Elektrokimyasal aktivasyon: tuzdan dezenfektana.

Elektrokimyasal aktivasyon kavramı 1970’lerde Taşkent’te V. M. Bahir ve ekibinin çalışmalarıyla şekillendi; “elektrokimyasal aktivasyon” terimi 1977’de kullanılmaya başlandı. İlk uygulamalar, sondaj sıvılarının kimyasal katkı yerine elektrolizle işlenmesi gibi endüstriyel alanlardaydı.

1980’ler ve 1990’larda yöntem tıbbi dezenfeksiyona, gıda işlemeye ve su arıtmaya yayıldı. Bugün elektrolizle üretilmiş su, gıda sanayinde tek kimyasal girdisi tuz olan ve kullanım noktasında üretilebilen bir dezenfeksiyon yöntemi olarak hakemli literatürde ayrıntılı biçimde incelenmektedir [8].

Elektroliz, iyon içeren bir çözeltiden doğru akım geçirerek kendiliğinden gerçekleşmeyecek tepkimeleri zorlamaktır.

Hücrede iki elektrot vardır. Güç kaynağının pozitif kutbuna bağlı anot elektron çeker; burada yükseltgenme (oksidasyon) olur. Negatif kutba bağlı katot elektron verir; burada indirgenme olur.

Tuzlu suda akımı iyonlar taşır: pozitif yüklü sodyum iyonları (Na⁺) katoda, negatif yüklü klorür iyonları (Cl⁻) anoda doğru göç eder. Elektrotlarda bu iyonlar ve su molekülleri elektron alıp vererek yeni maddelere dönüşür.

Ne kadar madde üretildiğini Faraday yasası belirler: üretim, hücreden geçen elektrik yükü ile doğru orantılıdır. Gerçek hücrelerde akımın bir bölümü oksijen çıkışı gibi yan tepkimelere gider; istenen ürüne giden payına akım verimi denir.

Aquamirus E.C.A. sisteminin kalbi, tuzlu suyu iki ayrı ürüne dönüştüren diyaframlı elektrokimyasal reaktördür. Anot ve katot bölmeleri seramik bir diyaframla ayrılır; hipokloröz asit ağırlıklı anolit ile sodyum hidroksit içeren katolit birbirine karışmadan, ayrı akışlar halinde alınır.

Reaktör akışlı (flow-through) çalışır: tuzlu su reaktörün içinden sürekli geçer ve elektrokimyasal dönüşüm bu geçiş sırasında gerçekleşir. ECA reaktörleri genellikle eş eksenli (koaksiyel) silindirik yapıdadır: merkezde anot, dışta katot, aralarında gözenekli seramik diyafram bulunur. Reaktörün iki ucundaki bağlantılar, her bölmenin giriş ve çıkış hatlarını taşır.

Diyafram yalnızca ürünleri ayırmakla kalmaz; anolitin pH’ını hipokloröz asidin baskın olduğu aralıkta tutmanın da anahtarıdır [1]. Reaktörler modülerdir: tesisin ihtiyacı büyüdükçe kapasite, birden fazla reaktörün birlikte çalıştırılmasıyla artırılır.

Üretici verilerine göre ECA teknolojisiyle bugüne kadar bir milyondan fazla reaktör üretilmiştir; Aquamirus E.C.A. sistemlerinde kullanılan son nesil reaktörler 2011’den beri üretilmektedir.

• Akışlı (flow-through)Tuzlu su reaktörden sürekli geçer; üretim ihtiyaca göre başlar ve durur.
• DiyaframlıSeramik diyafram anot ve katot bölmelerini birbirinden ayırır.
• İki ayrı çıkışAnolit (HOCl) ve katolit (NaOH) ayrı hatlardan alınır.
• ModülerKapasite, reaktörlerin birlikte çalıştırılmasıyla büyütülür.

Anot bölmesinde klorür iyonları elektron verir ve klora dönüşür; klor da suyla hemen tepkimeye girerek hipokloröz asit oluşturur.

Her iki tepkime de ortama H⁺ iyonu verir; bu yüzden anolitin pH’ı düşer. Bu düşüş istenen bir şeydir: hipokloröz asit, düşük ve nötre yakın pH’ta baskın formdur [1].

pH çok düştüğünde ise (yaklaşık 3’ün altı) denge bu kez çözünmüş klora (Cl₂) kayar; klor gazı çözeltiden ayrılmaya başlar. İyi tasarlanmış bir hücrede amaç, anoliti HOCl’nin baskın olduğu aralıkta tutmaktır. Bunu tuz derişimi, akım ve debi birlikte belirler.

Katot bölmesinde su molekülleri elektron alır; hidrojen gazı ve hidroksit iyonları oluşur. Diyaframdan geçen sodyum iyonlarıyla birlikte bu, sodyum hidroksit (kostik) demektir.

Katolit yüksek pH’lı, alkali bir çözeltidir. Ayrı bir tankta toplanır ve tesiste alkali temizlik (CIP adımları, yağ ve organik kir sökme) ile uygun proseslerde pH düzeltme için değerlendirilebilir.

Katotta çıkan hidrojen bir güvenlik parametresidir: havadaki alt yanıcılık sınırı hacimce yaklaşık %4’tür. Bu nedenle hücre çıkışındaki gaz sıvıdan ayrıştırılır, havalandırmayla seyreltilir ve kontrollü olarak dışarı atılır.

Suya verilen klor tek bir madde olarak kalmaz; pH’a göre hipokloröz asit (HOCl) ile hipoklorit iyonu (OCl⁻) arasında dağılır.

Bu dengenin pKa değeri yaklaşık 7,5’tir [1]. pKa’ya eşit pH’ta klorun yarısı HOCl, yarısı OCl⁻ formundadır. pH 6’da serbest klorun yaklaşık %97’si HOCl iken, pH 8’de bu oran yaklaşık %26’ya, pH 9’da yaklaşık %3’e iner.

Pratik sonucu şudur: aynı serbest klor ölçümü, farklı pH’larda çok farklı dezenfeksiyon gücü anlamına gelir. Klor ölçerken pH’ı da ölçmek bu yüzden şarttır.

Hipokloröz asit yüksüz ve küçük bir moleküldür; mikroorganizmanın hücre duvarından ve zarından kolayca geçer. Hipoklorit iyonu ise negatif yüklüdür ve aynı yükteki mikrop yüzeyi tarafından itilir.

Hücre içine giren HOCl; enzimlerdeki kükürtlü grupları, proteinleri ve nükleik asitleri yükseltgeyerek hücrenin işlevini durdurur. İnsan bağışıklık sistemindeki nötrofiller de mikroplara karşı aynı oksidanı üretir; kullanım derişimlerinde dokular için tahriş edici olmaması bu yüzden şaşırtıcı değildir [7].

Dezenfeksiyonun ne kadar güçlü olduğunu ölçmenin standart yolu CT değeridir: dezenfektan derişimi (C) ile temas süresinin (T) çarpımı. ABD Çevre Koruma Ajansı’nın resmî tabloları, aynı sıcaklık ve aynı serbest klorda gereken CT’nin pH yükseldikçe nasıl arttığını gösterir [2].

ORP (oksidasyon-redüksiyon potansiyeli), bir çözeltinin elektron çekme eğilimini milivolt (mV) cinsinden gösterir ve bir referans elektroda karşı ölçülür. Değer ne kadar yüksekse, çözelti o kadar güçlü bir yükseltgendir.

Elektrolizle üretilmiş oksitleyici suyun etkinliğinde belirleyici değişkenin pH ve bakiye klordan çok ORP olduğu gösterilmiştir [4]. Bu yüzden yerinde üretim sistemlerinde ORP, dozajı yönetmek için serbest klor ve pH ile birlikte izlenir. ORP pH’tan etkilendiği için tek başına değil, bu ölçümlerle birlikte yorumlanır.

Biyofilm, mikroorganizmaların boru ve tank yüzeylerine tutunup kendi ürettikleri bir matrisle korunduğu topluluktur. Yüzeye tutunmuş bakteriler, serbest yüzen hücrelere göre hipokloröz aside 150 ila 3.000 kat daha dirençli bulunmuştur. Aynı çalışmada sınırlayıcı etkenin dezenfektanın biyofilme taşınması olduğu, dozu artırmanın etkinliği artırmadığı gösterilmiştir [3].

Şebeke suyunda bakterilerin klora rağmen hayatta kalmasında yüzeye tutunma, partikül içinde korunma ve önceki maruziyete uyum rol oynar; ölçülen bakiye tek başına güvenliği garanti etmez [10]. Legionella için de risk, tek seferlik ölçümle değil, sürekli dezenfektan bakiyesi dahil bir su güvenliği planıyla yönetilir [9].

Depolanan sodyum hipoklorit çözeltilerinde üretimden sonra klorat, bromat ve perklorat gibi oksihalojen türleri oluşur. Oluşum hızını sıcaklık, iyonik güç, hipoklorit derişimi ve geçiş metalleri belirler; yani hazır kimyasal raf ömrü boyunca zayıflarken yan ürün yükü artar [5].

Dezenfeksiyon yan ürünlerinin (örneğin trihalometanlar) oluşumu ise dezenfektanın sudaki organik maddeyle temas süresi ve dozuyla ilişkilidir [6]. Doğru dozu doğru noktada vermek bu yüzden yalnızca verimlilik değil, su kalitesi meselesidir.

Hücre tek başına bir sistem değildir. Besleme suyunun hazırlanmasından dozaj noktasına kadar bir yerinde üretim kurulumunun bileşenleri aşağıda. Bileşenlerin üzerine gelerek ya da dokunarak her birinin görevini görebilirsiniz.

Elektrokimyasal aktivasyon (ECA)

Seyreltik tuz çözeltisinin diyaframlı bir hücrede elektroliz edilerek anolit ve katolit adlı iki ayrı çözeltiye dönüştürülmesi.

Elektroliz

İyon içeren bir çözeltiden doğru akım geçirerek kimyasal tepkime oluşturma.

Anot (+)

Pozitif elektrot; yükseltgenmenin olduğu taraf. ECA’da HOCl burada oluşur.

Katot (−)

Negatif elektrot; indirgenmenin olduğu taraf. ECA’da NaOH ve hidrojen burada oluşur.

Diyafram

Anot ve katot bölmelerini ayıran, iyon geçişine izin veren gözenekli ayırıcı.

Anolit

Anot bölmesinden çıkan, HOCl ağırlıklı oksidan çözelti.

Katolit

Katot bölmesinden çıkan, sodyum hidroksit içeren alkali çözelti.

Serbest klor

Sudaki HOCl ve OCl⁻ toplamı. Bağlı klor (kloraminler) bu toplamın dışındadır.

Bağlı klor (kloramin)

Klorun amonyak ve azotlu organik maddelerle oluşturduğu bileşikler; havuzlarda “klor kokusu”nun ana nedeni.

pKa

Bir asidin yarısının ayrıştığı pH değeri. HOCl için yaklaşık 7,5.

CT değeri

Dezenfektan derişimi (mg/L) ile temas süresinin (dk) çarpımı; belirli bir mikrobiyal azalma için gereken dezenfeksiyon “dozu”.

Log azalma

Mikroorganizma sayısındaki onluk düşüş: 3-log = %99,9, 4-log = %99,99.

ORP (redoks potansiyeli)

Çözeltinin yükseltgeme-indirgeme eğilimi; mV cinsinden ölçülür.

Biyofilm

Yüzeylere tutunmuş, kendi ürettiği matrisle korunan mikroorganizma topluluğu.

Akım verimi

Hücreden geçen elektrik yükünün istenen ürüne dönüşen payı.

Meta-stabil

Bir süre etkin kalan ama zamanla daha kararlı (ve daha az etkin) formlara dönüşen durum; anolitin taze kullanılmasının nedeni.

NTU

Bulanıklık birimi (nefelometrik bulanıklık birimi).