerde, asit ve bazik boyar madde sınıflarına ait Acid Black 172 (AB172) ve Basic Red 46 (BR46) boyar maddeleri kullanılmıştır. Boya çözeltilerinden renk giderimi için elektrokimyasal yöntemlerden elektrokoagülasyon (Fe ve Al elektrotlarla) ve elektrooksidasyon (Ti/RuO2-IrO2, Ti/IrO2-Ta2O5 ve BDD anotlarla) prosesleri optimize edilmiş ve arıtılan suyun yeniden kullanımı araştırılmıştır. Boyar madde giderimine etki eden parametreleri optimize etmek amacıyla Cevap Yüzey Yöntemi – Box Behnken Design (BBD) uygulanmıştır. BBD deneysel tasarımını gerçekleştirmek için Design Expert 11.0.1.0 yazılım programı kullanılmıştır. Elektrokoagülasyon (EC) ve elektrooksidasyon (EO) prosesleri işletme parametreleri olan başlangıç pH değeri, uygulanan akım değeri ve reaksiyon süresi bağımsız değişken olarak, AB172 ve BR46 boyar maddelerinin giderim verimleri model cevapları olarak seçilmiştir. Model uygunluğunun kontrolü ve veri analizi için varyans analizi (ANOVA) kullanılmıştır.
Sonuç olarak, BR46 boyar maddesi için EO prosesinde Ti/RuO2-IrO2 elektrot kullanılması durumunda, AB172 boyar maddesi için ise EC prosesinde Al elektrot kullanılması durumunda renk giderimi ve dolayısıyla suyun geri kazanılabilirliğinin daha yüksek olduğu görülmüştür. Optimum şartlarda yürütülen deneylerde boyar madde bazında en yüksek giderim verimleri AB172 boyar maddesi için EC prosesi ile %93,4 iken; BR46 boyar maddesi için EO prosesi ile %94'tür. Ayrıca EC prosesi ile AB172 boyar madde gideriminin daha düşük enerji sarfiyatına sahip olduğu görülmüştür. Değerlendirmeler göstermektedir ki geliştirilen modeller uygulanarak en yüksek giderim verimlerinin elde edilebileceği optimum şartlar belirlenebilir.
Elektrokimyasal yöntemler ile deney şartlarına (pH, akım, reaksiyon süresi, elektrolit türü ve konsantrasyonu vs) bağlı olarak renk parametresinin neredeyse tamamen giderilebildiği görülmüştür. Elektrokimyasal yöntemlerden elektrokoagülasyon, elektrooksidasyona kıyasla, daha kısa reaksiyon süresinde boyar madde giderimi sağlamıştır ancak, elektrokoagülasyon prosesinde bertaraf edilmesi gereken flok boya çamurları oluşumu göz ardı edilmemelidir. Nihai olarak boyar madde gideriminde elektrokimyasal yöntemler arıtılmış boyama atıksularının yeniden kullanımı için umut vaat eden prosesler olup, su tasarrufunun yanı sıra tuz geri kazanımı ve boyar madde tasarrufu da sağlayabilmektedir.

Abstract:
Dyes are used in the textile industry for the permanent coloring of fabrics and yarns. Certain amount of the dye (almost %30) applied during the coloring of the fabric may pass into the wastewater without being fixed. This wastewater remarks with its intense color concentration, variable pH values and salt content. The biodegradability of dyestuffs, which cause intense color concentration in dyeing wastewater, is limited due to their complex polymer structure, and innovative treatment methods are needed to remove these compounds at the desired level.
In this study, synthetic solutions consisting of dye and electrolyte were prepared in order to examine the reuse of water in the treatment of different classes of textile dyes by electrochemical methods. Acid Black 172 (AB172) and Basic Red 46 (BR46) dyestuffs belonging to acid and basic dyestuff classes were used in the experiments designed for determining the effect of dyestuff on the reuse of water in the textile industry. Electrocoagulation (with Fe and Al electrodes) and electrooxidation (Ti/RuO2-IrO2, Ti/IrO2-Ta2O5 and BDD anodes) processes were optimized and water reuse was investigated. Response Surface Method – Box Behnken Design (BBD) was applied to optimize the parameters affecting dyestuff removal. The Design Expert 11.0.1.0 software program was used to perform the BBD experimental design. Initial pH value, applied current value and reaction time, which are operating parameters of EC and EO processes, were chosen as independent variables, and the removal efficiencies of AB172 and BR46 dyestuffs were chosen as model responses. Analysis of variance (ANOVA) was used for checking model fit and data analysis.
As a result, when Ti/RuO2-IrO2 electrode is used in the EO process for BR46 dyestuff, and Al electrode is used in the EC process for AB172 dyestuff, it has been observed that color removal and thus water recovery are higher. In the experiments carried out under optimum conditions, the highest removal efficiencies on the basis of dyestuff were 93.4% with the EC process for AB172 dyestuff; for BR46 dyestuff, it is 94% with EO process. In addition, it has been observed that AB172 dyestuff removal with the EC process has lower energy consumption. Evaluations show that the optimum conditions for obtaining the highest removal efficiencies can be determined by applying the developed models.
It has been observed that color was removed almost completely by electrochemical methods depending on the experimental conditions (pH, current, reaction time, electrolyte type and concentration etc.). Electrocoagulation, one of the electrochemical methods, provided dyestuff removal less reaction time than electrooxidation, but the formation of dye flocs which must be disposed in the electrocoagulation process, should not be ignored. As a result, electrochemical methods in dyestuff removal are promising processes for the reuse of treated dyeing wastewater and can provide salt recovery and dyestuff savings as well as water recovery.