Ağırmetaller ile kirlenmiş zeminlerin elektrokinetik yöntemle arıtılabilirliğinin incelenmesi

Abstract

ÖZET Doktora Tezi AĞIR METALLER İLE KİRLENMİŞ ZEMİNLERİN ELEKTROKİNETİK YÖNTEMLE ARITTLABİLİRLİĞİNİN İNCELENMESİ Ahmet ALTIN Cumhuriyet. Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Çevre Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman : Doç. Dr. Mustafa DEĞİRMENCİ Günümüzde gelişmiş ve gelişmekte olan pek çok ülke su, hava ve toprak ortamlarında ağır metal kirliliğine bağlı ekonomik ve ekolojik sorunlarla karşı karşıya kalmıştır. Topraklardan ağır metal giderimi için geliştirilmiş bir toprak yıkama (soil washing), hava yardımıyla uçuculaştırma (air sparging) gibi kimi yöntemler vardır. Söz konusu yöntemler genelde zeminin hava ve su iletimliliğinden yararlanmakta ve geçirimliliği yüksek zeminlerden kirletici arıtımında başarıyla uygulanabilmektedirler. Bu yöntemlerin ince taneli zeminlerden ağır metal gideriminde kullanımları ise oldukça güçtür. Son yıllarda, yukarıda ifade edilen tane boyu sorununun çözümüne yönelik arayışlara girişilmiş ve ağır metallerin `elektrokinetik arıtım` ile gideriminin bir alternatif olabileceği belirlenmiştir. Elektrokinetik Arıtım yönteminde fiziksel ve kimyasal değişimlerin (pH, elektroozmoz gibi) kirletici hareketine etkisi gibi kuramsal eksikliklerin giderilmesinde katkıda bulunmak ve yöntemin uygulama alanlarını genişletmek amacıyla, Kayseri-Kumarlı (iki adet), Kayseri-Beştepeler ve Çanakkale yöresinden mineralojik yapılan farklı dört adet zemin örneği alınmıştır. Ayrıca ÇİNKUR Tesisleri 'ne ait atıklarla metal kirliliğine uğramış bir zemin örneği de deneysel çalışmalara dahil edilmiştir.Bu çalışmada öncelikle örneklerin tane boyu dağılımı, mineralojik yapılan, adsorblama ve tamponlama özellikleri, kıvam limitleri gibi fiziksel ve kimyasal özellikleri saptanmıştır. Daha sonra Kumarlı, Beştepeler ve Kaolen örnekleri 4000, 1000 ve 250 ppm kurşun (II) ile kirletilmiş ve 7,5, 10, 20 volt potansiyel uygulamalarında 110-480 saat süreyle elektrokinetik arıtıma tabi tutulmuştur. Kirletici hareketinin ve arıtım sırasında gelişen elektrokimyasal olayların belirlenebilmesi için kurşun (II), pH, nem içeriği ve elektroozmotik akım ölçümleri yapılmıştır. Ayrıca katot bölgesine 0,5 ve 3 molar (M) asetik asit (AcOH) uygulandığında arıtım verimlerindeki değişimler belirlenmiştir. Yukarıda verilen deneysel çalışmalar sonucunda, özellikle 20 volt sabit potansiyelde ve 3 M AcOH iyileştirmesinde Kaolen için %98'lere, Kumarlı-alt ve ÇINKUR için %85'lere varan kurşun (II) giderimlerinin gerçekleşebileceği belirlenmiştir. Kumarlı-üst ve Beştepe örneklerinde ise bu verim %60-70 arasında kalmıştır. Çalışma kapsamında incelenen diğer bir konu da yöntemin yatırım ve işletme maliyetlerinin tahminine yönelik yaklaşımların geliştirilmesidir. Bu amaçla gerek literatürden, gerekse tezde yapılan deneysel çalışmalardan elde edilen bilgiler kullanılarak arıtım süresine, kirlenme geometrisine ve kullanılan kimyasalın türüne bağlı matematiksel bir eşitlik tanımlanmıştır. Sonuç olarak, Elektrokinetik Arıtım'ın düşük tamponlama-adsorblama kapasiteli siltli ince kumlu ve ince kumlu zeminlerde (Kumarlı-alt ve ÇİNKUR) verimli bir şekilde uygulanabileceği belirlenmiştir. Ayrıca jips, kalsit gibi tamponlama kapasitesini yükselten mineralleri ve simektit ve illit gibi adsorblama kapasitesini yükselten kil türlerini barındıran zeminlerde de (Kumarlı-üst ve Beştepeler) nispeten daha uzun arıtım süreleri (15-20 gün) ve asetik asit iyileştirmesi ile benzer arıtım verimlerine ulaşılabileceği sonucuna varılmıştır. Anahtar Kelimeler : Toprak kirliliği, elektrokinetik arıtım, kurşun (II) giderimi, elektroozmoz, iyonik taşınım, maliyet analizi.

tu ABSTRACT Ph. D. Thesis INVESTIGATION OF TREATABILITY OF HEAVY METAL CONTAMINATION IN SOILS VIA ELECTROKTNETIC REMEDIATION Ahmet ALTIN Cumhuriyet University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Environmental Engineering Supervisor : Assoc. Prof. Dr. Mustafa DE?İRMENCİ Many countries are faced with economical and ecological problems due to heavy metal contaminations in air, soil and water enviroments. There are several methods (soil washing, air sparging etc.) in literature for removing heavy metals from soil. However, these methods in general used successfully for removing heavy metals from coarse-grained soils based on the air and water permeability properties of the medium. Thus, it is difficult to apply these methods for removing heavy metals from fine-grained soils are difficult to apply. In the last years, some investigations to solve this grain size problem have been done and `electrokinetic remediation` was proposed as an alternative method for removal of heavy metals. The scope of this study is to assist to solve effects of physical and chemical variations (pH, electroosmosis etc.) on contaminant migration and to develop of the electrokinetic remediation method commercial applications. In this study, four soil samples with different mineralogical characteristics from Kayseri-Kumarh (two samples), Kayseri-Beştepeler and Çanakkale region are used. In addition to these samples, a soil sample contaminated with heavy metals by ÇINKUR (Kayseri) is included in this study. In this study, firstly, physical and chemical characteristics (such as grain size, mineralogical structure, sorption-buffering capacities, andTV consistency limits) of soil samples were determined. Later, Kumarlı, Beştepe and Kaolen samples are polluted with 4000, 1000 and 250 ppm lead (II) solutions and Electrokinetic Remediation applied at 7.5, 10, 20 volt constant potentials and treatment durations between 110-480 hours. Parameters such as lead (II) concentration, pH, water content, and electroosmotic flow are measured to determine pollutant transport and other electrochemical reactions in soils during Electrokinetic Remediation. Besides, variation in the removal efficiency are determined when applied 0,5 and 3 molar (M) acetic acid (AcOH) to cathode region. Best lead (II) removal efficiencies obtained at 20 volt constant potential and 3 M AcOH are 98% for Kaolen, 85% for Kumarli- alt and 85% for ÇINKUR. Kumarlı-üst and Beştepeler samples are acquired maximum efficiencies of 60-70%». Studied an other subject is developed of new approach for estimation of investment and operation costs. For this purpose, a new mathematical equation which depend on treatment time, pollution geometry and kind of chemical agent is developed by using knowledge's obtained from both literature and experimental studies. Consequently, electrokinetic remediation can be used effectively in silty fine grained sandy soils (Kumarh-alt) and fine grained sandy soils (ÇINKUR) with low sorption / buffering capacities. Furthermore, same treatment efficient would be attained for fine-grained soils (Kumarlı-üst and Beştepeler) with high sorption and buffering capacities is convinced at long treatment durations (15- 20 day) and acetic acid additions to cathode region. Key Words : Soil contamination, electrokinetic remediation, lead (II) removal, electroosmos, ionic migration, cost analyses.