Elektrokimyasal yöntemlerle yerinde dezenfektan üretim sistemlerinin performansının incelenmesi ve geliştirilmesi
Investigation and improvement of the performance of in-situ disinfectant production systems by electrochemical methods
Yazar: YEŞİM DEDE SAĞSÖZ
Danışman: PROF. DR. ALPER ERDEM YILMAZ
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Teknolojisi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Amaç: Akıllı kentlerin var olabilmesi için en önemli bileşenlerden biri sürdürülebilir çevre kavramıdır. Sürdürülebilir çevre hedeflerinin gerçekleşebilmesinde ise dezenfeksiyon prosesi önemli bir role sahiptir. Klor ve bileşikleri dezenfeksiyon işlemlerinde en çok tercih edilen kimyasallar arasındadır. Bu bileşiklerin kullanıldıkları yerde üretilmesi, insan ve çevre sağlığı için oldukça faydalıdır. Bu çalışma ile yerinde dezenfektan üretim prosesi geliştirilerek daha sürdürülebilir bir dezenfektan uygulamasının yapılması amaçlanmaktadır.
Yöntem: Deneysel çalışmalar da laboratuvar ölçekli ve pilot ölçekli olmak üzere iki farklı reaktör kullanılmıştır. Laboratuvar ölçekli elektrokimyasal hücre bir adet 70x100 mm F tipi titanyum katot ve bir adet 70x100 mm F tipi IrO2-RuO2 kaplanmış titanyum anot elektrot kullanılarak 200 ml iç hacme sahip şekilde tasarlanmıştır. Laboratuvar ölçekli reaktörde değişken parametrelerin incelenen aralıkları; çözelti pH değeri (5, 7 ve 9), besleme çözeltisi debisi (5, 12,5 ve 20 ml/dk), uygulanan akım şiddeti (5, 10 ve 15 A) olacak şekilde ayarlanmıştır. Pilot ölçekli elektrokimyasal hücre ise; katot materyali olarak 5 adet 80 x 180 mm ebatlarında F tipi titanyum elektrot, anot materyali olarak da 5 adet 80 x 180 mm ebatlarında F tipi IrO2-RuO2 kaplanmış titanyum anotlar kullanılarak 1200 ml iç hacme sahip şekilde tasarlanmıştır. Pilot ölçekli reaktörde değişken parametrelerin incelenen aralıkları; çözelti pH değeri (5, 6,  7, 8), besleme çözeltisi debisi (20, 30, 40, 50 ve 100 ml/dk), uygulanan akım şiddeti (5, 10, 15, 20 ve 25 A) ve tuz çözeltisi konsantrasyonu (1, 2, 3, 4, 5 ve 5,8 M) olacak şekilde ayarlanmıştır. Ayrıca her iki reaktörde de anot elektrottan çıkan klor gazının üretimi ve geri kazanımı ile ilgili çalışmalar yapılmıştır. Çalışmanın son aşamasında ise laboratuvar ölçekli reaktörün anot ve katot elektrotları katyon değiştirici membran ile bölünerek klor ve hidrojen gazı oluşumu üzerine denemeler gerçekleştirilmiştir.
Bulgular: Çalışmalar süresince hem laboratuvar ölçekli hem de pilot ölçekli reaktörde benzer bulgular elde edilmiştir. Akım şiddetinin artışı aktif klor oluşumunu belli bir noktaya kadar artırırken yüksek akım şiddetlerinde reaktörde oluşan dirençten dolayı verimlilik istenilen düzeyde olmamıştır. Debinin artması sabit akım şiddeti altında elektrokimyasal reaktörde kalış süresini azalttığından dezenfektan üretimini olumsuz yönde etkilemiştir. pH parametresi ile yapılan denemelerde en iyi aktif klor üretim verimliliğinin pH 7 değerinde elde edildiği belirlenmiştir. Her iki reaktörde 7700 ppm'in üzerinde aktif klor konsantrasyonu elde edilmiştir. En yüksek miktarda klor gazı oluşumu ise laboratuvar ölçekli reaktörün membran ile bölünmesi sonucunda sağlanmıştır. Membran ile bölünen laboratuvar ölçekli reaktörde ise optimum pH değeri 5 olarak belirlenmiştir. 
Sonuç: Optimum koşullar belirlendiğinde; elektrokimyasal olarak yüksek konsantrasyonlarda dezenfektan üretiminin ve ek olarak Cl2(g), H2(g), NaOH gibi farklı kullanım alanları olan faydalı yan ürünlerin oluştuğu bu prosesin, sürdürülebilirlik bakımından oldukça avantajlı olduğu sonucuna varılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Dezenfeksiyon, Aktif Klor, Dezenfektan, Elektrooksidasyon, Yerinde Dezenfektan Üretimi

Abstract:
Purpose: One of the most important components of the existence of smart cities is the concept of a sustainable environment. The disinfection process has an important role in achieving sustainable environmental goals. Chlorine and its compounds are among the most preferred chemicals in disinfection processes. Producing these compounds where they are used is very beneficial for human and environmental health. This study aims to develop a more sustainable disinfectant application by developing an in situ disinfectant production process.
Method: Two different reactors, laboratory scale, and pilot scale, were used in the experimental studies. The laboratory scale electrochemical cell was designed with an internal volume of 200 ml using one 70 x100 mm F-type titanium cathode and one 70 x100 mm F-type IrO2-RuO2 coated titanium anode electrode. The studied ranges of variable parameters in the laboratory scale reactor are as follows; solution pH value (5, 7, and 9), feed solution flow (5, 12.5, and 20 ml/min), and applied current strength (5, 10 and 15 A). The pilot scale electrochemical cell was designed with an internal volume of 1200 ml using five 80 x 180 mm F-type titanium electrodes as cathode material and five 80 x 180 mm F-type IrO2-RuO2 coated titanium anodes as anode material. The studied ranges of the variable parameters in the pilot scale reactor are as follows; solution pH value (5-8), feed solution flow (20, 30, 40, 50, and 100 ml/min), applied current strength (5, 10, 15, 20 and 25 A) and salt solution concentration (1, 2, 3, 4, 5 and 5.8 M). In addition, studies on the production and recovery of chlorine gas from the anode electrode were carried out in both reactors. In the last stage of the study, the anode and cathode electrodes of the laboratory scale reactor were separated by a cation exchange membrane and experiments on chlorine and hydrogen gas formation were carried out.
Results: During the studies, similar findings were obtained in both laboratory-scale and pilot-scale reactors. While the increase in current strength increased the formation of active chlorine up to a certain point, the efficiency was not at the desired level due to the resistance in the reactor at high current strengths. The increase in flow decreased the residence time in the electrochemical reactor under constant current strength, which negatively affected the disinfectant production. In the experiments with pH parameters, it was determined that the best active chlorine production efficiency was obtained at pH 7. Active chlorine concentration above 7700 ppm was obtained in both reactors. The highest amount of chlorine gas formation was obtained as a result of membrane separation of the laboratory-scale reactor. The optimum pH value was determined as 5 in the membrane-separated laboratory scale reactor.
Conclusion: It is concluded that this process is very advantageous in terms of sustainability when optimum conditions are determined; electrochemical production of high concentrations of disinfectant and the formation of useful by-products such as Cl2(g), H2(g), NaOH which have different usage areas.
Keywords: Disinfection, Active Chlorine, Disinfectant, Electrooxidation, In-Situ Disinfectant Production