Polialüminyum klorür (PACl), İngilizcede polyaluminium chloride veya polyaluminum chloride olarak adlandırılan, alüminyum, hidroksit ve klorür içeren inorganik koagülantlar ailesidir. Tek bir saf molekülden oluşmaz; ticari ürünler, alüminyum türlerinin dağılımı ve bileşen oranları bakımından farklılaşır. İçme suyu ve atıksu arıtımında başlıca işlevi, suda dağılmış ince parçacıkların ve bazı organik maddelerin ayrılabilir floklara dönüşmesini sağlamaktır.[1][2]
PACl’nin ayırt edici özelliği, alüminyumun üretim sırasında kısmen hidrolize edilmiş olmasıdır. Bu ön işlem, ürünün bazikliğiyle ilişkilidir ve suya verildikten sonraki asit üretimini, alkalinite gereksinimini ve koagülasyon davranışını etkiler. Ancak yüksek baziklik, ürünün alkali olduğu veya her su için daha iyi sonuç vereceği anlamına gelmez.[2][4]
Literatürde kullanılan PAC kısaltması, aynı zamanda powdered activated carbon, yani toz aktif karbon anlamına gelir. Koagülant ile adsorbanın karıştırılmasını önlemek için polialüminyum klorürün PACl olarak yazılması daha açıktır. Ürün seçimi ise yalnız ada değil, gerçek bileşime ve arıtılacak su üzerinde yapılan deneylere dayanır.[3][9]
Kimyasal kimlik ve adlandırma
Polialüminyum, alüminyum hidroksiklorür ve bazik alüminyum klorür adları PACl ile ilişkili kullanımlardır. Buradaki “poli”, PVC gibi organik bir plastik zincirini değil, birden fazla alüminyum merkezini içeren inorganik türlerin varlığını anlatır. Çözelti, sabit yapılı tek bir polimerden ziyade farklı hidroliz ve birleşme derecelerindeki türleri barındırır.[1][2]
Klorür–hidroksit esaslı aile için kullanılan genel bileşim gösterimlerinden biri aşağıdadır:[8]
$$\mathrm{Al}_{n}(\mathrm{OH})_{m}\mathrm{Cl}_{3n-m}$$
Burada \(n\) alüminyum sayısını, \(m\) hidroksit sayısını temsil eden boyutsuz bileşim indisleridir. Gösterim, belirli bir molekülün geometrisini veya çözeltideki bütün türlerin gerçek yapısını vermez. Sülfat içeren türevlerde yük dengesi sülfatı da kapsar; bu ürünler yalnız klorür içeren gösterimle eksiksiz tanımlanamaz.[4][8]
CAS 1327-41-9, PACl için yaygın kullanılan kayıt numaralarındandır. Bununla birlikte, alüminyum klorür hidroksit sülfat içeren bazı ticari ürünlerde 39290-78-3 kullanılır. Bu nedenle teslim edilen kimyasalın kimliği, kendi güvenlik bilgi formuyla birlikte okunmalıdır.[1][11]
Ailenin tamamına tek bir molar kütle veya yoğunluk atamak doğru değildir. Molar kütle bileşime ve tür dağılımına, çözelti yoğunluğu ise özellikle konsantrasyona bağlıdır. PAC etiketi de tek başına kimliği belirlemez: toz aktif karbon, alüminyum koagülantı değil, yüzeyinde maddeleri tutan karbon esaslı bir adsorbandır.[3][4]
Baziklik, pH ve alkalinite ilişkisi
Baziklik, PACl’de alüminyumun ne ölçüde hidroksillenmiş olduğunu ifade eden bileşim parametresidir. Göreli bazikliğin yüzde olarak kullanıldığı tanım şöyledir:[4]
$$B_{\%}=100\,\frac{N_{\mathrm{OH}}}{3N_{\mathrm{Al}}}$$
Burada \(N_{\mathrm{OH}}\), bileşimdeki hidroksitin mol miktarı; \(N_{\mathrm{Al}}\), alüminyumun mol miktarıdır. İkisi aynı miktardaki ürüne ait olmalıdır. Oran boyutsuzdur; 3 katsayısı alüminyumun üç değerlikli olmasından kaynaklanır. Bu ifade, çözeltide serbestçe bulunan OH⁻ iyonunun derişimini ölçmez. Basitleştirilmiş klorür–hidroksit gösteriminde aynı ilişki \(B_{\%}=100m/(3n)\) biçiminde yazılabilir.[4][8]
Baziklik bir ürün özelliği, pH ise çözeltinin asitlik durumunu gösteren ayrı bir ölçümdür. Dolayısıyla yüksek baziklikte bir PACl çözeltisi yine asidik olabilir. Örneğin incelenen bir ticari sıvı ürünün SDS’sinde pH 1,8–2,5 olarak verilmiştir; bu aralık bütün PACl ürünlerinin özelliği değildir.[4][11]
Alkalinite ise arıtılacak suyun eklenen asidi karşılayabilmesiyle ilgilidir. PACl önceden kısmen hidroksillendiğinden, hidroksit floklarının oluşumu sırasında şapa göre genellikle daha az asit üretir ve daha az alkali düzeltmesi gerektirir. Bu durum, özellikle alkalinitesi düşük sularda seçim gerekçesi olabilir; ancak pH kontrolü gereksinimini ortadan kaldırmaz.[2][10]
Ürün belgesindeki baziklik değeri karşılaştırılırken kullanılan tanım belirtilmelidir. Hidroksit/alüminyum mol oranıyla yüzde göreli baziklik aynı sayısal büyüklük değildir. Ayrıca baziklikten tek başına bir Al₁₃ yüzdesi, kesin optimum pH veya arıtma verimi hesaplanamaz.[4][6]
Koagülasyon mekanizması ve türleşme
Birçok doğal kolloid, yüzey yükleri nedeniyle birbirini iterek suda dağılmış kalır. PACl’nin pozitif yüklü alüminyum türleri, bu yüzeylerle etkileşerek parçacıkların kararlılığını azaltır. Yük nötrleşmesi olarak açıklanan bu etki, parçacıkların çarpıştığında birbirine tutunmasını kolaylaştırır.[2][7]
Uygun koşullarda oluşan alüminyum hidroksit çökelekleri ikinci bir yol sağlar. Parçacıklar büyüyen hidroksit flokları içinde tutulabilir; bazı organik maddeler de flok yüzeylerine bağlanabilir. Bu nedenle PACl’nin etkisi yalnız çözünmüş türlerin elektriksel yüküne indirgenemez. Hidroksit oluşumu, yüzeyde tutunma ve fiziksel yakalama birlikte rol oynayabilir.[2][7]
Koagülasyon, parçacıkların kararsızlaştırılmasıdır; flokülasyon ise uygun karıştırmayla daha büyük kümeler oluşturulmasıdır. Oluşan flokların sudan gerçekten uzaklaştırılması için çöktürme, flotasyon veya filtrasyon gibi ayırma adımları gerekir. Yalnız görünür flok oluşması, arıtmanın tamamlandığını göstermez.[7][9]
Türleşme, toplam alüminyumun hangi kimyasal biçimler arasında dağıldığını anlatır. Al₁₃ gibi çok çekirdekli türler araştırmalarda önem taşır; ancak PACl’nin tamamını Al₁₃ olarak tanımlamak yanlıştır. Hu ve çalışma arkadaşlarının ötrofik kaynak suyundaki deneylerinde verim, başlangıç ürünündeki Al₁₃ miktarından çok koagülasyon sırasında bulunan türlerle ilişkili bulunmuştur. Aynı çalışmada AlCl₃, incelenen PACl’den daha iyi sonuç vermiştir. Bu bulgu, belirli bir ürün özelliğinin her matriste üstünlük sağlamadığını gösterir; bütün PACl ürünlerine yönelik bir başarısızlık sonucu değildir.[6]
Üretim ve ticari ürün farklılıkları
Üretimde alüminyum içeren hammaddeler ve hidroklorik asit kullanılır. İstenen bazikliğe göre düşük baziklikteki ürünün ilave bazlaştırılması gibi farklı yollar uygulanabilir. Üretim koşulları, son ürünün konsantrasyonu ve alüminyum türlerinin dağılımı üzerinde etkilidir. Çok yüksek baziklikteki ilgili ürünlerden biri aluminium chlorohydrate, yani alüminyum klorohidrattır; ACH adı taşıyan bir ürünün özellikleri sıradan bir PACl sınıfına doğrudan aktarılmamalıdır.[1]
PACl çoğunlukla sulu çözelti olarak sağlanır; katı ve toz formlar da bulunur. Ticari sınıflar, baziklik yanında çoğu kez Al₂O₃ eşdeğeri üzerinden tanımlanır. Bu beyan, alüminyum miktarının alüminyum okside eşdeğer biçimde ifade edilmesidir; çözeltinin aynı oranda katı alümina parçacığı içerdiği anlamına gelmez.[1][5]
Örneğin bir üretici %10 ve %18 Al₂O₃ içeren sınıflar ile %13 Al₂O₃ ve %70 baziklik içeren ayrı bir sınıf sunmaktadır. Bunlar evrensel kalite basamakları değil, farklı formülasyon örnekleridir. Daha yüksek konsantrasyon, aynı ürün kütlesiyle daha fazla alüminyum verilmesini sağlar; fakat kendi başına daha iyi koagülasyon kanıtı değildir.[5]
Sülfat içeren PACl türevleri ve yardımcı kimyasal içeren harmanlar da bulunabilir. Bu nedenle ürün değiştirilirken yalnız ticari adın veya rengin aynı olması yeterli değildir; gerçek bileşim, baziklik ve yardımcı bileşenler karşılaştırılmalıdır.[1][4][11]
Su ve atıksu arıtımındaki uygulamalar
İçme suyu ve proses suyu
İçme suyu arıtımında PACl, bulanıklık oluşturan kolloidlerin ve bazı renk bileşenlerinin ayrılmasına yardımcı olan birincil koagülanttır. Doğal organik maddenin koagülasyonla uzaklaştırılabilen bölümünün azaltılması, sonraki dezenfeksiyonda yan ürün oluşturabilecek öncüllerin kontrolüne de katkı sağlayabilir. Ancak bu etki bütün çözünmüş organik bileşiklerin aynı ölçüde giderildiği anlamına gelmez.[2][7]
PACl dozlaması dezenfeksiyonun yerine geçmez. Koagülasyon ve filtrasyonla fiziksel uzaklaştırma ile mikroorganizmaların dezenfektan veya başka bir yöntemle etkisizleştirilmesi farklı işlevlerdir. Proses suyu ve havuz suyu uygulamalarında da PACl’nin görevi esas olarak berraklaştırma ve filtrasyona yardımcı olmaktır.[3][5]
Atıksu ve fosfor giderimi
Belediye ve endüstriyel atıksularda PACl, katı–sıvı ayırmayı desteklemek ve koagüle edilebilir kirletici bölümünü uzaklaştırmak için kullanılabilir. Çamur susuzlaştırma uygulamaları da bulunmaktadır; ancak içme suyu için seçilmiş bir ürünün başka bir atıksu matrisinde aynı sonucu vermesi beklenemez.[1]
PACl, kimyasal fosfor gideriminde değerlendirilen alüminyum esaslı kimyasallardandır. Burada ortofosfat ile diğer fosfor biçimleri ayrılmalıdır: bütün toplam fosfor, tek bir çöktürme tepkimesine aynı biçimde katılmaz. Gerekli metal miktarı; hedeflenen çıkış kalitesi, pH, organik ve askıda madde yükü, dozlama noktası ve flokların ayrılmasıyla birlikte değişir. Basit bir stokiyometrik oran, tesis için kesin doz reçetesi değildir.[8]
Ürün seçimi ve dozun belirlenmesi
PACl seçimi, ham suyun veya atıksuyun özellikleriyle başlar. Bulanıklık ve renk yanında pH, alkalinite, sıcaklık, organik madde ve mevcut ayırma prosesi değerlendirilir. Amaç, yalnız en büyük flokları elde etmek değil, istenen çıkış kalitesini kararlı biçimde sağlayan ürün–doz–pH birleşimini bulmaktır.[9][10]
Farklı ürünler karşılaştırılırken dozun ifade edildiği esas açık yazılmalıdır. Ticari ürünün mg/L cinsinden dozu, Al₂O₃ eşdeğeri veya elementel Al olarak verilen dozla aynı değildir. Alüminyum konsantrasyonları farklı ürünlerin eşit hacimde uygulanması, eşit alüminyum dozu sağlamaz. Bu, konsantrasyon beyanlarından çıkan bir kütle dengesi sonucudur; ürün performanslarının eşit olduğunu göstermez.[5][8]
Kavanoz deneyi veya jar testi, aynı su numunesinde farklı doz ve pH koşullarını karşılaştırır. Deneyde kimyasal ekleme sırası, hızlı ve yavaş karıştırma, flok gelişimi ve çökelme koşulları kaydedilir. Arıtılmış numunelerin bulanıklık ve renk gibi sonuçları, yalnız görsel flok büyüklüğünden daha anlamlı bir değerlendirme sağlar.[9]
Bu deney tesisin bütün hidrolik ve filtrasyon davranışını eksiksiz taklit etmez. Özellikle nihai bulanıklık, toplam alüminyum kalıntısı veya işletme kapasitesi doğrudan kavanozdan öngörülemez. Sonuçlar gerçek tesis gözlemleriyle doğrulanmalı, önemli ürün ve proses değişikliklerinde uygun ölçekli denemelerle desteklenmelidir. Bu nedenle bütün sular için geçerli sabit bir PACl dozu verilmez.[9]
Dozlama ve işletme kontrolü
Seçilmiş dozun suya homojen dağılması, ürün seçimi kadar önemlidir. Yetersiz dağılım, akımın bir bölümünün az kimyasal almasına yol açabilir. Bunu yalnız dozu yükselterek telafi etmek kimyasal tüketimini ve kalıntı metal riskini artırabilir. Flok oluştuktan sonraki aşamalarda ise aşırı türbülans flokların parçalanmasına neden olabilir.[10]
İzlenen pH, yalnız ham su pH’sı değil, koagülant ve varsa pH düzenleyiciler eklendikten sonraki koagülasyon pH’sı olmalıdır. Asit veya alkalinin koagülanttan önce ya da sonra eklenmesinin etkisi tesise özgüdür; tek bir dozlama sırası bütün sulara uygulanamaz.[10]
Arıtılmış sudaki alüminyumun düşük tutulması, alüminyumun floka geçmesi kadar bu flokların etkili ayrılmasına da bağlıdır. Çözünmüş ve toplam alüminyumun farklı ölçümler olduğu dikkate alınmalıdır. Berrak görünen bir numune tek başına uygun kalıntı düzeyini kanıtlamaz; buna karşılık flok taşınması toplam alüminyumu yükseltebilir.[2][9]
Akış akımı, yani streaming current, parçacık yüküyle ilişkili bir kontrol sinyali sağlayabilir. Bununla birlikte sinyal; pH, iyonik güç, karışma ve numune alma koşullarından da etkilenir. Hedef değer başarılı tesis koşullarında belirlenmeli, otomasyon tasarım veya dağılım kusurlarını düzelten bağımsız bir çözüm sayılmamalıdır.[10]
Uyumluluk, depolama ve güvenli kullanım
Arıtma prosesinde birlikte kullanılabilme, konsantre kimyasalların aynı tankta karıştırılabileceği anlamına gelmez. İncelenen PACl çözeltisinin SDS’si; klorit, hipoklorit ve sülfitlerle temastan kaçınılmasını, diğer alüminyum ve demir tuzlarıyla karıştırmanın jel veya çökelti oluşturabileceğini belirtir. Ürün değişiminde tank ve dozlama sistemindeki önceki kimyasal kalıntıları için temizlik ve uyumluluk değerlendirmesi gerekir.[11]
Seyreltme de koşulsuz bir depolama işlemi değildir. PACl, yeterince seyreltildiğinde hidrolize olup alüminyum hidroksit çökeltebilir. Bu nedenle seyreltme oranı ve bekletme koşulları ürün talimatına göre belirlenir. Tank, boru, pompa ve conta malzemeleri de genel bir “kimyasala dayanıklı” tanımına göre değil, gerçek formülasyonla uyumuna göre seçilir.[4]
Güvenlik bilgi formu, yani SDS veya GBF, teslim edilen ürün için okunmalıdır. Örneğin incelenen sıvı sınıf H290, “metaller için aşındırıcı olabilir”, ve H318, “ciddi göz hasarına yol açar”, ifadeleriyle sınıflandırılmıştır. Uygun eldiven, koruyucu giysi ve göz/yüz koruması belirtilir. Yüksek baziklik, bu mesleki tehlikelerin yokluğu anlamına gelmez.[11]
Depolamada kapların uygun biçimde kapatılması, aşırı sıcaklık değişimlerinin ve kirlenmenin önlenmesi önemlidir. Döküntüler yüzey suyuna veya kanalizasyona bırakılmadan kontrol altına alınmalı, ürünün SDS’sine ve geçerli yerel kurallara göre yönetilmelidir. Bir sıvı ürüne ait taşıma sınıfı veya koruyucu ekipman ayrıntısı bütün katı ve sıvı PACl sınıflarına otomatik aktarılmamalıdır.[11]
Ürün kalitesi, sertifikasyon ve sınırlamalar
İçme suyu uygulamasında ürünün koagülasyon performansı yanında saflığı da önemlidir. Hammadde ve üretimle ilişkili iz elementler bulunabileceğinden, alüminyum içeriği ve baziklik tek başına içme suyuna uygunluğu kanıtlamaz. PACl’den gelen alüminyumun büyük bölümü uygun arıtmayla uzaklaştırılır; klorür ise suya eklenen iyon yükünün bir parçası olarak kalabilir. Değerlendirme, kullanılan doz ve nihai su kalitesi üzerinden yapılır.[2][4]
Standart ile ürün sertifikası farklıdır. Bir standart, değerlendirme koşullarını tanımlar; belirli bir ürünün o koşullar altında belgelendirilmiş olduğunu tek başına göstermez. Ayrıca eski bir standart baskısındaki uygunluk beyanı, güncel ulusal kullanım izni olarak yorumlanamaz. Bu maddede kullanılan EN 883:2004 metni, kimyasal açıklamalar için başvurulan eski bir belgedir.[4][12]
NSF/ANSI/CAN 60 kapsamında sertifikalı ürünlerde şirket, ürün adı, üretim tesisi ve azami kullanım düzeyi resmî kayıtla eşleşmelidir. Azami kullanım düzeyi bir sertifikasyon sınırıdır; işletmenin optimum doz önerisi değildir. Tesis dışı yeniden ambalajlama, seyreltme veya harmanlama da sertifikasyon kapsamını değiştirebilir. Bu çerçeve Türkiye için kendiliğinden bir yasal zorunluluk oluşturmaz; ilgili ülkenin kabul koşulları ayrıca belirlenir.[12]
PACl, her kirletici için evrensel bir giderim yöntemi değildir. Başarısı koagüle edilebilir kirletici bölümüne, su kimyasına ve flokların ayrılmasına bağlıdır. Kimyasal fosfor giderimi gibi uygulamalarda ek çamur oluşumu ve alkalinite gereksinimi de değerlendirilir. Sonuç olarak uygun ürün, yalnız bazikliği veya konsantrasyonu en yüksek olan değil; hedef su kalitesini, kalıntı kontrolünü ve tesis işletmesini birlikte karşılayan üründür.[6][7][8][10]