Tekstil Terbiye İşlemlerinde Ultrason Kullanımı
Ultrason teknolojisi bilim ve teknolojide uzun zamandır kullanılmaktadır ve ultrasonik uygulamaların kullanım alanlar ı giderek artmaktadır. Ultrasonun endüstrideki en yaygın kullanım amacı, ultrasonik kavitasyondan yararlanılarak yapılan temizlik işlemidir. Tekstil sanayinde kullanımı yönünde ise çalışmalar yenidir ve hala pratik uygulamaya yansımış değildir. Ultrason teknolojisi endüstrinin farkl ı alanlar ında çe şitli fiziksel ve kimyasal reaksiyonlarda uzun yıllardan beri kullanılmakta ise de yaş terbiye işlemlerinin geliştirilmesinde kullanımı oldukça yenidir. Aynı zamanda ultrason boyama i şlemleri yanı sıra tekstil atık sularının enzimler yardımı ile arıtılmasında da önemli role sahip olmaktadır. Pamuklu kumaşların enzimatik işlemi sırasında ultrason kullanımı, işlem verimliliğini önemli ölçüde arttırmaktadır. Ultrason tekstil endüstrisinde, gerek tekstil materyali üzerinde yabancı maddelerin iyi bir şekilde uzaklaştırılmasında kullanılabilecek ayrıca enzimlerle kombine edilerek, enzimlerin büyük moleküllü olması nedeniyle hareket kabiliyetlerinin dü şük olması dezavantajlar ını gidererek enzimden istenilen etkiyi gerçekleştirmesinde ona destek olacaktır.
ULTRASON
Ultrason insan kula ğının i şitebildiği limitten daha yüksek frekansa sahip sese denir. Bu limit insandan insana de ğişmektedir. Bu de ğer sa ğlıklı bir gençte yakla şık 20 kHz' dir. Frekans ı insanların duyma sınırının üzerinde bulunan mekanik titre şimlerden meydana gelmiş bir enerji çeşidi olan ultrason enerjisi, dalgalar şeklinde ortamda yayılır.
Ses dalgaları de belirtildiği gibi üç gruba ayrılırlar;
· Ses Ötesi (Infrasound) frekansı 20 hertz veya altındaki sestir.
· İşitilebilir ses frekansı 20-20 000 hertz arasında olan sestir.
· Ultrason 20 kHz ile 10 MHz arasında değişen sonik spekturum aralığına sahip işitilemeyen sestir.
Ultrason Dalgalarının Elde Edilmesi
Ultrasonik dalgalar, güç jeneratörleri taraf ından üretilen yüksek frekans ın; transducerlar (ultrason titreştiricileri) vasıtasıyla mekanik basınç dalgalarına çevrilmiş halidir. Transducerlar çekirde ği uygulanan elektrik veya manyetik alana tepkinin boyutlar ını değiştiren piezoelektrik veya magnetostriktiv elementten oluşmuş kompozit malzemelerdir. Transducer ın di ğer parçalar ı ise, enerji transferini geli ştirecek şekilde metalik folyolardan mamul malzemelerdir.
Ultrases dalgaları sıkışıp - seyrelmeler şeklinde maddesel ortamlarda yay ılır. Ultrases dalgalarının bu sıkışıp seyrelme şeklindeki belirgin özelliği ultrasesle temizlemeye neden olan kavitasyon için önemlidir. Kavitasyon kavramı altında bir sıvının içinde boşlukların oluşumu ve bunu takiben de patlamas ı anlaşılır.
Yüksek ultrasonik dalga ile içinde gaz çözülmüş olan bir sıvı işleme tabi tutulduğunda akustik kavitasyon olarak bilinen çok sayıda küçük baloncuklar meydana gelmektedir. Ultrasonik basınç dalgalanmasına bağlı olarak baloncuklar tekrarlı olarak genleşmeye ve büzülmeye başlarlar.Baloncuklar içinde sıcaklık 5000 K ve basınç 300 atm' ye hatta daha güçlü sönmeler sonras ında daha yüksek s ıcaklık ve basınç olu şmaktadır. Bu enerji, kabarc ıkların bulundu ğu bölgeyi ısıtıp, kimyasal reaksiyonlara neden olmaktadır. Baloncukların içindeki bu yüksek bas ınç ve s ıcaklık ile baloncuk içindeki buhar çözülmekte ve OH', O', H' radikalleri, H 202 molekülleri ve 0 3 molekülleri baloncuklar içinde oluşmaktadır. Bu kimyasal ürünler baloncuklar içinde dağılmaktadır. İşte ultrasonun temel prensibi de açığa çıkan bu
yüksek ısı ve enerjinin kullanılabilirliği üzerinedir.
ULTRASON TEKNOLOJİSİNİN TEKSTİL TERBİYESİNDE KULLANIMI
Yıkama ve Durulama İşlemlerinde Ultrason Teknolojisinin Kullanımı
Yıkama, boyama, durulama, ha şıl sökme, hidrofilleştirme ve ağartma gibi ya ş tekstil işlemlerinin iki büyük dezavantaj ı mevcuttur. Bunlar; çok yüksek miktarda enerji ve su tüketmeleri ile uzun işlem sürelerine ihtiyaç duymalarıdır. Yapılan bir çalışmada ultrasonik enerji, reaktif boyarmaddelerle boyama sonrası yap ılan yıkama işleminde kullan ılmıştır. Ultrasonik yıkamada su tüketiminin yar ı yarıya azaldığı, işlem süresinin
kısaldığı ve enerji tasarrufu sağladığı belirtilmektedir.
Literatürde yer alan başka bir örnekte; pamuk lifinin dispers boyarmadde lekelenmesi sonrası yapılan yıkamalarda kumaşın ultrasonik işlem s ırasında gösterdiği değişmeler izlenmiş, periyodik olarak boyarmaddeleri içeren kavitasyon baloncukları oluştuğu, bunların büyüdüğü ve bir süre sonra kumaş üzerinden sıvı ortama yöneldi ği gözlenmi ştir. Bu çal ışmada dispers boyarmadde pamuklu kumaşa herhangi bir kimyasal bağ ile ba ğlanmadığı için, ultrasonik etkiyi daha iyi gözlemlemek için seçilmiştir.
Haşıl Sökme, Pişirme ve Ağartma İşlemlerinde Ultrason Teknolojisinin Kullanımı
Ultrasonik haşıl sökme ile ni şasta haşılının parçalanmasında konvansiyonel ha şıl sökme yöntemine göre enerji tasarrufu sa ğlanmıştır. Ayr ıca, kimyasal maddelerin tasarrufu da söz konusu olmu ştur. İşlemlerin sonucunda elyaf degradasyonu da azalm ıştır. Ula şılan beyazl ık ve kuma şın ıslanma özelliği, ultrasonik metodun uygulanmadığı metodlarla karşılaştırıldığında aynıdır.
Yapılan diğer bir çalışmada yünün sulu ortamda klorlanarak çekmezlik özelli ği kazandırılması ultrasonik ortamda gerçekle ştirilmiştir. Ultrason varl ığında aktif klor miktar ının veya pH dü şüş miktar ının ultrasonun olmad ığı ortamla ayn ı oldu ğu bulunmu ştur ayr ıca ultrason varl ığında ortamda olu şabilecek hidrojen peroksidin hem aktif klor miktar ının kontrolünün sa ğlanmasında hem de klor art ıklarının uzaklaştırılmasında etkili olabilece ği öne sürülmü ştür. Yünün pulcuk yap ısına ise ultrasonik klorlama işlemi ile daha etkili ve homojen bir etkinin sa ğlandığı ve lifin ana gövdesine zarar verilmedi ği bildirilmiştir.
Pamuklu kumaşlarda H2O2 ağartması için 20 kHz'lik bir frekans kullan ıldığında, ağartma hızının arttığı, işlem süresinin de azald ığı görülmüştür. Kumaşın beyazlığının konvansiyonel yöntemle yap ılan ağartma işleminden daha iyi olduğu da belirtilmiştir.
Boyama İşlemlerinde Ultrason Teknolojisinin Kullanımı
Boyarmadde molekülleri çözeltide agregat olu şturma e ğilimindedir ve bu e ğilim boyarmaddenin moleküler kütlesinin göreceli olarak art ışıyla yükselir. Fakat yüksek s ıcaklıklar agregatlar ın parçalanmasına neden olur. Ultrasonik enerjinin çözeltideki boya agregatlar ın parçalanmas ına neden olduğu ve böylece boyarmaddelerin moleküler halde kalmasını sağladığı çok iyi bilinmektedir.
Ultrasonun boyama proseslerinde de kullanılabilirliği üzerine çalışmalar da bulunmaktadır.
Ultrasonun polietilen teraftalat (PET) liflerinin dispers boyarmaddelerle boyanmas ına etkisinin araştırıldığı bir çal ışmada C.I. Dispers Red 60 (DR60) ve C.I. Disperse Blue 56 (DB56), boyarmaddeleri kullanılmıştır. Denemeler sonrasında DB 56 boyarmaddesi ile boyamada ultrason varl ığının boya al ımına ve boyanma hızına etkisinin olmad ığı görülürken DR60 için hem boya al ımının hem de boyama h ızının artt ığı tespit
edilmiştir. DR 60 ile bu etkinin görülmesi di ğer boyarmaddeye göre daha kristalin olan bu boyanın ultrason yard ımıyla daha küçük parçalara ayr ılmasına ba ğlanmıştır. Öte yandan lifin moleküler üstü yapısının da ultrason ile de ğişmediği de tespit edilmi ştir [12]. Db 56’n ın ultrasonlu ve ultrasonsuz boyama kineti ği kar şılaştırıldığında ultrasonla boya al ımı ve boyanma h ızında anlaml ı bir art ış görülmemiştir. PET lifleri ultrasonla DB56 ile boyand ığında patikül boyutunda ve boyama davran ışında hiçbir de ğişiklik olmad ığı görülmü ştür. PET liflerinin boyanmas ındaki etkinin büyük k ısmı boya partiküllerinin boyutuna bağlı olduğu sonucuna varılmıştır.
80C üzerindeki s ıcaklıklarda boya al ımı ve boyanma h ızı oldukça artm ıştır. Boya al ımındaki art ış lifin camlaşma geçi ş s ıcaklığında gerçekle şmektedir. S ıcaklık artt ığında zincir segmentlerinin hareketinin artmasından dolayıdır. PET liflerinin boyanmas ındaki etkinin büyük k ısmı boya partiküllerinin boyutuna bağlı olduğu sonucuna varılmıştır [12].
İpek düşük sıcaklık (45 °C ve 50 °C) ve kısa sürede (15 dk.)ultrasonik ortamda boyandığında, 85 °C'de 60 dk'lık konvansiyonel boyamaya göre daha fazla boya almaktad ır. Bundan ba şka kavitasyonun neden olduğu görünür bir lif zararı yoktur. Pamuklu kuma şların direkt boyarmaddelerle ultrasonik enerji kullan ılarak boyanmas ında boyama kinetiğinin incelendi ği ba şka bir kaynakta, ultrasonik kavitasyonun boyama h ızını artt ırdığı ve kuma ş
üzerine adsorblanan boyarmadde miktar ının daha fazla oldu ğu belirtilmektedir. İki farkl ı direkt boyarmaddenin kinetik değişkenlerine bağlı olarak ultrasonik ve konvansiyonel yöntemlere göre yap ılan boyamalara ait difüzyon katsay ılarının incelendi ği di ğer bir ara ştırmada, ultrasonik yöntemde, kavitasyona bağlı olarak difüzyon katsayısının daha yüksek olduğu ifade edilmektedir. Literatürde yün liflerinin ultrasonik ortamda boyanmas ına ilişkin çalışmalardan bir tanesinde ultrasonun, yün liflerinin do ğal lak boyarmaddesi ile boyanabilirli ğini artt ırdığı belirtilmi ştir. Ultrason; boya flottesindeki büyük moleküllü boyarmadde agregratlar ını parçalayarak banyoda homojen bir dispersiyon dağılımı sa ğlamaktadır. Bunun yan ında banyodaki çözünmemi ş gazlar ın ve lifler aras ında bulunan
havanın uzakla ştırılmasına yard ımcı oldu ğuna dolay ısıyla lif/boyarmadde etkile şiminin artt ığına, boyarmaddenin lif içerisine difüzyonunun arttığına değinilmektedir [14].
Naylon 6,6’n ın ultrasonik ortamda reaktif boyarmadde ile boyanmas ına ili şkin bir çal ışmada, Naylon 6,6’nın konvansiyonel yönteme göre ultrasonik ortamda daha verimli bir şekilde boyandığı belirtilmiştir. Boyama, boyarmaddenin lif yüzeyine adsorbsiyonu ve oradan da lif içerisine difüzyonu olmak üzere iki adımdan oluşmaktadır. Yap ılan denemeler neticesinde naylon 6,6’ n ın boyanmasında, boyamanın ilk 20 dakikasında ultrasonik ve konvansiyonel boyama aras ında bir fark görülmez iken, ultrasonun difüzyon
adımında fark yaratt ığı belirlenmi ştir. Hatta ilk 20 dakikada boyarmadde al ımı aç ısından ultrasonik boyamanın daha kötü olduğu gözlemlenmiştir. Bunun nedeni olarak; ilk dakikalarda ultrasonun ortamdaki gazı uzaklaştırmaya çalışması, boyarmadde agregratlarını parçalamaya çalışması düşünülmüştür.
Literatürde PA/Lycra kar ışımı kumaşların boyanmas ına ili şkin bir çal ışmada, boyamalar konvansiyonel ve ultrasonik olarak iki farkl ı şekilde gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar ultrasonun boya al ımına olumlu etkisi olduğunu, yıkamalarda ise ultrasonik olarak boyanm ış kumaştan banyoya daha fazla boyarmadde geçtiği gözlemlenmiştir. Ayrıca haslıklara da hiçbir olumsuz etkisi olmadığı görülmüştür.
Tekstil Terbiyesinde Ultrason + Ozon Kombinasyonu Kullanımı
Ozon (O 3) oksijenin üç atomlu bir allotropudur ve 2.07 V oksidasyon potansiyeline sahiptir. Bu değer tekstil sektöründe en yayg ın kullan ılan oksidasyon maddelerinden hidrojen peroksitin 1.77 V olan oksidasyon potansiyelinden daha yüksektir. Endüstriyel olarak ozon eldesi için ba şlıca iki metot 185 nm’de UV kullan ımı ve “Corona Discharge” olarak bilinen dielektrik metottur. Ozonun yar ı ömrü suda 200C’da 20 dakika, havada ise 3 gündür. Ozonun sudaki çözünürlü ğü gaz faz ındaki ozonun konsantrasyonu ve sıcaklık ile doğru orantılı olarak değişmektedir. Ozon; ka ğıt endüstrisinde odun hamurunun a ğartılması, at ık sular ın temizlenmesi ve toksik at ıkların giderilmesi, gıda sanayisi sularının dezenfeksiyonu ve otel odalar ı, gemiler, arabalar ve yang ın dumanına maruz kalm ış yap ılarda hava temizli ği ve koku giderimi amac ıyla kullan ılmaktadır. Ozon havuzlar ın
dezenfeksiyonunda da kullanılmaktadır. Tekstil sektöründe ozon denim yıkamasında endüstriyel kullanım bulmuştur.
Dekolorizasyon çal ışmaları için önerilen ba şlıca metotlar aktif kömür kullan ımı, flokulasyon, klorlama, ozonlama, H 2O2 kullan ımı, membran kullan ımı şeklindedir [19]. Bunlar aras ından özellikle ozonlama ümit verici bir metot olup üzerinde son y ıllarda oldukça yoğun çalışmalar yapılmıştır. Ozonlama ile renk gideriminde etkili olan ba şlıca faktörler: pH, temperatür, mekanik ajitasyon, çözelti bile şimi ve ozon dozajı olarak sayılabilir. Ozonlama ile renk giderimi konusunda oldukça başarılı sonuçlar rapor edilmiştir, bununla birlikte KO İ de ğerlerindeki azalma renkteki kadar h ızlı olmamaktad ır. Ara ştırmacılar baz ı
durumlarda renk tamamen giderildikten sonra ozonlamaya devam ederek KO İ gideriminde daha yüksek oranlara ulaşmaya çalışmışlardır.
Yapılan bir çalışmada, düşük ve yüksek pH’larda nötr ortama göre daha yüksek verim alındığı [21], mekanik ajitasyonun kütle transferini artırarak verimi yükselttiği [22] ve temperatürün artmasıyla ozon çözünürlüğünün azalmasına karşın reaksiyon hızının arttığı verimin çok fazla değişmediği görülmüştür. Bunun yanında banyoda bulunabilecek diğer maddelerin, boyama yardımcı kimyasallar ı ve diğer atık sularla karışma sonucu gelen maddeler, ozonu tüketerek ozonlama verimini düşürdüğü görülmüştür. Özellikle boyama banyosunda bulunabilecek diğer kimyasal maddelerin ozonlama verimine ve mineralizasyona etkisi konusunda daha fazla çalışmaya gereksinim olduğu görülmüştür. Oksidasyon reaksiyonlarını moleküler ozon ya da ozonun reaksiyonlar ıyla olu şan radikal türleri verdiğinden ozon dozajı ya da ozonlama süresi arttıkça ozonlama etkinliğinin artacağı açıktır.Endüstriyel kaynaklı boyar madde içeren atıksuların arıtımı zordur ve ileri arıtma tekniği gerektirir. Tekstil atık sular ı yüksek KO İ, pH, sıcaklık ve toksik kat ı madde içeren endüstriyel kirli atıksuların
başında gelmekte ve toksik özelliklerinden dolay ı önemli bir çevresel problem oluşturmaktadır. Bu tip atık suların arıtımı, boyar maddelerin yüksek konsantrasyonlarda organik boyar maddeler, surfaktantlar, komplex yapıda organik bileşikler içeren zor ayrışabilen karmaşık kimyasal yapılara sahip olmalarından dolayı zor ve problemlidir.
Atık suların içeriğindeki organik madde, askıda kat ı madde, nutrient madde ve toksik maddelerin çeşitli arıtma yöntemleriyle istenen düzeye indirgenme gerekliliği son derece önemlidir. İleri oksidasyon prosesleri (İOP), organiklerin oksidatif olarak parçalanması için hidroksil radikallerinin (OH) üretilmesi prensibine dayanan, ortam sıcaklığı ve basınçlı su ar ıtma işlemleri olarak ifade edilmektedir. Hidroksil radikali (OH), ozon ve hidrojen peroksitten daha hızlı reaksiyona girerek, büyük ölçüde ar ıtma maliyetlerini ve sistem boyutunu azalt ır. Ayrıca OH . radikali güçlü, seçici olmayan bir kimyasal oksidanttır. Baz ı buhar fazl ı ileri oksidasyon prosesleri, tek oksijenli veya O(1D) olarak adland ırılan baskın oksidasyon türlerine sahiptir. Pek çok ileri oksidasyon prosesinde temel oksidasyon radikali olarak
kullanılan hidroksil (OH) radikali, yüksek termodinamik oksidasyon potansiyeline sahiptir. Sonokimyasal oksidasyon (Ultrasound/H2O2, Ultrasound/O3 ) gibi kombine ileri oksidasyon proseslerinin yüksek oksidasyon kapasitesine sahip radikal üretimi yapan prosesler olduğu belirtilmektedir. Ozon ve ultrasonun kombine kullanımı ileri oksidatif yöntemler aras ında ümit verici yöntemlerdendir. Yaln ız ultrason veya ozon ile karşılaştırıldığında daha etkili olduğu ve daha az enerji kullan ıldığı görülmektedir. Ayrıca ikincil kirliliğe yol açmama ve kalıcı kirliliklerin giderilmesinde etkili olma avantajlarına sahiptir.
Tekstil Terbiyesinde Ultrason + Enzim Kombinasyonu Kullanımı
Ultrason ile sıvı içindeki yüksek frekanslı ses dalgaları kavitasyona yol açmaktadır. Kumaş enzimatik bir çözelti içinde oldu ğunda oldukça büyük olan enzim molekülleri lif yüzeyine tutunacaklardır. Biyolojik taşlama, kaynatma gibi enzimatik reaksiyonlar, enzim katı ve sıvının birle ştiği s ıvı/katı ara yüzeyine ulaştığında ba şlayacaktır. Ancak bu olay enzimlerin büyük molekül yap ısından dolay ı biraz zaman almaktadır. Bu hacimli moleküller h ızlı bir şekilde bu ara yüzeye ula şamamaktadırlar ve lif içine penetrasyonları da zorla şmaktadır. Enzimlerin bu s ıvı engelini a şarak ulaşımlarını hızlandırmanın en iyi yolu da sıvıya bir hareket, sirkülasyon kazandırmaktır. Ultrason bu amaç için kullan ılabilir. Ultrason sıvı
içinde kavitasyon baloncuklar ı olu şturur ve bu baloncuklar ın patlamas ıyla k ısa fakat şiddetli, şok dalgaları oluşur ve bu şok dalgaları da mükemmel bir harekete geçirme mekanizmas ı olarak görülmektedir. Ultrasonik enerji ile enzimlerin büyük, kararsız molekül yapılarının parçalanmaması için ultrason enerjisi uniform bir şekilde ve dü şük enzim konsantrasyonlar ında uygulanmal ıdır. Enzimatik i şlemlerin ultrasonik enerji ile desteklenmesi sonucu k ısa i şlem süreleri, pahal ı enzimlerin daha az miktarlarda
kullanımı, daha az lif zararı ve daha uniform prosesler sağlanmıştır Yapılan bir çalışmada enzimatik işlemlerde amilaz ve pektinaz ile i şlem görmüş kumaşın ultrasona bağlı
haşıl sökme ve kuma ş ıslanabilirliği değerleri ölçülmüştür. Ultrason varl ığında ha şıl sökme derecesi ve kumaş ıslanabilirliği ultrasonsuz proseslerden aç ıkça daha yüksek oldu ğu belirtilmi ştir. Bu büyük moleküllü enzimleri harekete geçirmek için ultrason mekanizmas ının kullan ılmasıyla sa ğlanmıştır. Ultrason aynı banyoda uyguland ığında elde edilen iyi sonuçlar özellikle önemlidir çünkü böylece ba şka proseslere ihtiyaç duymaks ızın ayn ı banyo ile devam etmek mümkündür. Böylece dü şük su, zaman ve enerji tüketilir ve daha az at ık üretilir. Sonuç olarak ayn ı banyodaki prosesler ekonomik olarak daha önemli olmaya başlamıştır.
SONUÇ
Mevcut tekstil yaş işlemlerinin iki büyük sakıncası vardır: uzun işlem süresi ve düşük enerji verimliliği. Ultrason daha k ısa i şlem süresi, daha ucuz kimyasal madde ve daha az sert fiziksel koşullar gibi avantajlar sunar. Bu avantajlar da daha az maliyet ve belki de daha küçük alan ihtiyac ına neden olur. Tekstil ya ş işlemleri içerisinde ultrason destekli boyamanın en gelecek vaat eden alan olduğuna inanılmaktadır.
Son zamanlarda tekstil boyama ve bitim işlemlerinin neden olduğu çevre sorunlarını çözmek için pek çok araştırma yapılmaktadır. Çeşitli yeni işlemler tanıtılmakta olup, ultrason da çevre sorunlarının çözümüne bir alternatif olarak çalışılmaktadır. Bu işlem serbest radikal üreterek işler ve ardından biyolojik olarak işlem görebilen daha küçük zincirli ve daha az zararlı bileşiklere dönüştürme ya da kirletici maddeleri mineralize etme amacıyla kirletici moleküllere saldırır. Bu da bu teknolojinin özellikle tekstil sektörü açısından nedenli önemli olduğunu göstermektedir. Ultrasonun ozonla kombine edilerek tekstil terbiyesinde kullanılması yeni bir teknolojidir. Ultrason desteği ile ozonun ve enzimlerin mevcut kullanımlarından daha geni ş alanlarda tekstil terbiyesinde faydalı k ılınmasıyla sağlanabilecek kazanımlar enerji tasarrufu, kimyasal madde tasarrufu, çevre dostu üretim, su tasarrufu ve atık yükünde azalmadır. Bütün bu kazanımlar günümüz çevre dostu yaklaşımıyla paralellik göstermektedir.
teknolojikarastirmalar.com
