Degradability of synthetic dyestuff by acoustic cavitation: Impacts of system conditions and physical/chemical agents

Sesüstü dalgaların çevresel uygulama alanında kullanımı yeni bir ileri oksidasyon prosesidir. Kimyasal veya biyolojik arıtım gibi klasik atıksu arıtım yöntemleriyle ayrışması güç olan organik maddelerin indirgenmesinde kullanımı son zamanlarda araştırılmaktadır. Sesüstü dalgaların çevresel problemlerin çözümünde kullanılması sıvı içerisinde mikro ölçekli vakum kabarcıkların oluşumu, büyümesi ve içeri çökerek patlaması olarak tarif edilen akustik kavitasyon prosesine dayanmaktadır. Patlama sırasında yaklaşık 5000 K sıcaklığında, 800 atm basıncında ve soğuma hızı 1010 K sn l olan sıcak noktalar oluşmaktadır. Bu şartlar sonucu meydana gelen fiziksel ve kimyasal etkiler ile organik maddeler indirgenmektedir. Kabarcığın patlaması sonucu su molekülü parçalanarak hidroksil radikallerini oluşturmakta ve meydana gelen bu radikaller giderimi güç olan bileşikleri içeren çevre kirleticilerini oksitleyerek indirgemektedir. Radikal oluşumu sesüstü dalgaların yükseltgenler ve/veya morötesi ışıma ile birlikte kullanılmasıyla arttırılabilir. Bu doktora çalışmasında, 9 adet tekstil boyarmaddesinin saf ve sentetik boya- kazanı çözeltüerinin 3 farklı sesüstü sisteminde (Sistem I: 300 kHz, Sistem II: 520 kHz, Sistem III: 3 x 520 kHz frekanslı) sesüstü ışıma ile tek başına veya kimyasal oksitleyiciler ve/veya UV ışıması ile birlikte kullanılarak indirgenmesi araştırılmıştır. Sistem şartlarının, fiziksel/kimyasal ajanların, boyaların kimyasal özelliklerinin ve boya kazam matrisinin test boyalarının sesüstü dalgalar ile parçalanmasına etkisi incelenmiştir. Sistemlerin performanlan renk, organik madde, zehirlilik, toplam çözünmüş katı madde, toplam organik karbon, kimyasal oksijen ihtiyacındaki azalma ve biyolojik oksijen ihtiyacındaki artma izlenip belirlenmiş ve renk ve organik madde giderimi açısından birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Sistemler boya çözeltisindeki renk giderim hızlarına göre karşılaştırıldıklarında Sistem I > Sistem II > Sistem III olduğu, hesaplanan ürün verimlerine göre karşılaştırıldıklarında ise Sistem II > Sistem I > Sistem III olduğu görülmüştür. Sesüstü dalgalar ile ışıma sırasında farklı gazların sisteme beslenmesi sonucu boya çözeltisinde renk giderimi şu sıradadır: Ar > O2 > Hava. En yüksek renk giderme verimi Ar:02 (% 66 Ar : % 33 02) karışımı ile elde edilmiştir. Kullanılan boyaların tamamında renk giderme hızının boya kasanının içeriğinden çok kimyasal yapı özelliklerine bağlı olduğu saptanmıştır. Antrakinon boyalarda renk gideriminin azo boyalarından daha hızlı olduğu belirlenmiştir. Azo bağının çevresindeki a-grubun renk ağarmasını hızlandırdığı ve reaktif yapıya orto pozisyonda bulunan tek bir OH yan grubuna sahip boyalarda ağarmanın SO3 gibi ikinci bir orto yan gruba sahip boyalara nazaran daha hızlı olduğu gözlenmiştir, iyonik yapılar oluştukça ağarmanın yavaşladığı belirlenmiştir. Boya kazam atıksuyunda renk gideriminin sadece yeterince yüksek karbonat ve klorür iyonu konsantrasyonunda engellendiği saptanmıştır. Sesüsütü ışımaya tabi tutulan boya ve boya kazam çözeltilerinde görünen dalga boyundaki absorbans azalmasının her durumda UY absorbansındaki azalmadan daha fazla olduğu saptanmıştır. Zehirli boyaların zehirliliklerinin sesüstü ışıma ile kısa sürede giderildiği, fakat sesüstü ışımanın çıkış suyunda kimyasal oksijen ihtiyacı ve toplam organik karbon olarak ölçülen genel boya gideriminde tek başına etkili olamadığı ve fiziksel/kimyasal ajanlar ile birlikte kullamlması gerektiği görülmüştür. Sesüstü ışıması ile O3, Fe2+, H2O2, ve/veya UV ışıması birlikte kullanıldığında, boya giderme veriminin her birinin tek kullanıldığı durumlardan çok daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Bu sistemler arasında en etkili sistem sesüstü ışıma/ozon/UV ışımanın beraber kullanıldığı sistemdir. Azo boyalarının hidroksil radikalleri ile reaksiyonunda tahmini ikinci derece hız katsayısı 1.22 x 109 M'1 s'1 olarak hesaplanmıştır. Sistem I, II, ve IH'ün azo boyalarında sesüstü ışıma ile % 45' lik renk giderimi için tahmini işletme giderleri sırasıyla 3.52 USD m'3, 3.37 USD m'3, 9.98 USD m'3 olarak hesaplanmıştır. Sistem IIP ün ozon ile birlikte kullanıldığı durumda işletme gideri 2.57 USD m'3, ve ozonun tek başına kullanıldığı sistemin işletme gideri 3.60 USD m'3 olarak hesaplanmıştır.