Determination Of A Low-cost Agent For Sulfate Removal In Anodic Oxidation Process

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2015Bu çalışmada alüminyum profil üretimi yapan ve eloksal prosesi kullanan bir alüminyum fabrikasının asidik atık suyundaki sülfatın kimyasal çöktürme yöntemi ile arıtılması konusu incelenmiştir. Çalışmanın amacı, Bilecik 1. Organize Sanayi Bölgesi’nde bulunan bir alüminyum fabrikasının eloksal prosesi sonucu ortaya çıkan ve yaklaşık 7000 mg/L sülfat içeren atıksuyunun daha ekonomik ve çevreye daha az zararlı şekilde arıtılmasıdır. Fabrika halihazırda kullandığı kimyasal tipi ve miktarı ile atıksudaki sülfat miktarını yaklaşık 2000 mg/L’ye düşürebilmektedir. Uygulanan şekliyle yöntem hem fazla maliyet getirmekte, hem de istenilen arıtım sonuçlarına ulaşılamamaktadır. Bu çalışmada kullanılan kimyasal miktarının düşürülmesi ve kimyasal tipinin alternatif kimyasallarla değiştirilmesi ile maliyetlerin düşürülmesi ve çıkan atığın kirlilik yükünün azaltılması amaçlanmıştır. Eloksal kelimesi Türkçe’ye Almanca “elektrolytische Oxidation von Aluminium” kelimelerinin ilk iki harflerden oluşan kısaltmadan geçmiş olup, dünya literatüründe anodik oksidasyon (anodic oxidation) olarak bilinmektedir. Eloksal işlemi dekorasyon, mimari uygulamalar ve endüstriyel uygulamalar için istenen özellikte ürün elde edilen, alüminyum ürünlere uygulanan en önemli yüzey işlemlerden biridir. Eloksal sistemi çeşitli yöntemlerle külçeden elde edilen alüminyum profillerin bir dizi banyodan geçirilmesiyle gerçekleşen elektrokimyasal bir prosestir. Bu işlemde anot kaplanacak olan alüminyum iken, elektrolit asidik bir çözeltidir. Bu işlem genel olarak yağ alma, dağlama, nötralizasyon, anodizasyon, renklendirme ve tespit ile bunların durulama banyolarından oluşur. Anodizasyonda asidik çözelti olarak okzalik asit, kromik asit, fosforik asit veya sülfürik asit çözeltileri kullanlır ancak sülfürik asit en yaygın olanıdır. Sülfürik asit çözeltisi yüksek miktarda (%18-20) asit içermekte, işlem sırasında iyonlaşan sülfat yüksek konsantrasyonlara erişerek atıksudaki kirlilik yükünü arttırmaktadır. İncelenen alüminyum fabrikası Bilecik ili 1. Organize Sanayi Bölgesi içerisinde yer almaktadır. Fabrikanın üretim prosesi temel olarak dökümhane, ekstrüzyon, yüzey işleme ve eloksal olmak üzere dört bölümden oluşmaktadır. Dökümhanede hurda alüminyum külçeleri ve katkı metalleri ile istenen alüminyum karışımından biyet elde edilmekte, ekstrüzyon işlemi ile profil şekline getirilmekte; yüzey işleme bölümünde müşteri isteklerine göre görünüş elde edilmesi sağlanmakta ve eloksal prosesi ile dayanımı arttırıldıktan sonra satışa sunulmaktadır. Bu işlemlerden biri asidik, diğeri bazik olmak üzere iki çeşit atıksu meydana gelmektedir. Yüksek konsantrasyonda sülfat içeren asidik atıksuya suda çözünmüş BaCl2.2H2O eklenerek sülfat iyonlarının BaSO4 tuzu olarak çökmesi sağlanmakta, bazik atıksu ile de nötralizasyon işlemi gerçekleştirilmektedir. Arıtma çamurunun hızlı çöktürülmesi amacıyla karışıma flokülant eklenmektedir. Temizlenen suya kontrol analizler yapılmakta ve elde edilen değerler Atıksu Kontol Yönetmeliği’ne uygun ise ikinci bir arıtım için Organize Sanayi Bölgesi Atıksu Arıtma Tesisi’ne; arıtma çamuru ise çöktürme havuzlarnın diplerinden preslerle alınarak OSB Katı Atık Sahası’na gönderilmektedir. Tesisin eloksal bölümü 1 adet yağ alma, 3 adet dağlama, 2 adet nötralizasyon, 5 adet anodizasyon, kalay, nikel ve demir olmak üzere 3 adet renklendirme, 3 adet tespit, 1 adet son temizleme banyosu ve 14 adet durulama olmak üzere 32 adet banyodan oluşmaktadır. Anodizasyon ve nötralizasyon banyoları sülfürik asit kullanımından dolayı yüksek oranda asidik özelliğe sahipken; dağlama ve tespit banyoları sodyum hidroksit kullanımından dolayı yüksek miktarda bazik içeriğe sahiptir. Ayrıca metalik renklendirme banyoları da metal iyonları yanında sülfürik asit içerdiğinden asidik özellik taşımaktadır. Bu çalışmada, tesiste uygulanan sistem laboratuvar ortamında oluşturulmuş; çöktürme kimyasalları olarak BaCl2.2H2O ile birlikte, ekonomik ve çevresel yönden BaCl2.2H2O’e alternatif olabilecek olan CaCl2 ve KCl kullanılmıştır. Deney sistemi olarak dörtlü karıştırıcılı jar test sistemi kullanılmıştır. Kimyasal miktarı olarak tesiste halihazırda kullanılmakta olan miktar referans alınmış, belli oranlarda azaltılarak denemeler yapılmıştır. Ayrıca belirli bir miktar sabit tutularak üç farklı kimyasal ile arıtılan su üzerine farklı miktarlarda flokülant eklenerek flokülantın sülfat giderimine etkisi araştırılmıştır. Bunların yanında bazik atıksuyun da karışık endüstiyel atıksu olması sebebiyle sülfat konsantrasyonuna etkisi tespit edilmek üzere çöktürücü kimyasal kullanılmadan da denemeler yapılmıştır. Denemeler sonunda elde edilen arıtılmış suyun sülfat miktarı standartlara uygun olarak spektrofotometre kullanılarak tespit edilmiştir. Yapılan deneyler sonucunda, fabrika atıksuyundaki sülfat iyonlarının kullanılan kimyasal tipi ve miktarının değiştirilmesi ile daha ekonomik ve çevreye daha az zararlı bir şekilde giderilebileceği tespit edilmiştir. Ayrıca flokülant kullanımının farklı kimyasallar ile yapılan arıtımlara etkisinin değiştiği görülmüş, bazı kimyasalların kullanımında flokülanta ihtiyaç duyulmadığı anlaşılmıştır. Bunların yanında, bazik atıksuyun da sülfat giderimi üzerine etkisi olduğu anlaşılmış, kullanılan bazik atıksu miktarının arttırılmasıyla sudaki sülfat miktarının azaldığı görülmüştür. Bu çalışmada, birinci bölümde yapılan çalışmanın amacı ve önemi ile endüstriyel atıksulardan sülfat giderimi ilgili bir literatür incelemesi verilmiştir. İkinci bölümde eloksal prosesinin uygulanması ve reaksiyonları hakkında teorik bilgi verilmiştir. Alüminyum fabrikasının departmanları ile eloksal ve atıksu arıtım bölümleri hakkında bilgi verilmiştir. Üçüncü bölümde deneysel metod verilerek BaCl2.H2O, CaCl2, KCl kimyasallarının seçimi, bu kimyasallarla kimyasal çöktürme işlemi ve bazik atık su ile nötralizasyon işlemlerinin şartları ve adımları belirtilmiştir. Standartlara uygun olarak gerçekleştirilen sülfat analiz metodu açıklanmıştır. Dördüncü bölümde fabrika atık suyunun arıtımında en uygun kimyasal tipi ve miktarının belirlenmesi amacıyla gerçekleştirilen deneylerin sonuçları verilmiş ve bunlar tartışılmıştır. Sonuç olarak kullanılan BaCl2.H2O, CaCl2 ve KCl kimyasallarının ve kullanım miktarlarının sülfat giderimi üzerine etkilerinin farklı olmasıyla beraber tüm sonuçlar yasal olarak belirtilen limiti sağlamıştır. Sonuçlar göz önüne alınarak yapılacak optimum kimyasal tipi ve miktarı seçimi ile işletmenin atıksu arıtma tesisi kimyasal madde giderlerinin ciddi ölçüde azaltılabileceği anlaşılmıştır. Beşinci bölümde deneysel çalışma sonuçlarının değerlendirilmesi yapılmıştır.The surface treatment of and by metals dates back to early man using gold decoratively before 4000 BC. One of the surface treatment methods is anodic oxidation. Anodic oxidation, or anodizing, is an electrolytic process for producing very much thicker oxide coatings whose improved physical and chemical properties have greatly increased the field of application for aluminum. Sulfuric acid soon became and, remains the most common anodizing electrolyte. In anodizing process, 18-20% concentration of sulfuric acid is used as the electrolyte. Due to sulfuric acid ionize to H+ and SO42-, anodizing wastewaters contain high sulfate concentration. High concentrations of sulfate in drinking water may cause transitory diarrhea. In Turkey, sulfate concentration limit is 250 mg/L in drinking water and 1700 mg/L for the industrial plants at the organized industrial zones (OIZ, industrial park). This study aims to investigate sulfate removal from an acidic wastewater, which is obtained from an Aluminum Profile Production and Anodizing Plant located in Bilecik. The experiments were performed under the same conditions of the treatment facility of the factory. BaCl2.H2O, which is currently used in the treatment facility of factory, was applied with different amounts. CaCl2 and KCl were selected as alternative chemicals to BaCl2.H2O and were used with different amounts in the experimental trials. Besides, the effect of the flocculants and the basic effluent, which is used for neutralization, was also investigated. As an important result of the study, it was determined that chemical costs of the treatment facility can be decreased by changing the chemical type and amounts. In the first section; the aim, scope and the literature about the investigation of sulfate treatment methods were given. In the second section; theoretical knowledge about anodic oxidation process and aluminum plant information were presented. In the third section; the chemical precipitation by BaCl2.H2O, CaCl2, KCl, and neutralization with basic effluent methodologies were explained. In the fourth section; the results of experiments were given and they were comparatively assessed. In the fifth section, the evaluation of experimental results was presented.Yüksek LisansM.Sc