Kavramsal Modelin İçerdiği Fiziksel ve Kimyasal Süreçlerin Bir

Kısmının PHREEQCİ İle Testi ve Benzetimi

Model 1: Şebeke suyu içeriğine FeCl3 (2 mmol 20 adımda) ve pH değerini yükseltmek için NaOH (14 mmol 20 adımda) verildiğinde oluşan şartlar, Olası tepkimelerin tahmini hesabı ve süreçlerin kontrolü - Kimden, ne kadar çözünecek ve çökelecek?

- 2 mmol FeCl3 çözünecek ve 2 mmol Amorf Fe(OH)3 çökelecek - Çökelmeyi arttıran havalandırma ve NaOH miktarı?

- atmosfere açık şartlarda (%0,035 CO2 ve %21 O2) oksijene doygunluk 20’nci adıma kadar yükselirken sonrasında düşme var ancak yine de yükseltgen şartlar hakim, alkalinite artışı hidroksit eklenmesine bağlı olarak pH 7.4 değerinden sonra gözlemleniyor, pH 7.4 öncesi hidroksit eklenmesi karbondioksit ve hidrojen iyonları (pH) tarafından harcanıyor, 25. adımda reaksiyonlar tamamlanıyor.

- Başlangıç ve sonuç su kompozisyonu, pH 7.4 sonrası ilave edilen adımlar hariç

- Kullanılacak madde miktarlarına göre pH ve Eh değişimi Şekil 1 - 2 mmol FeCl3 ilavesinde pH 3.06 - Düşük pH, çökelimi sınırlarken, 3.5 mmol NaOH çekelimler için yeterlidir. - Ortam pH değerini kontrol eden baskın tür Fe(OH)2

+

Model 2: Şebeke suyu içeriğine FeCl2 (2 mmol 20 adımda) ve pH değerini yükseltmek için NaOH (14 mmol 20 adımda) ve sınırlı O2 verildiğinde oluşan şartlar, Olası tepkimelerin tahmini hesabı ve süreçlerin kontrolü - Kimden, ne kadar çözünecek ve çökelecek?

- 2 mmol FeCl2 çözünecek ve 2 mmol Amorf Fe(OH)3 çökelecek - Çökelmeyi arttıran havalandırma ve NaOH miktarı?

- Atmosfere kısıtlı şartlarda (%0,035 CO2 ve sınırlı O2) Fe+2 türü daha baskın Fe(OH)2+ türü derişimi ise ikinci durumdadır . Bu durumda suyun pH

değeri en fazla 6,6 değerine kadar azalmıştır. Ortam kısıtlıda olsa atmosfere açılan ikinci aşamada, çökelen amorf Fe(OH)3 ve FeCO3 (siderit minerali) nedeni ile ortamdaki Fe+2 Fe+3’e yükseltgenerek ortamdan ayrılmıştır. Reaksiyon oksijensiz şartlar dikkate alındığında pH 6,6’da başlayıp 7,8’de tamamlanmıştır. Ortamın indirgenme seviyesi (pe değişimi) ilk aşamada suda başlangıçta var olan O2 nedeni ile sınırlı azalmış sonrasında tamamen tükenen O2 ve ortamda farklı bir O2 sağlayacak kaynak olmaması nedeni ile negatif değerlere düşmüştür. İkinci aşamada ortama kısıtlı O2 verilmesine rağmen harcandığı için pe değeri düşmeye devam etmiştir. Ancak reaksiyonun tamamlandığı otuzuncu adımdan sonra ortamın pe değeri artmış ve yükseltgen ortama geçmiştir.

- Çökelen katı yüzey alanı (128.4 m2) ve adsorblanma sırasındaki yüzey yükü pozitif olduğundan arsenik türleri (AsO4-3) adsorblanmıştır.

Su Arıtma Teknolojisi ve Kavramsal Model: Jar Testi Tasarımı Sevgi Tokgöz Güneş, Cihan Güneş

Kavramsal Model ve

Deney Tasarımı

"Uygulamaya elvermeyen teori anlamsız, teoriye dayanmayan uygulama ise kısırdır" Leonardo da Vinci

Model nedir?

“taklit”, “ideal” yada “teşhir” KARŞILAŞTIRILABİLİR, REVİZE EDİLEBİLİR, ONARILABİLİR, TEST EDİLEBİLİR ve

GELİŞTİRİLEBİLİR

Sorun-çözüm odaklı test-deney yapabilme, düşünebilme, farklı bakış açıları ve

hesaplama teknikleri geliştirme ve belki de en önemlisi anladığını düşündüğün

konuyu test ederek dikkate alman gereken yeni bileşenleri kavrayabilmene

yardımcı olur.

Eğer bir konuda doğru cevabı biliyor iseniz o konuda modele ihtiyacınız yoktur. Saat dendiğinde düşüncelerinizde temel bir saat betimlemesi beliriyor ise modele ihtiyacınız yoktur.

Bir sistemin tasarımı ve öğrenilmesi, öncelikle kavramsal olarak olayları algılayabilme (fiziksel, kimyasal ve biyolojik süreçlerin farkındalığında) ile

düşüncelerimizde başlar.

Elde ettiğiniz her veri => düşüncelerinizdeki kavramsal modelin oluşumuna ve test edilmesine yardımcı olur.

Herhangi bir düşünsel (teorik) tasarımı olmayan bir deneyin yapılmasının üreteceği sonuçların işe yarama olasılığının az olması gibi eksik kavramsal bilgi ile tasarlanan

deneylerde de başarı şansı gözden kaçırılan şartların sistemde oynadığı rol ile ilişkilidir.

Doğada, birçok etkenin sistemde yarattığı değişimleri ve sonuçları anlamak ve

tahmin edebilmek, ortamın karmaşıklığına ve ölçeğine göre değişen bir yaklaşımdır.

Bu nedenle sorunu algılayıp çözüm için gerekli planlamayı yapabilmek için

öncelikle soruna odaklı basit bir kavramsal model oluşturmak gerekir.

Modelin oluşturulma sistematiği ve karmaşıklığı test edilebilirliğini zorlaştırdığı gibi emek ve zaman gereksinimlerini de arttırır.

Kavramsal modeller açısından konu su kalitesi olduğunda, test yapmak için

kimyasal termodinamik ve doğal süreçler hakkında bilgi, bilgisayar ortamında benzetim ve doğada ve/veya laboratuvar ortamında sistemde etkin rol oynayan

bileşenleri gerçekleyebilme gerekmektedir.

Deneysel tasarımı nasıl oluşturabilir ve test edebiliriz? Gerekli malzemeler: pH metre, örnek su,

Dikkat etmediğimiz ama sistem üzerinde etkili olan şartlar

Yüzey ve Yeraltı Suyu Arıtımı Kavramsal Model Tasarımı

Jar Testini Anlamak

Arazi ve Laboratuvar Şartlarına Göre Kavramsal Tasarım

Jar testi örneğinde yapılandırılan bir bulanıklık ve arsenik giderimi için; - Suyun durumu (arıtma tesisine giriş),

- pH ve Eh şartları, - Bulanıklık türü ve miktarı (organik-inorganik), - Kirletici türleri ve miktarları, - Çözünmüş anyon ve katyonlar (major içerik) ve toplam içeriğin

mevsimsel salınımları - Debi ve farklı kaliteli suların karışım oranları - …

- Suya eklenecek kimyasal maddenin hesabı (reçete), - Suda sadece havalandırma ile elde edilen şartlar, - Redoks veya denge tepkimeleri kinetik şartları, - Tersinir veya tersinmez reaksiyonlar, - Su kompozisyonunda reçete etkisini azaltabilecek veya

arttırabilecek bileşenler, - Arıtma tesisi ve laboratuvar şartları benzeşimi - …

- Olası tepkimelerin tahmini hesabı ve süreçlerin kontrolü - Kimden, ne kadar çözünecek ve çökelecek? - Çökelmeyi arttıran havalandırma ve bazik madde miktarı? En

uygun miktarlar, - Çökelen katı yüzey alanı ve yükü (sıfır yük noktası pH değeri), - Suda istenmeyen türlere göre, çökelecek katı yüzeyde

oluşturulacak fiziksel elektrik yükleri tasarımı (pozitif veya negatif)

- Sonuç su kompozisyonu, - Kullanılacak madde miktarlarına göre pH ve Eh değişimi, - …

- Model Sonuçlarının deneysel çalışma ile testi, - Hesaplanan ile uygulanan miktarlar arasında fark var mı? - Sonuç kompozisyonları yeterlimi? - Deneysel çalışmayı temsil için hangi aşamalar örneklenmeli?

Tepkime yolunu temsil, - Deneysel alanın fiziksel ve kimyasal şartlara etkisi (pH, Eh,

ÇO, Sıc., Ec,…) - …

- Arazide arıtma tesisinin ve deneysel tasarımın gerekli değişim noktalarında testi ve kontrolü

- Tesis tasarımının kimyasal süreçleri (klorlama, oksijenlenme, çöktürme,…) gerçekleştirme oranı,

- Havuzların havalandırma kapasitelerinin farklı ölçüm noktalarında belirlenmesi (pH, Eh, ÇO ölçüm ve analizler)

- Kavramsal, deneysel ve arazi şartlarındaki sıcaklık farklılıkları, mevsimsel değişimler,

- Suların karışımları ve yeni denge, sorpsiyon ve bulanıklık şartları,

- … - Kavramsal modelin tekrar gözden geçirilmesi

REFERANSLAR

Appelo CAJ, Postma D (2005) Geochemistry, groundwater and pollution, 2nd edition-Balkema; Rotterdam

Ball JW, Nordstrom DK (1991) User´s Manual for WATEQ4F -US Geological Survey

Bethke, C.M., (2008) . Geochemical and Biogeochemical Reaction Modeling2nd edition, Cambridge University Press, NewYork, 543 pp.

BRIDGE (2013), Background cRiteria for the IDentification of Groundwater Thresholds. http://nfp-at.eionet.europa.eu/irc/eionet-

circle/bridge/info/data/en/index.htm Erişim 15 Ocak 2013.

Broder J. Merkel · Britta Planer-Friedrich (2008) Groundwater Geochemistry: A Practical Guide to Modeling of Natural and

Contaminated Aquatic Systems Edited by Darrell Kirk Nordstrom 2nd Edition, Springer-Verlag Berlin Heidelberg

EC (European Communities), (2009). Common Implementatıon Strategy For The Water Framework Directive (2000/60/Ec) Guidance

Document No. 18 Guıdance On Groundwater Status And Trend Assessment ISBN 978-92-79-11374-1 .

Güneş C., Tokgöz Güneş S., (2011) Asit Drenajının Jeokimyasal Modellenmesi. IV. Maden ve Çevre Sempozyumu bildiriler kitabı Maden

Mühendisleri Odası, İzmir

Langmuir D (1997) Aqueous environmental geochemistry.-Prentice Hall; New Jersey

D. Kirk Nordstrom, (2012). Models, validation, and applied geochemistry: Issues in science, communication, and philosophy , Applied

Geochemistry, Volume 27, Issue 10, Pages 1899-1919

Parkhurst DL, Appelo CAJ (1999) User's guide to PHREEQC (Version 2) -- a computer program for speciation, batch-reaction, one-

dimensional transport, and inverse geochemical calculations.- U S Geological Survey Water-Resources Investigations Report 99-4259

Zhu, C., Anderson, G. M., ( 2002). Environmental Applications of Geochemical Modeling, Cambridge University Press, New York, 299 pp

pH = 8.060 pe = 8.700 Elements Molality Al 3.522e-006 Alkalinity 2.677e-003 Ca 9.059e-004 Cl 7.900e-004 Fe 2.866e-007 K 8.186e-005 Mg 6.377e-004 Na 9.398e-004 O(0) 3.376e-004 S(6) 3.120e-004 Si 5.061e-005

pH = 7.437 Charge balance pe = 12.236 Adjusted to redox equilibrium Total alkalinity (eq/kg) = 1.767e-004 Elements Molality Al 3.522e-006 C 1.752e-004 Ca 9.059e-004 Cl 6.790e-003 Fe 1.104e-008 K 8.186e-005 Mg 6.377e-004 Na 4.440e-003 S 3.120e-004 Si 5.061e-005

Redoks reaksiyonları, denge ve kısmi denge: Sudaki çözünmüş içeriğin atmosfer ile teması yeni pH, Eh ve denge şartlarını oluşturur. Fotoğrafta atmosfere

açık şartlardaki Eh (Ag/AgCl elektrod, -158+212=54 mv) 54 mv ve pH 5,577 değeri (Eh-pH diyagramına göre) atmosfere kapalı indirgen şartlar ile açık şartlar

arasındaki geçiş ortamını yansıtmaktadır. Çözünmüş oksijen değeri 1.16 mg/L olarak okunmaktadır ve atmosfer ile denge şartlarını yansıtmamaktadır. Ancak,

atmosfere açık ortamda geçiş şartları geçici bir durumdur ve suyun yüzeyinde gaz teması ile oluşan çökelim (hafif beyaz renkli) atmosfer temasını sınırlayan bir

etken olabilir. Ayrıca su içindeki redoks reaksiyonlarının oksijen harcaması sistemin hem redoks duyarlı bileşenler açısından yüksek çözünmüş

konsantrasyonlar (örneğin Fe) içermesi hem de indirgen çözünmüş içerikli su akımının ortamı beslemesi (+ su derinliği, akım hızı faktörü gibi, ) ortamın

dengeye gelmesini engelleyen faktörler olarak sayılabilir. Fotoğraflardaki kırmızı renkli çökelimler atmosfer temasına bağlı gaz alışverişi ile başlayan

reaksiyonların bir sonucudur. Çözünmüş kimyasal içerik yüksek oranda çözünmüş oksijen harcamaktadır; (1) atmosfer su yüzeyi kısmi gaz dengesi, (2)

Çözünmüş oksijen ve kimyasal reaksiyonlar arasındaki kısmi gaz dengesi, (3) Yeni denge şartlarında çeşitli çökelimler ve oksijen harcanması, azalan oksijenin

(sıcaklık etkisi ve kısmi gaz basıncı oranında) tekrar suda çözünmesi, bu duruma kısmi denge denir. Fotoğraflar Salihli Kurşunlu Kaplıcaları güneyi maden

suyu kaynağında çekilmiştir.