Ultrases ve sıfır yüklü metal parti̇külleri̇ (Al0 ve Mg0) i̇le ni̇tratin deni̇tri̇fi̇kasyonu

Tarımsal faaliyetlerde kullanılan azotlu gübrelerin su ile birlikte alıcı ortama deşarjı sonucu yüzeysel ve yeraltı sularının kalitesi bozulmaktadır. Yeraltı suyu kirliliğini oluşturan en önemli azot kirleticilerden birisi nitrattır (NO3-). İnsan sağlığını olumsuz etkilediğinden içme suyu amaçlı kullanılacak olan yeraltı suyundan nitratın giderimi önemlidir. Günümüzde yeraltı sularından nitrat arıtımında en fazla dikkat çeken arıtma proseslerinden birisi kimyasal denitrifikasyondur. Bu yöntem ile Fe0, Al0, Mg0 veya Cu0 gibi metal elementler kullanılarak, nitrat bileşiği nitrit, amonyum veya tercihen azot gazına indirgenmektedir. Yüksek elektrokimyasal potansiyele sahip Al0 ve Mg0 elementleri nitratın indirgenmesi sırasında yüzeyinde oluşan oksit tabakadan ötürü indirgeme potansiyeli azalmaktadır. Tez kapsamında, pH kontrollü ve kontrolsüz olarak ultrasesin mekanik etkileri ve hidroksil radikal oksidasyon reaksiyonları sonucunda Al0 ve Mg0 metal partiküllerin yüzey aktivasyonu sağlanarak nitratın denitrifikasyon kapasitesinin iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Nitrat giderimini iyileştirmek için oksidasyon-redüksiyon potansiyeli, partikül boyutu, toplam yüzey alanı, ve partikül yüzey kimyasında meydana gelen ultrasonik kaynaklı değişiklikler SEM-EDS ve XRD analizleri ile tespit edilmiştir. Düşük frekanslı ultrasonik sistem için deneyler sabit frekans (20 kHz) ve farklı ultrases güç (30 120 W) değerlerinde gerçekleştirilmiştir. Yüksek frekanslı ultrasonik sistem için deneyler sabit güç (15 W) ve farklı frekanslarda (380 1176 kHz) yürütülmüştür. Son olarak nitratın indirgenmesi sırasında oluşan nitrit (NO2-), amonyum (NH4+), azot gazı (N2) gibi ürünler belirlenerek US/Al 0 ve US/Mg 0 arıtımı için en uygun pH, katalizör doz, ultrasonik güç ve frekans değerleri tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, pH kontrol edildiği şartlarda ultrases ile nitrat giderimi elde edilememiş ve sadece Mg0 veya sadece Al0 uygulaması ile sınırlı oranda nitrat giderimi sağlanabilmiştir. Fakat, birleşik (US/Mg0) uygulaması ile nitrat indirgenmesinde sinerjistik etki sağlanmıştır. pH 4'te sadece Mg0 uygulaması ile nitratın içme suyu standartlarında belirtilen seviyenin (10 mg/L NO3--N) altına düşürülebilmesi için gerekli olan arıtma süresi 50 dk bulunmuştur. Aynı şartlar altında (2,5 g/L, pH = 4) birleşik US/Mg 0 arıtımı ile 30, 60 ve 90 W ultrasonik güçlerinde aynı verimin sağlanabilmesi için gerekli olan süre sırasıyla 30, 20 ve 20 dk civarında tespit edilmiştir. Asidik koşullarda pH kontrol edildiği durumda US/Mg 0 tarafından nitratın denitrifikasyonu sonucu oluşan nihai ürünün azot gazı (N2) olduğu belirlenmiştir. Sıfır değerlikli alüminyumun (Al0) bazik (pH 10 ,7 11) ortamda nitrat gideriminde etkili olduğu belirlenmiştir. Al0 partikülü tek kullanıldığında (2,5 g/L) nitrat giderimi yaklaşık %32 civarında nitrat giderimi elde edilmiştir. 2,5 g/L Al0 partikülleri içeren örneklere ultrases 60 dk süreyle uygulandığında 20, 40, 850, 380, 1000 ve 1176 kHz frekanslarda sırasıyla %71, %56, %46, %48, %39 ve %38 oranlarında nitrat giderimi elde edilmiştir. US/Al 0 ile bazik koşullarda pH kontrol edildiği durumda özellikle nitratın denitrifikasyonu sonucu oluşan nihai ürünün amonyum (NH4+) olduğu tespit edilmiştir. pH kontrol edilmediği şartlarda ultrases, magnezyum veya alüminyum partikülünün tekli uygulamalarında nitrat denitrifikasyonu düşük çıkmıştır. Ultrasonik güç ve magnezyum partikül doz değeri arttıkça nitrat giderimi de artmıştır. 1,25 g/L magnezyum doz ve 30 W ultrases güç uygulaması ile nitrat giderimi %15 iken, yine aynı dozda fakat güç 60 W'a arttırıldığında nitrat giderim verimi %50'ye yükselmiştir. 2,5 g/L civarında magnezyum partikülleri içeren örneklere ultrases 30, 60, 90 ve 120 W'larda 60 dk süreyle uygulandığında sırasıyla yaklaşık %25, %56, %70 ve %71 civarında nitrat giderimi elde edilmiştir. Mg0 dozu 5 g/L'ye artırıldığında, 30, 60, 90 ve 120 W güçler uygulandığında nitratın sırasıyla %42, %59, %80 ve %88'i denitrifiye edilmiştir. 90 W ve 5 g/L olan optimum şartlara kadar ultrasonik güç ve partikül dozu arttıkça nitratın azot gazına dönüşümü de artmaktadır. US/Mg 0 ile pH kontrol edilmediği durumda nitratın denitrifikasyonu sonucu oluşan nihai ürünün nitrit (NO2-) ve azot gazı (N2) olduğu belirlenmiştir. Yüksek frekanslı ultrases arıtma sistemleri için farklı magnezyum doz (1,25, 2,5, 5 ve 10 g/L) ve ultrasonik frekans (582, 864 ve 1144 kHz) değerleri kullanılarak nitrat indirgenmesi araştırılmıştır. pH kontrolsüz şartlarda ultrases uygulamaları sonucunda, nitrat giderimi sağlanamamıştır. 1 ,25, 2,5, 5 ve 10 g/L magnezyum dozları içeren örneklerin sonifikasyon uygulamalarında 582 kHz ultrasonik frekansda nitrat giderimi yaklaşık %15, %28, %47 ve %52 civarında bulunmuştur. Bununla beraber, frekans 864 veya 1144 kHz'e arttırıldığında, nitrat giderim verimi azalmıştır. US/Mg 0 ile nitratın denitrifikasyonu sonucu oluşan nihai ürünün nitrit (NO2-) olduğu belirlenmiştir. Birleşik ultrases ve metalik magnezyum (US/Mg0) sistemi ayrıca yeraltı suyu örneklerinde nitrat giderimi için test edilmiştir. Sabit magnezyum doz değeri (2,5 g/L) ve farklı ultrasonik güç değerleri (60, 90 ve 120 W) kullanılarak arıtma işlemleri gerçekleştirilmiştir. Mg0 partikülü (2,5 g/L) içeren örneklere ultrases 60, 90 ve 120 W güçlerinde bir saat süreyle uygulandığında yaklaşık %45, %59 ve %80 oranında nitrat denitrifikasyonu sağlanmıştır. Gerçek yeraltı suyu ve sadece nitrat içeren sentetik su örnekleri ile yapılan çalışmalardan elde edilen sonuçlar benzerlik arz etmiştir. Uygulanan ultrases güç miktarına bağlı olarak azot gazı oluşumu da yine benzer oranlarda gerçekleşmiştir. Birleşik ultrases ve sıfır yüklü magnezyumla nitratın indirgenmesinde ilgili reaksiyonların sinerjistik etkisini açıklamak için ultrases uygulaması öncesi ve sonrasında magnezyum partikül boyut ve yüzey özellikleri incelenmiştir. Yüksek ultrasonik güç ile partikül dış yüzeyinde oluşan kırılma ve oyuklar partikül boyut ve SEM analizleri ile detaylı olarak irdelenmiştir. Yapılan bu ölçümler neticesinde, ultrases uygulaması ile BET yüzey alanının ciddi anlamda arttığı tespit edilmiştir. Diğer taraftan, ultrases uygulaması sonucunda partikül yüzey oksijen miktarındaki azalma EDS analizleri ile net bir şekilde ortaya konmuştur. Ultrases ile partikül yüzey pasivizasyonu etkili bir şekilde sağlanmış ve bunun sonucunda nitratın pH kontrolsüz ortamda indirgenmesi mümkün hale gelmiştir.