Nadir toprak elementlerinden lantan ve seryum katkılı iridyum rutenyum karışık metal oksit elektrotların tekstil atıksuyu arıtma performansına etkisinin araştırılması

Abstract

Bu tez çalışmasında, lantan (La) ve seryum (Ce) katkılı Ti/RuO?-IrO? karışık metal oksit elektrotlarının karakterizasyonu ve optimizasyonu ile bu elektrotların Reaktif Siyah 5 (RB5) boyası içeren sentetik atıksu ve mevcut bir tekstil fabrikasından temin edilen gerçek tekstil atıksuyundaki arıtım performansını incelenmiştir. Üretilen elektrotlar, standart kabul edilen Ti/RuO?(60%)-IrO?(40%) kompozisyonlu elektrot referans alınarak, mevcut konfigürasyondaki iridyum oranı düşürülmek koşulu ile %5, %10 ve %20 oranlarında La ve/veya Ce nadir toprak elemenleri ile katkılandırılması ile hazırlanan çözelti kullanılarak titanyum plaka üzerine fırça ile yayma metodu kullanılarak kaplanmıştır. Ayrıca, %10 Ce ve %10 La oranında karışık bir kompozisyon ile yeni bir elektrot daha geliştirilmiştir. Bu tez çalışması, La ve Ce ile katkılandırılmış elektrotların elektrokimyasal giderim sürecindeki rollerini, pH, iletkenlik ve konsantrasyonun atıksı arıtma verimine etkilerini araştırmaya odaklanmaktadır. Elektrot performansları, ikincil kirletici oluşturmadan atıksudaki renk giderimini etkin bir şekilde sağlayan elektrooksidasyon (EO) proses ile çalışılmıştır. La ve Ce katkılarının karışık kompozisyon olarak tek bir elektrotta kullanılması, performansı artırarak elektrot kullanım ömrünü uzatmakta ve atıksu arıtma maliyetlerini düşürmektedir; böylece EO prosesindeki önemli bir dezavantaja çözüm önerisi sunulmaktadır. Ön denemeler 100 ppm konsantrasyonda hazırlanmış sentetik RB5 çözeltisi ile yapılmıştır. Ce ve La katkıları ile üretilen 7 farklı elektrot ve Ce ve/veya La katkılandırılması yapılmayan standart Ti/RuO?(60%)-IrO?(40%) elektrodu referans alınarak, 200 A.m-2, 3500 µS.cm?¹, pH 5,5 ve 300 dk standart koşullarında EO prosesi uygulanmıştır. En iyi giderim verimini %10 Ce ve %10 La katkılandırma yapılan karışık kompozisyonlu elektrotta sağlanmış olup, toplam organik karbon (TOK) giderim verimliliği %36,12 olarak ölçülürken, klor üretimi 794,08 mg.L?¹ olarak belirlenmiştir. Elektrot giderim performasının arttırılmasına yönelik olarak en iyi giderim verimini sağlayan %10 Ce ve %10 La katkılı karışık kompozisyonlu elektrot, farklı pH değerleri (3, 5, 7, 9), farklı çözelti konsantrasyonları (50, 100, 300, 500 ppm), farklı akım yoğunlukları (100, 200, 350, 600 A.m?²) ve farklı iletkenlik değerlerinde (1500, 3500, 5500, 10000 µS.cm?¹) EO deneyleri yapılmış ve optimum koşullar 200 A.m-2, 3500 µS.cm?¹, pH 5,5 ve 300 dk olarak belirlenmiştir. Çalışmanın devamında aynı elektrotlar tekstil atıksuyu gideriminde EO prosesi ile uygulanmıştır. Elektrotların endüstriye uygulanabilir olmasının en önemli parametresi enerji olduğu için tüm elektrotlara 100 A.m-2, 200 A.m-2, 350 A.m-2 ve 600 A.m-2' akım yoğunluklarında EO prosesi uygulanmıştır. Mevcut atıksuyun pH değeri 8.5 iletkenlik değeri ise 4000 µS.cm?¹'dir. En iyi giderim verimi yine %10 Ce ve %10 La karışık kompozisyonlu katkılandırma yapılan elektrotta sağlanmış olup, TOK giderim verimliliği %29.26 olarak ölçülürken, klor üretimi 843.71 mg.L?¹ olarak belirlenmiştir. Sonuçlar, üretilen elektrotlatın kirletici giderimi ve renk giderimi açısından önemli iyileştirmeler sağlandığını göstermekte olup, katkılı elektrotların atıksu arıtımı için potansiyelini ortaya koymaktadır. Çalışma, özellikle tekstil endüstrisi atıksularının elektrokimyasal arıtımı için proses optimizasyonuna yönelik önemli bilgiler sunmaktadır. Anahtar Kelimer: Seryum, Lantan, Termal Kaplama, Elektrooksidasyon.

This study examines the characterization and optimization of Ti/RuO?-IrO? mixed metal oxide electrodes doped with lanthanum (La) and cerium (Ce), as well as their treatment performance in a synthetic solution containing Reactive Black 5 (RB5) dye and real textile wastewater obtained from an existing textile factory. The electrodes were coated using the brush-coating method by doping the existing Ti/RuO?-IrO? composition electrodes with 5%, 10%, and 20% of the rare earth elements La and Ce. Additionally, a new electrode was developed by co-doping with 10% Ce and 10% La, which exhibited the highest removal efficiency. The research focuses on understanding the roles of La- and Ce-doped electrodes in the electrochemical removal process, along with the effects of pH, conductivity, and concentration. The electrode performance was analyzed using the electrooxidation (EO) process, which effectively removes color from wastewater without forming secondary pollutants. The simultaneous use of La and Ce in a single electrode enhances performance, extends electrode lifespan, and reduces costs, thereby addressing a significant challenge in the EO process. Preliminary trials were conducted using a synthetic RB5 solution prepared at a concentration of 100 ppm. Electrooxidation was applied to seven different electrodes produced with Ce and La doping, along with an undoped Ti/RuO?(60%)-IrO?(40%) electrode used as a reference, under standard conditions of 200 A.m-2, 3500 µS.cm?¹, pH 5.5, and 300 min. The highest removal efficiency was achieved with the electrode doped with 10% Ce + 10% La, where the total organic carbon (TOC) removal efficiency was measured at 36.12%, and chlorine production was determined as 794.08 mg.L?¹. To enhance electrode performance, EO experiments were conducted with the 10% Ce + 10% La doped electrode under different pH values (3, 5, 7, 9), concentrations (50, 100, 300, 500 ppm), current densities (100, 200, 350, 600 A.m?²), and conductivity values (1500, 3500, 5500, 10000 µS.cm?¹), and the optimal conditions were determined as 200 A.m-2, 3500 µS.cm?¹, pH 5.5, and 300 min. Similar studies were also conducted on textile wastewater. Since energy is the most critical parameter for industrial applicability of electrodes, EO treatment was applied to all electrodes at 100 A.m-2, 200 A.m-2, 350 A.m-2, and 600 A.m-2. The actual wastewater had a pH value of 8.5 and a conductivity of 4000 µS.cm?¹. To prevent unnecessary chemical use and based on the results of preliminary trials, these values were adjusted accordingly. Again, the highest removal efficiency was achieved with the 10% Ce + 10% La doped electrode, where TOC removal efficiency was measured at 29.26%, and chlorine production was determined as 843.71 mg.L?¹. The findings indicate significant improvements in pollutant removal and toxicity reduction, demonstrating the potential of doped electrodes for wastewater treatment. This study provides valuable insights into parameter optimization, particularly for the electrochemical treatment of textile industry wastewater.