Kolagülasyon ve Flokülasyon

Kimyasal Yumaklaştırma
Kimyasal yumaklaştırma (koagülasyon), sularda bulunan ve kendi
ağırlıkları ile çökelemeyen kolloid boyutundaki (10-3 -1 µm)
katı parçacıkların çeşitli kimyasallar yardımıyla çökebilir hale
getirilmesi işlemi olarak kısaca tanımlanabilir. bu işlemin
ikinci adımı ise büyüyen taneciklerin birleşerek çökmesinin
sağlandığı flokülasyon işlemidir.
İçme suları veya atıksulardaki
- Anyonik ve organik bileşiklerin giderilmesi
- Renk ve bulanıklık giderilmesi
- Tad ve koku oluşturan maddelerin giderilmesi
- Alg ve zararlı mikroorganizma türlerinin giderilmesi için sıklıkla
tercih edilen yöntemlerdendir.
Kolloidler suya çeşitli yollarla dahil olabilirler. Katı parçacıkların
sıvı içerisinde bulunduğu katı-sıvı sistemleri soller olarak
isimlendirilir.
Kolloidlerin özellikleri
Kolloidal dispersiyon sözkonusu olduğunda stabilite veya
kararlılık terimi kullanılır. Buradaki kararlılık; kolloid
maddenin çökmeye veya filtrelenmeye karşı gösterdiği direnç
olarak tanımlanabilir.
Kolloidin kararlılığı; tanecik boyutuna, elektriksel özelliklerine
kimyasal yapısına bağlıdır. Ayrıca dispersiyon ortamının
kimyası (iyonik gücü, pH ve organik içeriği) da kararlılığı
etkiler.
Kolloidleri gidermek için kararsızlaştırmak gerekir.
Kolloidlerin yüzey alanları kütlelerine oranla çok büyüktür.
Örneğin; 1 kenarı 1 cm olan bir küp, 10 nm’lik küplere
dönüştürülürse yüzey alanı 6 cm2’den 600 m2’ye çıkar. Bu
yüzden kolloidal maddelerin davranışlarını kontrol ederken
yüzey alanları baskındır.
Kolloidin özellikleri
Kolloidal partiküllerin kütlesi, yerçekiminin ihmal
edilebileceği kadar küçüktür.
Katı taneciklerin oluşturduğu kolloidlerin ortamdaki sıvı
moleküllerine karşı ilgili olması (liyofilik) veya olmaması
(lipofilik) olarak tanımlanır.
Birçok kolloidin suya olan ilgisi, parçacık çevresinde polar
özellik taşıyan –OH, COOH ve NH2 gibi grupların varlığı
nedeni ile olur.
Hidrofilik partikülün etrafını saran bu su tabakası “hidrasyon
suyu” veya “bağlı su” olarak isimlendirilir. Hidrofilik
kolloidler bağlı su ile birlikte irileşmiş olarak hareket ederler.
Hidrofobik kolloidler ise bağlı su kütlesine sahip değildirler.
Genellikle organik kolloidler hidrofilik, anorganik kolloidler
hidrofobik özellik gösterirler.
Kolloidler genellikle davranışlarını etkileyen elektrik yüklere
sahiptir. Partikül yüzeyinde bulunan yükler elektriksel bir alan
oluştururlar. Bu yükler birincil yük olarak tanımlanır. birincil
yük iki nedenle oluşur
Partikül yapısını oluşturan moleküllerin uç kısımlarındaki
reaktif grupların iyonik açıdan aktifleşmesi
Su içinde dağınık halde bulunan bazı iyonların adsorbsiyon ile
kolloid üzerine yapışması
Hidrofilik kolloid partiküller üzerindeki birincil yükler –
COOH ve NH2 gibi polar grupların ayrışması ile olur.
Zwitter İyonu
COOCOOH
OH
COOOH
R
R
H+
H+
NH2+
NH2+
İzoelektrik nokta
R
NH2OH
pH
Belli bir pH değerinde (izoelektrik nokta) her iki grupta iyonize
olur. Nötral durumdaki bu molekül “zwitter iyonu” olarak
bilinir
İzo elektrik noktadan itibaren pH’daki artış hidrate amino
gruplarının iyonizasyonunu baskılar ve taneciğin negatif yük
kazanmasına neden olur. pH’da oluşan azalmalar ise
karboksilik grubun iyonizasyonunu bastırır ve taneciğin pozitif
yüklenmesine neden olur.
Hidrofobik partiküllerin birincil yükleri, üzerinde adsorbladıkları
iyonlara bağlıdır. Bu adsorbsiyonunun belli bir mekanizması
yoktur. pH değişimi ile ortaya çıkan H+ ve OH- gruplarının
adsorbsiyonu nedeniyle birincil yükler oluşabilir.
Çift Tabaka ve Zeta potansiyeli
Kolloidlerin kararlılığı sahip oldukları yüzeysel elektriksel yüke bağlıdır.
Tanecik yüküne bağlı olarak yakın çevresi tanecik ile zıt yüklü iyonlarla çevrilir.
Buna sabit tabaka veya stern tabakası denir.
Tanecik yüzeyinden uzaklaştıkça elektriksel çekim azaldığından zıt yüklü iyonların
arasına, aynı yüklü iyonlarda karışabilir. Ve tanecikten belli bir mesafe sonra
elektriksel potansiyel sıfırlanır. Bu mesafe izoelektrik nokta olarak adlandırılır.
Sabit tabakanın bitişinden izo elektrik noktaya kadar olan mesafeye de dağınık tabaka
veya difüze tabaka denir.
Taneciğin yüzeyine yakın olan ve tanecikle birlikte hareket eden bir sınır düzlemi
vardır bu düzleme de kesme düzlemi denir.
Kesme yüzeyindeki elektriksel potansiyel ile izoelektrik nokta arasındaki potansiyel
farkına Zeta Potansiyeli denir.
Kolloid çevresindeki çift tabakanın kalınlığı elektriksel çekim kuvvetleri ve
difüzyona bağlı olarak değişir. Zıt yüklü iyonların derişimi taneciğe yakın
yerlerde yüksektir, tanecikten uzaklaştıkça çekim kuvvetinin azalmasında
dolayı zıt yüklü iyonların derişimi azalır, aynı yüklü iyonlara da rastlanır.
Yüksek iyonik güce sahip sularda taneciğin etrafındaki elektriksel çift
tabaka net olarak sıkıştırılabilir. Böylece tanecik daha küçük bir hacim
işgal eder. Aynı yüke sahip benzer kolloidal tanecikler birbirine
yaklaştığında, elektriksel çift tabakaları etkileşim haline geçer. Sahip
oldukları benzer yükler yaklaştıkça itme kuvvetinin etkisinde kalır.
Bununla birlikte tanecikler, moleküllerarası çekim kuvveti olan Van der waals
kuvvetleri ile de birbirini çekmeye başlar. Bütün moleküller ve kolloidler
yükleri ve bileşimleri dikkate alınmaksızın bir çekim kuvvetine sahiptir. Bu
çekim kuvvetinin büyüklüğü; taneciğin yoğunluğunun ve bileşiminin
bir fonksiyonudur. Sulu fazın bileşiminden bağımsızdır. Van der waals
kuvvetleri tanecik yüzeyinden uzaklaştıkça azalır.
Şekilde; iki partikül arasındaki mesafenin bunların arasında etkili olan net
kuvvete etkisi gösterilmiştir.
Kolloidler su içinde Brownian hareketle hareket ederler. Aynı yüklü iki kolloid
bir arada olduklarında birbirlerini itmek isterler. Çekme kuvveti ise Van der
Waals kuvvetleri ile Brownian hareketlerinden doğan kinetik enerjiden dolayı
ortaya çıkar
Tanecikler birbirine yaklaştığında artan itme kuvvetine karşılık,
enerji engelini aşacak kadar yeterince yakınlaştığında van
der waals kuvvetleri etkin duruma geçer. Böylece
partiküller birarada kalabilirler. Eğer kolloidleri
kararsızlaştırmak ve biraraya getirmek için, var olan enerji
engelini aşabilecek kinetik enerjinin sağlanması veya enerji
bariyerinin düşürülmesi gerekir.
Enerji engelini yenemeyen kolloidler birleşemezler. Bu
nedenle çeşitli yöntemlerle engeli azaltmak uygun olabilir.
Kolloidlerin enerji engelini aşarak yumaklaştırılması için dört
temel mekanizma vardır.
1-Kaynama, 2-Dondurma, 3-Elektrolitlerin ilavesi ve 4-Ters
yüklü kolloid ilavesi ile elektrik yükünün nötralize edilmesi
ile çökeltme.
Kolloidin denge durumu
Kolloidin yapısını uzun süre koruması onun dengeli
olduğunu ve çöktürülmesinin zor olduğunu gösterir
Dengeli bir kolloide etki eden elektrostatik çekme ve
itme kuvvetleri dengededir.
Çekme kuvvetleri moleküller arası van der waals
kuvvetleri
İtme kuvvetleri; hidrofobik sistemde zeta
potansiyelinden, hidrofilik sistemde ise zeta
potansiyeline ilave olarak, parçacığı çevreleyen su
kütlesinden de etkilenir. Bağlı su elektriksel bir
yalıtkan gibi davranır ve taneciklerin birbirine
yaklaşmasını engeller.
Zeta potansiyelinin azaltılması ve kolloidlerin
destabilizasyonu
- Kolloidlerin zeta potansiyeli, sistemin pH’sını izoelektrik
noktaya ayarlayarak azaltılabilir. İzoelektirik noktada birincil
yük sıfırdır ve zeta potansiyelini oluşturmak üzere çift tabaka
mevcut değildir.
- Zeta potansiyelini azaltmanın bir yolu da kolloidlerle zıt yüklü
iyon veya kolloidlerin eklenmesidir. Böylece kesme
düzlemindeki yük (zeta P.) düşer. Kolloidlerle “karşılıklı
yumaklaşma”, iyonlarla sabit veya dağınık tabakada bu zıt
yüklü iyonların çoğalması nedeni ile yumaklaşma olur.
- İyonlarla yumaklaşma da eklenen iyonun değerliği önemlidir.
- Hidrofilik kolloidler için zeta potansiyelini azaltmaya ilave
olarak, taneciği çevreleyen bağlı suyunda uzaklaştırılması
gerekir. Bu amaçla yoğun tuz ilave edilir. Bu tuzların en
önemlileri SO42-,Cl-,NO3-,I- anyonlarını içerenlerdir. Suya çok
duyarlı olan bu anyonlar kolloidlerdeki bağlı suyu alırlar
Kolloidlerin destabilizasyonunda dört farklı mekanizma
sözkonusudur
- Çift tabakanın sıkılaştırılması
- Adsorbsiyon ve yük nötralizasyonu
- Çökelek içinde tutma
- Adsorbsiyon ve tanecikler arası köprü oluşumu
İçme sularının arıtılmasında yumaklaştırma yöntemi
Doğal sulardaki askıda katı maddelerin çoğu kolloidal yapıdadır
Kolloidal maddeler negatif yüklüdür,bu yüzden yumaklaştırıcı
olarak +3 değerlikli alüminyum ve demir kullanılır.
Bu elementlerin sülfat veya klorür bileşikleri suya eklenir ve
sudaki alkalinite ile birleşerek metal hidroksitleri oluşturur.
Oluşan metal hidroksitler normal pH değerlerinde az çözünen
ve çökebilen özelliğe sahiptirler. Çökeltiler beraberinde
biraraya gelen kolloid birikimlerini de çökeltirler.
Sistem uygun bir hızda karıştırıldığında, irileşen askıda
parçacıklar çökelebilen parçacıklarla çarpışarak onlara yapışır
veya oluşan doku içinde tutulur. Böylece büyüyen flokların bir
parçası haline gelir.
İnce kolloidler, sadece bu mekanizma ile çöktürülemezler, negatif
yüzey yüklerinin mutlaka pozitif yüklerle dengelenmesi ve
zeta potansiyellerinin 0’a indirgenmesi gerekir.
Metal hidroksit reaksiyonları
B m An + mnOH
−
→ mB (OH ) n + nA m −
Kolloidlerin zeta potansiyellerini giderebilmek için,
metal hidroksitin az miktarda hidrolizi yeterlidir.
B ( OH
)n ⇔
B
n+
+ nOH
−
Bu hidroliz sonucu oluşan yüksek değerlikli katyonlar
kolloidlerin çift tabakasına girerek zeta potansiyelini
nötrler. Böylece kolloid elektriksel itme gücünü
kaybeder ve kolaylıkla flok yüzeyine adsorblanır.
Suların arıtılmasında en çok kullanılan yumaklaştırıcı
Al2(SO4)3.14(H2O) yani alümdür.
Alüminyum sülfat suya eklendiğinde moleküler SO42’ye Al3+’ya ve Al(OH)2+, Al(OH)3 ve Al(OH)4- gibi
çeşitli alüm hidroliz komplekslerine ayrışır.
Bunlardan Al(OH)3 normal pH’larda çok az çözünen ve çökebilen
bir maddedir. Çökerken ortamda bulunan kolloidal
maddeleride beraberinde çökeltir.
Al3+ +
kolloid
Al
kolloid
İnce kolloidler bu mekanizma ile çöktürülemeyeceğinden negatif
yüzeysel yüklerin mutlaka pozitif yüklerle karşılanması ve
böylece zeta potansiyelinin sıfıra indirilmesi gerekir.
Oluşan pozitif türlerin kolloidal partikül üzerindeki yükü
nötralize etmek için diğer negatif yüklü ince kolloidlerle
birleşmesini sağlamak gerekir. Böylece taneciğin zeta
potansiyeli sıfıra indirgenir.
Elektriksel itme gücünü kaybeden kolloid oluşan flokların
yüzeyine adsorblanarak birlikte çöker.
- Kullanılan yumaklaşma maddesi için suyun pH’sı hangi
hidroliz türünün baskın olacağının belirlenmesinde
önemlidir. Örneğin düşük pH değerlerinde pozitif
yüklenmiş olanlar daha baskındır.
- Koagülasyon mekanizması bir çok prosesle
açıklanmaya çalışılmasına rağmen, aslında oldukça
karmaşık ve bir çok etkenin bir arada gerçekleştiği bir
süreçtir. Koagülasyon sürecinde gerekli olan tüm
reaksiyonların gerçekleşmesi için çözeltiye eklenen
alüminyum sülfatın tüm türlerinin kolloid maddelere
kısa zamanda temas etmesi gerekir.
- Öncelikle hızlı karıştırma ünitelerinde kısa bir
süre (10 s) karıştırıldıktan sonra, yavaş
karıştırma ile 20-30 dk kolloidlerin bir araya
gelmesi sağlanır. Böylece çökelebilecek kadar
büyürler.
- Hızlı karıştırmanın hızı ve süresi koagülant
maddenin çözeltideki kolloid maddelerle tam
etkileşmesini sağlayıp floklar oluşturacak
kadar olmalıdır.
- Yavaş karıştırmanın hızı ise oluşan flokların
birleşmesini sağlayacak kadar hızlı, flokların
kırılmaması için de yeterince yavaş olmalıdır.
Yumaklaştırıcı yardımcıları -polielektrolitler
Sadece metal tuzlarının ilavesi ile çöktürmenin zor olduğu
durumlarda floklaşmayı hızlandırmak için aktif silika ve
polielektrolitler ilave edilir.
Aktif silika negatif yüklü bir sol’dür ve pozitif yüklü metal
hidroksitlerin floklaştırılmasında yardımcı olur.
Uzun zincirli karmaşık organik molekül yapısına sahip
polielektrolitler üzerinde aktifleşebilen ya (+) ya da (-) uçlar
bulunmaktadır. Hidrolizle birlikte bu uçlar iyonlaşır ve zıt
yüklü kolloidleri çekerek kendine bağlar.
Polielektrolitler koagülant yardımcısı olarak kullanılabildiği
gibi, direkt koagülant olarak da kullanılabilir.
Polielektrolit kullanımı:
Polielektrolitler suda çözünen yüksek molekül ağırlıklı
polimerlerdir. Çözündüklerinde yüksek değerlikli iyonlar
veren gruplara sahiptir. Karboksil grubu gibi çözündüğünde
negatif yüklü polimer iyonları verenler anyonik, amino
grupları içeren ve çözündüğünde pozitif yüklü iyonlar
verenleri ise katyonik olarak tanımlanır. her iki iyon türünü de
içerenlere noniyonik polielektrolit denir. Eğer partiküler
madde (-) yüklü ise bu durumda katyonik Polielektrolit
kullanmak gerekmektedir.
Polielektrolit, koagülantlarla birlikte kullanıldığında gayet çabuk
çökelen, büyük ve yoğun pıhtılar teşkil ederler. Sıkışmadan
dolayı oluşacak çamur miktarı da daha stabil ve hacimce daha
azdır. Polielektrolit kullanılması ile birlikte koagülant miktarı
da düşmektedir. Bazı durumlarda tek başlarına kullanılmaları
da yeterli gelmektedir.
Kullanılmış suların arıtılmasında kullanımı
Petrol sanayii, kağıt hamuru sanayii, deri sanayii, tekstil sanayii
atıksularının arıtılmasında koagülasyon kullanılabilir.
Artıma tesislerinden gelen çamurun yoğunlaştırılmasında kullanılır. Bu
sulu çamurlar, hidrofilik mikroorganizmalardan oluşmaktadır.
Koagülantların ilavesi ile bu bağlı suyun mikroorganizmadan
ayrılması sağlanarak çökelmesi kolaylaştırılır ve koyulaştırılır.
Çürütülmüş çamurlarda ortamda bulunan bikarbonat iyonları ile
koagülant aşağıdaki çökelme tepkimesini verir
FeCl3 + 3NH 4 HCO3 → Fe(OH ) 3 ↓ +3NH 4 Cl + 3CO2
Burada bikarbonatlar suyu tamponlar ve demir(3)hidroksitin çökelme
yeteneğini düşürür. Bu yüzden ortama OH- iyonları ilave ederek
bikarbonatlar giderilir ve pH düşürülür.
Koagülasyon bazen ileri derecede dezenfeksiyon gerektiğinde ortama
kireç (Ca(OH)2) eklenerek hem katı maddeler çökeltilir hem de
dezenfeksiyon sağlanır.
Jar Testi
Koagülasyon ve flokülasyon yöntemi ile bir atıksuyun
verimli olarak arıtılabileceği bir arıtma ünitesi
yapmak için öncelikle laboratuar analizleri yapmak
gerekir. Bu testlere Jar (kavanoz) testi denir. Bu test
yardımıyla
Koagülant türü ve dozu
pH ayarlaması
Karıştırma hızı ve süresinin
optimizasyonu yapılır.
Kimyasal yumaklaştırma verilerinin çevre
mühendisliği uygulamalarında değerlendirilmesi
İçme suyu arıtılmasında suya renk ve bulanıklık veren
maddeleri gidermek için filtrasyon işleminden önce
kullanılır.
Deri, kağıt ve dokuma sanayi atık sularının arıtılmasında
kullanımı düşünülmektedir.
Bazı sanayi atıksularında bulunan ağır metallerin
giderilmesinde önemli bir yöntemdir.
Fosfat giderilmesinde kullanılabilir.
Yumaklaştırma sırasında oluşan floklar çökeltme veya
filtrasyon ile sulardan uzaklaştırılırlar.