Aktif Silika

Aktif silika (Activated Silica), seyreltik sodyum silikat (Na₂SiO₃, su camı) çözeltisinin seyreltik asit (sülfürik asit, karbondioksit) veya diğer aktivatörler (alum, amonyum sülfat, klor) ile kısmi nötralizasyonu sonucu oluşan negatif yüklü kolloidal silika solüdür. Su arıtma süreçlerinde birincil koagülantların (alum, ferrik tuzlar, polialüminyum klorür) etkinliğini artıran koagülant yardımcısı (coagulant aid) olarak kullanılır. Negatif zeta potansiyeli (-20 ila -40 mV) sayesinde pozitif yüklü metal hidroksit floklarını köprüleyerek daha büyük, dayanıklı ve hızlı çöken floklar oluşturur.

Ayrıntılı Açıklama

Aktif silika, su arıtma teknolojisinin en eski sentetik koagülant yardımcılarından biri olup, 1930’larda John R. Baylis tarafından geliştirilmiştir (US Patent 2,217,466). Baylis yöntemi, %1-3’lük sodyum silikat çözeltisinin N/50 sülfürik asit ile %85 oranında nötralizasyonunu ve 1 saat yaşlandırmayı içerir. Bu süreç, monosilisik asitten (H₄SiO₄) polimerize silika zincirlerinin oluşumuna dayanır:

$$ n \text{Si(OH)}_4 \rightarrow (\text{SiO}_2)_n \cdot m\text{H}_2\text{O} + (2n – m)\text{H}_2\text{O} $$

Polimerizasyon jel oluşumundan önce durdurulmalıdır; jel noktası aşıldığında ürün irreversibl hale gelir ve kullanılamaz. Yaşlandırma süresi (30-120 dakika) ve pH kontrolü kritik olup, solün stabilitesini belirler. Modern varyasyonlar arasında:

Alum ile aktivasyon (AS-AL): Daha stabil ve DBP öncüllerini etkili giderir.
Amonyum sülfat yöntemi: Jel riskini azaltır, kloramin kullanan tesislerde tercih edilir.
CO₂ ile aktivasyon: pH ayarı kolay, kostik gerektirmez.
Kimyasal polimerizasyon: Polialüminyum silikat klorür gibi hibrit koagülantlar üretir.

Aktif silika, sweep flocculation ve bridging mekanizmalarıyla çalışır. Pozitif yüklü Al(OH)₃ veya Fe(OH)₃ floklarına adsorbe olarak flok ağırlığını artırır, özellikle düşük sıcaklık (<10°C), düşük turbidite ve yüksek doğal organik madde (NOM) içeren sularda üstündür. Dozaj SiO₂ olarak 0,5-15 mg/L arasındadır; hızlı karıştırma sonrası eklenir.

Son çalışmalar (2020-2025), aktif silikanın elektrokoagülasyon sonrası artık alüminyum gideriminde (2024), pirinç kabuğundan türetilmiş silika ile atıksu koagülasyonunda (2020) ve asit maden drenajı çamur stabilizasyonunda etkinliğini göstermektedir.

Uygulamalar

İçme suyu arıtımında yüzey sularının (nehir, göl, baraj) koagülasyon-flokülasyonunda turbidite, renk, NOM ve DBP öncüllerinin (THM, HAA) giderimini artırır.
Soğuk iklimlerde kış aylarında birincil koagülant performansını korur.
Yumuşak, düşük alkaliniteli sularda flok dayanımını iyileştirir.
Atıksu arıtımında fosfor çöktürme, ağır metal giderme ve çamur kondisyonlama.
Endüstriyel proseslerde (kağıt, tekstil, madencilik) renk, partikül ve organik yük giderimi.
Ters ozmoz öncesi ön arıtma: Silt yoğunluk indeksi (SDI) düşürerek membran fouling’i azaltır.
Elektrokoagülasyon sonrası artık metal (alüminyum) giderimi (2024 çalışmaları).
Asit maden drenajı (AMD) tedavisi: Çamur stabilitesini artırır.

Avantajlar ve Dezavantajlar

Avantajlar

Birincil koagülant dozajını %20-70 azaltarak maliyet tasarrufu sağlar ve çamur üretimini düşürür.
Daha büyük, ağır ve dayanıklı floklar oluşturarak sedimentasyon ve filtrasyon verimini artırır.
Düşük sıcaklık, düşük turbidite ve renkli sularda sentetik polimerlere üstün performans gösterir.
DBP oluşum potansiyelini azaltır, su kalitesini iyileştirir.
İnorganik ve toksik olmayan yapı; gıda uyumlu kabul edilir.
Çamur dewatering’ini kolaylaştırır.
Rejenerasyon veya atık yönetimi gerektirmez.

Dezavantajlar

Tesis yerinde sürekli hazırlanma zorunluluğu; hazır ticari ürün sınırlıdır ve raf ömrü kısadır (1-2 gün).
Hazırlama parametreleri (pH, yaşlandırma süresi, konsantrasyon) hassas; yanlış uygulama jel oluşumuna yol açar.
Sentetik anyonik/katyonik polimerlere göre daha az yaygın kullanım (hazırlama zorluğu nedeniyle).
Yüksek dozajda silika birikimi membran fouling riski yaratır.
Operatör eğitimi ve sürekli izlem gerektirir.
pH ve su kompozisyonuna bağımlılık; bazı sularda etkinlik düşük olabilir.
Modern tesislerde polimerler tarafından büyük ölçüde yer değiştirilmiştir.

Referanslar

[1] Baylis, J.R. “Silicates as Aids to Coagulation”. Journal AWWA, 1937.
[2] US Patent US20060008402A1 – Method for preparing activated silica for water treatment, 2006. https://patents.google.com/patent/US20060008402A1/en
[3] Bhatnagar, A. et al. “Fluoride removal from water by adsorption—A review”. Chemical Engineering Journal, 2011.
[4] Use of activated silica sol as a coagulant aid… Desalination and Water Treatment, 2024. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1944398624030819
[5] Letterman, R.D. “Water Quality and Treatment: A Handbook on Drinking Water”, 6th Edition, AWWA, 2010.
[6] WHO Guidelines for drinking-water quality, 2017. https://www.who.int/publications/i/item/9789241549950