volume: 5 issue : 2 year : 2017 - apjes · ii volume 5 / issue 2 journal of engineering and science...
TRANSCRIPT
i
Volume: 5
Issue : 2
Year : 2017
ii
Volume 5 / Issue 2
Journal of Engineering and Science
Editor in Chief (Owned By Academic Platform)
Prof.Dr.Mehmet SARIBIYIK, Sakarya University, Turkey
Editors
Prof.Dr. Barış Tamer TONGUÇ, Sakarya University, Turkey
Assoc. Prof. Dr. Fatih ÇALIŞKAN, Sakarya University, Turkey
Asst. Prof. Dr. Hakan ASLAN, Sakarya University, Turkey
Support
Lec. Gökhan ATALI, Sakarya University, Turkey
Members of Advisory Board
Prof. Dr. Abdullah Çavuşoğlu, Council of Higher Education, Turkey
Prof. Dr. Mehmet Emin AYDIN, University of West of England, England
Prof. Dr. Erol ARCAKLIOĞLU, The Scientific and Technological Research Council of Turkey
Prof. Dr. Fahrettin ÖZTÜRK, The Petroleum Institute, The United Arab Emirates
Prof. Dr. Ahmet TÜRK, Celal Bayar University, Turkey
ISSN: 2147-4575
Contact
Academic Platform
http://apjes.com/
iii
Journal of Engineering and Science
Contents The Removal of Cd From Aqueous Solution Using Sorbents Almont Shell Immobilized On Amberlite XAD-4
1-14
Use of Intermittent (Partial) Aerobic, Hybrid and Anaerobic Treatment Methods in Waste Management
15-21
Processing of Traffic Density Map Images Using Image Processing Techniques
22-28
Argon ICP Plasma Simulations Related to the Effect of the Gas Flow Rate and the Location of the Coils to the System Working Parameters
29-38
Determining Plastic Hinge Length of High Strength RC Beams
39-47
Glutathione Reductase Activity in Soybean Plants and Changes in mRNA Levels with Salicylic Acid in Drought Stress
48-52
iv
Journal of Engineering and Science
İçindekiler Amberlit XAD-4 Polimerinin Biyosorbent Katkı Malzemesi Badem Kabuğu Kullanılarak Sulu Çözeltiden Cd Giderilmesi
1-14
Kesikli (Kısmi) Aerobik, Hibrit ve Anaerobik Arıtma Yöntemlerinin Atık Yönetiminde Kullanılması
15-21
Trafik Yoğunluk Harita Görüntülerinin Görüntü İşleme Yöntemleriyle İşlenmesi
22-28
İndüksiyon Eşlenikli Argon Plazmasında Akış Debisi ve Bobin Lokasyonunun Sistem Çalışma Parametrelerine Etkisi İle İlgili Simülasyonlar
29-38
Yüksek Dayanımlı Betonla Üretilmiş Kirişlerde Plastik Mafsal Boyunun Belirlenmesi
39-47
Soya Bitkisindeki Glutatyon Redüktaz Aktivitesi ve mRNA Seviyesinin Kuraklık Stresinde Salisilik Asit ile Değişimleri
48-52
İ. TEĞİN/APJES 5-2 (2017) 01-14
*Sorumlu Yazar: Siirt Üniversitesi, Bilim ve Sanat Fakültesi, Kimya Bölümü, 56100 , Siirt ,
[email protected], Tel: 0 484 212 25 95
Doi: 10.21541/apjes.289151
Amberlit XAD-4 Polimerinin Biyosorbent Katkı Malzemesi Badem Kabuğu
Kullanılarak Sulu Çözeltiden Cd Giderilmesi
*1İbrahim Teğin ve 1Selma Akdeniz
*1Siirt Üniversitesi, Sanat ve Tasarım Fakültesi, Kimya Bölümü, Türkiye
[email protected], [email protected]
Geliş Tarihi: 2017-02-01 Kabul Tarihi: 2017-06-30
Öz
Bu çalışmada, biyosorbent olarak badem kabuğu ile immobilize edilmiş amberlit XAD-4 polimerinin üzerine
Cd(II) iyonlarının katı faz özütleme yöntemi ile zenginleştirilme şartları araştırıldı. Bunun yanında, geri kazanım
verimi üzerine ortamın pH etkisi, elüent türü ve derişimi, çözelti akış hızı, çözelti hacminin etkisi, tuz etkisi,
kolonun tekrarlanabilirliği, çevre örneklerine ve sertifikalı referans maddeye uygulanması araştırılmıştır. Önerilen
yöntem ile Cd için 10 kat zenginleşme sağlanmıştır. Optimum şartlarda, % 95 güven seviyesinde Cd geri kazanım
verimi % 98,87 ± 3,85 olarak bulunmuştur. Ayrıca % 95 güven seviyesinde, 3 tekrar deneyi için % bağıl standart
sapma değeri Cd için % 3,21 olarak bulunmuştur.
Anahtar kelimeler: Amberlit XAD-4, solid faz ekstraksiyonu, eser element, Cd
The Removal of Cd From Aqueous Solution Using Sorbents Almont Shell
Immobilized On Amberlite XAD-4
*1İbrahim Teğin and 1Selma Akdeniz
*1Siirt University, Faculty of Science and Art, Department of Chemistry, Turkey
Received date: 2017-02-01 Accepted date: 2017-06-30
Abstract
In this study; statistical process control is being used on spinwelding machine process. All parameters that used
on process control is tested with various type of experiments and effect of these parameters to the capability is
analysed. Mini-tap part-cabality analyses, pull-of tests of samples, leaking test, shock test, burst test, visual and
optic mıcroscope controls of crosscut samples are examined. As a result of all detailed analyses; special appropriate
parameters for machine are defined and with statistical process control – errorproof works(Poka-Yoke, sensor)
process is kept under control and ensure its continuity. With this conclusion scrap parts ratio is kept in minimum
level in this spinwelding machine.
Keywords: Amberlite XAD-4, solid phase extraction, trace element, Cd
1. Giriş
Gelişen dünyada ağır metal kirliliği, halk sağlığı ve
doğal hayat için önemli bir risk olup her geçen gün
kapsamı genişleyip, etkileri artmaktadır. Bu
elementlerin çok düşük miktarlarda bulunması çevre
ve insan sağlığı için önemliyken, fazla miktarlarının
akut ve kronik zehirlenmeye neden olduğu
bilinmektedir [1].
Eser element analizinde kullanılan katı-sıvı
ekstraksiyon tekniği, ucuz, kolay ve hızlı olmasından
dolayı çok yaygın ve sıkça kullanılan bir tekniktir
[2]–[5]. Aynı zamanda, bu teknikle yapılan analizler,
büyük numune hacimleri ile çalışabilme ve en
önemlisi yüksek bir zenginleştirme faktörü elde etme
gibi önemli avantajlar sağlamaktadır Bu yöntemde
analit doğrudan doğruya model çözelti ortamına
eklenir, daha sonra hazırlanan kolona yerleştirilir ve
uygun kolon dolgu maddesiyle doldurulmuş
kolondan geçirilir. Proba bağlanan iyon, uygun bir
eluent çözeltisi ile elüe edildikten sonra, elüasyon
çözeltisinin içeriği, atomik absorpsiyon
spektroskopisi gibi bir enstrümental cihazla analizi
yapılır [6]–[8]. Son yıllarda, çözeltiden ağır metali
uzaklaştırmak için düşük maliyetli biyosorbent
İ. TEĞİN/APJES 5-2 (2017) 01-14
geliştirme çabaları hızlanmıştır. Biyosorpsiyon
işlemi, bir katı faz (sorbent veya adsorban) ve metal
iyonlarını adsorbe etmek için çözünmüş türleri
barındıran bir sıvı faz içerir. Biyosorpsiyon, ağır
metallerin biyokütle ile hızlı ve geri dönüşümlü bir
reaksiyonudur. Biyomateryalden elde edilen yan
ürünler ucuz bir biyosorbent kaynağıdır. Turbo,
linyit ve hümik asitler, işlenmiş aktif karbonlar ve
kömür temelli doğal adsorbanlar, kitosan esaslı
polimerik sürfaktanlar, uçucu kül, mikrobik
biyokütle ve soya fasulyesi tekneleri, ceviz
kabukları, pamuk tohumu gövdeleri ve mısır
koçanları, ceviz kabuğu, hindistan cevizi elyafı,
mantar biyokütlesi, yağsız pirinç kepeği, pirinç
gövdeleri, soya gövdeleri ve pamuk tohumu
gövdeleri, buğday kepeği, pamuk ve hardal tohumu
kekleri, kabuklu hayvanlar diğer tarımsal ürünler
gibi biyosorbanları kullanarak ağır metallerin etkin
bir şekilde uzaklaştırılması için çeşitli fikirler
araştırılmış ve geliştirilmiştir [9]. Biyosorbent olarak
badem kabuğunu kullanarak Cr (VI) [9], Pb (II) [10],
Ni(II), Cd(II) [11], Zn (II) ve Cu(II) [12], [13]
iyonlarının çözeltiden uzaklştırılmasına çalışılmıştır.
Bunun yanında badem kabuğunu kullanarak asit
boyalarının çözeltiden uzaklaştılmasına çalışılmiştır
[14].Yapılan çalışmalarda badem kabuğu kullanarak
adsorpsiyon kapasitesi Pb(II) için 8,08 mg g-1[10],
Cr (VI) için 3,40 mg g-1[9] bulunmuştur.
Amberlite XAD adsorbentleri, oldukça çapraz
bağlanmış, macroretülan polistiren, alifatik veya
fenol-formaldehit kondensat polimerlere dayanan
çok gözenekli küresel polimerlerdir. XAD reçineleri
polimerik matrise dayanarak iki ana gruba ayrılır.
Polistiren-divinil benzen esaslı XAD-1, XAD-2,
XAD-4, XAD-16, XAD-1180, XAD-2000, XAD-
2010 ve poliakrilik asit ester esaslı XAD-7, XAD-8
ve XAD-11 reçineleridir [15]. XAD reçineleri,
şelatlayıcı ligandların immobilizasyonu için
kopolimer omurgası olarak gözeneklilik, üniform
gözenek boyutu dağılımı, yüksek yüzey alanı,
dayanıklılık ve asit, baz ve oksitleyici ajanlara karşı
kimyasal kararlılık gibi üstün özelliklere sahiptir.
Literatürde, sulu çözeltiden metal iyon ayrımı ve ön
konsantrasyon için uygun olan XAD-2 [16], XAD-4
[6], [17]–[19] ve XAD-7 [20] kopolimerlerinden
sentezlenen birçok kenetleme iyon değiştiricisi tarif
edilmiştir [7]. Absorplayıcı reçine (polisitiren divinil
benzen) olarak Amberlite XAD-4, yüzey alanı 750
m2g-1, gözenek çapı 4 nm ve gözenek boyutu 20-60
mesh olup Sigma firması tarafınfan ürtilmektedir
[6]. Pyrocatechol [15], 2-hidroksi-3-
metoksibenzaldehit [16], o-aminobenzoik asit [7]
Salinivibrio Sharmensis [6] ve Pleurotus eryngii [21]
ile işlevselleştirilen XAD reçineleri kullanılarak Ni,
Co, Cu, Cd ve Co gibi tayin edilen ve zenginleştirme
yapılan eser elementlerden bir kaç çalışma örnek
veriliebilir [21].
Ağır metallerin analizinde yaygın olarak alevli
atomik absorpsiyon spektroskopisi [19], [22]–[26],
elektrotermal atomik absorpsiyon spektroskopisi
[27]–[29], indüktif eşleşmiş plazma-optik emisyon
spektroskopisi[30]–[33] ve indüktif eşleşmiş
plazma-kütle spektroskopisi [34]–[36][21] gibi
analitik teknikler kullanılmaktadır.
Bu çalışmanın amacı, biyosorbent ile modifiye
edilmiş Amberlit XAD-4’ü [1], [7], [24], [29], [32],
[37]–[39].katı faz özütleme yönteminde adsorban
olarak kullanarak eser düzeydeki Cd(II) iyonunun
zenginleştirme şartlarını araştırmaktır. Çalışılan
metal iyonların geri kazanma verimine ortamın pH’ı,
elüent türü ve derişimi, çözelti akış hızı, çözelti
hacminin etkisi, tuz etkisi, kolonun
tekrarlanabilirliği, sertifikalı referans madde
(Aquatic Plant Sample) ve çevre örneklerine
uygulanması incelenmiştir.
2. Malzeme ve Yöntem
2.1. Kullanılan Aletler ve Çalışma Koşulları
Bedem kabuğu immobilize edilmiş Amberlit XAD-
4 örneğinin Xışını spektromu için X - Işınları Toz
Difraksiyon (XRD) Bruker AXS D8 Advance Model
cihaz ile yapılmıştır. SEM görünümü için Taramalı
Elektron Mikroskobu (SEM) LEO 440 Computer
Controlled Digital model kullanılmıştır. TG/DTA
analizi için Termogravimetrik ve Diferansiyel
Termal Analiz (TG/DTA) Perkin Elmer Diamond
model cihaz ile yapılmıştır. FT-IR analizleri için
Perkin Elmer Spectrum 100 FT-IR model alet
kullanılmıştır. Yüzey Alanı ve Porozite analizi için
de Yüzey Alanı ve Porozite (Gözeneklilik) Analiz
(BET) Micromeritics Gemini VII Surface Area and
Porosity model cihaz ile yapılmıştır. pH ölçümleri
için HANNA Instruments HI 2211 Ph/ORP Meter
markalı pH metre ve çözeltiyi kolon üzerinden
geçirmek için Watson Marlow 120 S markalı
peristaltik pompa kullanılmıştır. Karıştırma işlemleri
için IKA Werke RT-10P markalı manyetik
karıştırıcıdan yararlanılmıştır. Çalışma suresince
çapı 1cm ve boyu 10 cm (1.0 cm x 10 cm) katı faz
ekstraksiyon filtrasyon kolonları ve metal
iyonlarının konsantrasyonunu belirlemek için Perkin
Elmer AAnalyst 700 markalı Atomik Absorpsiyon
Spektrometresi kullanılmıştır. Atomik absorpsiyon
spektrofotometrenin çalışma koşulları ve çalışmada
yer alan analitin analitiksel karakteristikleri Tablo 1
ve Tablo 2’de verilmiştir.
2
İ. TEĞİN/APJES 5-2 (2017) 01-14
Tablo 1. Atomik absorbsiyon spektrofotometresinin çalışma koşulları
Cd2+
Dalga Boyu (nm) 228,8-326,1
Asetilen Akış Hızı (L/dakika) 1,8
Bağıl Gürültü 0,9-1,0
Konsantrasyon (mg/L) 0,028-11
Tablo 2. Çalışmada yer alan analitin analitiksel karakteristikleri
Metot Element Lineer Aralık (C) Eğim Kesim R2 Regresyon Eşitliği
AAS Cd2+ 0,028-11 0,09157 0,001137 0,9975 A=0,1841+0,0023
A= Absorbans, C=Konsantrasyon
Çalışma süresince kadmiyum çözeltileri günlük
olarak, stok standart çözeltilerinden (Merck, 1000
mg/L) seyreltilerek hazırlandı. BCR-670 Aquatic
Plant Sample sertifikalı standart referans madde
(SRM) örneği, Berghof Speed Wave (MWS-3)
mikrodalga örnek çözücü sistemi kullanılarak
çözünürleştirilmiştir. Çözünürleştirme için yaklaşık
0,50 g BCR-670 sertifikalı standart referans örneği
tartılıp bir PTFE kabına konulmuş ve üzerine 10 mL
HNO3 (% 65) ve 2 mL H202 (% 30) ilave edilip
kapağı yaklaşık 25 dakika sonra kapatılmıştır.
Aquatic Plant Sample sertifikalı standart referans
maddesinin çözünürleştirilmesi için mikro dalga
fırın ısıtma programı, Tablo 3’te verildiği gibi
yapılmıştır. Daha sonra, kalıntı deiyonize su
içerisinde çözündürülüp ve filtrelenmiştir. Süzülen
çözelti, deiyonize su ile 50 mL'ye tamamlanmıştır.
Çalışmalarda kullanılan cam malzemeler sırasıyla
deterjan, çeşme suyu, 1:1 HNO3, çeşme suyu, 1:1
HCl, çeşme suyu ve son olarak deiyonize su ile iyice
yıkanmıştır [40], [41]. Durulanan malzemeler etüvde
110 oC’de kurutulup tekrar kullanıma hazır hale
getirilmiştir.
Tablo 3. BCR-670 Aquatic plant sertifikalı refrans madde için mikro dalga fırının çalışma programı
Step 1 2
T (°C) 150 190
P (bar) 50 50
Power (%) 70 90
Ta (dk 5 1
Time (dk) 10 10
2.2. Adsorbentin Hazırlanması
Amberlit XAD-4 kopolimerleri, farklı monomerler
kullanılarak elde edilen geniş yüzey alanına sahip bir
polimer çeşididir. Bu polimerler, sert ve değişmeyen
gözeneklere sahiptir. Organik çözücülere, asit ve
bazik ortamlara karşı dayanıklıdır. Deneyde
kullanılan Amberlit XAD-4 polimerinin ortalama
yüzey alanı 780 m2/g ve gözenek çapı 5 nm,
polistiren–divinilbenzen kopolimeri olup apolar
özelliğine sahiptir. Bu polimer Sigma Aldrich
firmasından temin edilmiştir. Kolonlarda kullanmak
üzere yaklaşık 50 g Amberlit XAD-4 alınarak
sırasıyla etanol, 4 M HCl ve saf su içinde 60 dakika
süreyle temasta tutulmuştur. Daha sonra yıkanıp 105 0C’da kuruyana kadar etüvde bekletilmiş ve
kurutulan Amberlit XAD-4 polimeri daha sonraki
çalışmalarda kullanılmak üzere polietilen şişelerde
muhafaza edilmiştir [6], [21].
2.3. Biyosorbentin Hazırlanması
Biyosorbent olarak kullanılan Badem kabuğu
memert markalı öğütücüde öğütülüp daha sonra -60
mesh boyutundaki elekten geçirilmiştir.
Biyosorbente bulunan safsızlıkları uzaklaştırmak
için [42] biyosorbent destile su ile yıkanıp tekrar
etüvde kurutulmuştur. Daha sonra havanda öğütülüp
-60 mesh elekten geçirilmiştir.
2.4. SPE Kolonunun Hazırlanması
Hazırlanan biyosorbentten 0,250 g, 1,00 g Amberlit
XAD-4 ve 10 mL saf su 60 dakika boyunca manyetik
karıştırıcıyla karıştırılmıştır. Elde edilen karışım
etüvde kurutulduktan sonra karışım tekrar -60 mesh
boyutundaki elekten geçirilmiştir. Hazırlanan
karışım çapı 1 cm ve boyu 10 cm olan katı faz
ekstraksiyon (SPE) kolonlarına doldurulmuş ve.
deneyde kullanmak üzere hazır hale getirilmiştir.
[21], [43].
3
İ. TEĞİN/APJES 5-2 (2017) 01-14
2.5. Kolon Dolgu Materyalinin Karakterizasyonu
Biyosorbent olarak kullanılan badem kabuğu,
sorbent olarak Amberlit XAD-4 ve badem kabuğu
ile immobilize edilmiş Amberlit XAD-4’ün FT IR
analizi yapılmış ve elde edilen sonuçlar Şekil 1'de
verilmiştir.
Şekil 1. A: Badem kabuğu, B: Amberlit XAD-4 , C: badem kabuğu ile immobilize edilmiş
Amberlit XAD-4’ün FT-IR grafiği
Şekil 1’deki spektrumlar incelendiğinde kolon dolgu
maddesinin karmaşık yapısını gösteren bir dizi
adsorpsiyon pikleri görülmektedir. Analiz edilen
tüm spektrumlar, 3300-3500 cm-1'de, alkolik, fenolik
veya asidik OH'ın hidrojen bağıyla varlığını gösteren
bantlara sahiptir. 3394-3384 cm-1 arasındaki yayvan
pik, makromoleküler birleşmenin bağlı hidroksil
gruplarının (selüloz, pektin, vb.) olduğunu gösterir.
2923 ve 2911 cm-1'de gözlemlenen tepe noktaları C-
H grubuna ait olabilir. 2301-2068 cm-1 C-N grubuna
bağlı üçlü bağ piki olabilir.1603-1601 cm-1
çevresindeki bantlar, serbest ve esterlenmiş
karboksil gruplarının varlığını gösterir. IR
spektrumları, 1484 ve 1430 cm-1 aralığında bantlar
karbonların farklı yüzey yapıları olan alifatik,
aromatik, halkalı olduğunu göstermektedir. 1023 ve
981 cm-1'deki bant, alkollerin ve karboksilik asitlerin
C-O olduğu gösterir [10], [12], [44].
Badem kabuğu, Amberlit XAD-4 polimeri ve badem
kabuğu ile immobilize edilmiş Amberlit XAD-4’ün
taramalı elektronik mikroskobu (SEM) analizi
yapılmış ve elde edilen sonuçlar Şekil 2-4'te
verilmiştir. Bunun yanında badem kabuğu ile
immobilize edilmiş Amberlit XAD-4’ün X-ışını
difraksiyon (XRD) analizi Şekil 5’te,
Termogravimetrik analiz (TG/DTA) grafiği Şekil
6’da ve BET analizi Tablo 4’te verilmiştir.
4
İ. TEĞİN/APJES 5-2 (2017) 01-14
Şekil 2 Amberlit XAD-4’ün taramalı elektronik mikroskobu (SEM) Görünümü [45]
Şekil 3. Badem kabuğu ile immobilize edilmiş Amberlit XAD-4’ün
taramalı elektronik mikroskobu (SEM) görüümü
5
İ. TEĞİN/APJES 5-2 (2017) 01-14
Şekil 4. Badem kabuğu ile immobilize edilmiş amberlit XAD-4 kolonundan Cd(II) geçirilmiş
halinin taramalı elektronik mikroskobu (SEM) görüümü
Şekil 5. Badem kabuğu ile immobilize edilmiş Amberlit XAD-4 kolon dolgu maddesinin
X-ışını difraksiyon (XRD) görünümü
6
İ. TEĞİN/APJES 5-2 (2017) 01-14
Şekil 6. Badem kabuğu ile immobilize edilmiş Amberlit XAD-4 kolon dolgu maddesinin
termogravimetrik analiz (TG/DTA) Grafiği
Tablo 4. Badem kabuğu ile immobilize edilmiş Amberlit XAD-4 kolon dolgu maddesinin BET analizi
Yüzey Alanı
Tek Nokta Yüzey Alanı, P/Po = 0,349514807: 612,5222 m²/g
BET Yüzey Alanı: 396,9105 m²/g
Gözenek Hacmi
Az Gözenekli Tek Noktalı Adsorpsiyonda Toplam Gözenek Hacmi : 1185,563 Å
Gözenek Boyutu
Adsorpsiyonun Ortalama Gözenek Genişliği (4V/A BET ile) :104,2970 oA
2.6. Kadmiyum İyonu İçin Önderiştirme
Prosedürü
Badem kabuğuna immobilize edilmiş amberlit
XAD-4 ile dolgulu kolonlar tampon çözeltiler
yardımıyla çalışılacak pH’ya ayarlanarak kolonların
şartlanması sağlanmıştır. Farklı derişimlerde Cd (II)
içeren model çözelti belli bir akış hızı ile kolondan
geçirilmiştir. Kolonda tutulan metal iyonu HCl
kullanarak elüe edilmiştir. Ancak elüent tipi ve
miktarı aşamasından sonra en uygun eluentin HNO3
olduğu saptanmıştır.Eser analizde kullanılan
zenginleştirme yöntemlerinin değerlendirilmesinde
istenilen eser elementin ortamdan ayrılmasının
ölçüsü olan geri kazanma verimi, R'dir. Geri
kazanma verimi aşağıdaki formül ile hesaplanmıştır.
%R=
0
100Q
xQ
burada;
Q0: Numunede bulunan analiz elementinin
derişimi,
Q: Zenginleştirme sonrası analiz
elementinin derişimi,
İdeal olan, R değerinin %100 olmasıdır. Ancak
uygulamada % 99'dan daha büyük geri kazanma
verimine ulaşmak her zaman mümkün değildir [46].
3. Bulgular
3.1. Ph’ın Geri Kazanım Verimi Üzerine Etkisi
Biyosorpsiyon çalışmaları için kullanılan en önemli
parametre çözeltinin başlangıç pH'sıdır [47]. Çözelti
pH'ı, metallerin çözelti kimyasını, hücre duvarı
üzerindeki işlevsel grupların (karboksilat, fosfat ve
amino grupları) aktivitesini ve bağlanma yeri için
metalik iyonların rekabetini güçlü bir şekilde
etkimektedir. Bu aşamada 0,25g badem kabuğu ve
1,0 g Amberlite XAD-4’ten oluşan kolondan pH=
3,0-10,0 aralığında 2 ppm 50 mL Cd çözeltisi
geçirilmiş ve elde edilen sonuçlar Şekil 7’de
verilmiştir.
7
İ. TEĞİN/APJES 5-2 (2017) 01-14
Şekil 7. Geri kazanım değerlerine pH etkisi
Şekil 7 incelendiğinde, Çözeltideki Cd2+ iyonunun
pH 2,0’da geri kazanım verimi % 13.53 olarak
bulunmuş ve çözelti pH'sı 2,0’den 9,0’a
yükseldiğinde artmıştır. pH değeri 9,0 olan Cd2+
iyononun çözeltiden uzaklaştırma oranı % 98,97
bulunmuştur. Bu verilerden yararlanılarak badem
kabuğu için optimum geri kazanma veriminin en
uygun pH değeri 9,0 olarak seçilmiştir.
3.2. Örnek akış hızının geri kazanım verimi üzerine
etkisi
Örnek akış hızının geri kazanma verimi üzerine
etkisini incelemek amacıyla badem kabuğuna
immobilize edilmiş Amberlit XAD-4 karışımından
geçirilen 50 mL hacmindeki Cd iyonu, akış hızı 1-7
mL/dakika aralığında olacak şekilde peristaltik
pompa yardımıyla kolondan geçirilmiştir. Elde
edilen sonuçlar Şekil 8’de verilmiştir.
Şekil 8 Geri kazanım değerlerine örnek akış hızının etkisi
Şekil 8 incelendiğinde en yüksek akış hızı 3,05
mL/dakika olduğu Cd2+ iyononun geri kazanma
verimi % 98,87 olarak bulunmuştur. Bununla
birlikte, metal çözeltilerin akış hızı, 3,05 mL/dakika
üstünde, analitlerin geri kazanımının azaldığı
görülmüştür. Bundan sonraki çalışmaların tamamı,
çözeltilerin akış hızı, 3,05 mL/dakika olacak şekilde
yapılmıştır.
3.3. Biyosorbent miktarının geri kazanım verimi
üzerine etkisi
Biyosorbent miktarının katı faz ekstraksiyonu
üzerine etkisi incelenmiştir. Bu amaç için 0,150,
0,250, 0,300, 0,350, 0,400, 0,450 g biyosorbent
tartılarak belli aşamalar uygulanıp badem kabuğu
immobilize edilmiş Amberlit XAD-4 karışımları
kolona yerleştirilmiştir. Daha sonra hazırlanmış olan
2 ppm Cd pH 9,0’da 3,05 mL/dakika akış hızıyla
geçirilmiştir. Sonra, biyosorbente tutunan analit, 5
mL 0,5 M HCl kolondan geçirilerek geri alınmıştır.
Daha sonra elde edilen çözeltideki metal iyonu AAS
ile tayin edilmiş ve elde edilen sonuçlar Şekil 9’da
verilmiştir.
0
20
40
60
80
100
2 4 6 8 10 12
Ge
ri k
azan
ım, %
pH
0
20
40
60
80
100
1 2 3 4 5 6 7
Ge
ri k
azan
ım, %
Akış Hızı, mL/dakika
%Cd
8
İ. TEĞİN/APJES 5-2 (2017) 01-14
Şekil 9. Geri kazanım değerlerine biyosorbent etkisi
Şekil 9 incelendiğinde Cd için optimum biyosorbent miktarı 0,25 gram olarak tespit edilmiştir.
3.4. Adsorbent Miktarının Geri Kazanım Verimi
Üzerine Etkisi
Adsorbent olarak Amberlit XAD-4 miktarının katı
faz ekstraksiyonu üzerine etkisi incelenmiştir.
Adsorbentin geri kazanma verimine etkisini
incelemek için hazırlanan katı fazdan biyosorbent
olarak 0,25 gram badem kabuğu alınıp 0,25, 0,50,
0,75, 1,0, 1,5, 2,0 gram adsorbent olarak Amberlit
XAD-4 tartılarak her biri için ayrı ayrı aşamalardan
geçirilip hazırlanan karışım kolonlara
yerleştirilmiştir. Daha sonra hazırlanan 2 ppm Cd
iyonu en uygun pH’ya ayarlanıp en uygun akış
hızında kolondan geçirilmiştir. Sonra, adsorbente
tutunan analit, 5 mL 0,5 M HCl kolondan geçirilerek
geri alınmıştır. Daha sonra geri alınan çözeltideki
metal iyonları AAS ile tayin edilmiş ve elde edilen
sonuçlar Şekil 10’da verilmiştir.
Şekil 10. Geri kazanım değerlerine adsorbent etkisi
Şekil 10 incelendiğinde Cd için optimum adsorbente miktarı 1,0 gram Amberlit XAD-4 olarak tespit edilmiştir.
3.5. Örnek Hacminin Geri Kazanım Verimi
Üzerine Etkisi
Badem kabuğu immobilize edilmiş Amberlit XAD-
4 karışımından geçirilen örnek çözelti hacminin geri
kazanım verimine etkisini araştırmak amacıyla, ayrı
ayrı Cd(II) için 2ppm içeren çözeltiden, 25, 50, 100,
200, 300, 400 mL’lik örnek çözeltiler optimum
koşullarda kolondan geçirilmiştir. Kolonda tutunan
metal iyonu 5 mL 0,5 M HCl çözeltisi ile elüe
edilmiştir. Elüe edilen çözeltideki metal iyonu AAS
ile tayin edilmiş ve elde edilen sonuçlar Şekil 11’de
verilmiştir.
0
20
40
60
80
100
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Ge
ri k
azan
ım, %
Biyosorbent, g
%Cd
0
20
40
60
80
100
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Ge
ri k
azan
ım, %
Adsorbent, g
%Cd
9
İ. TEĞİN/APJES 5-2 (2017) 01-14
Şekil 11. Geri kazanım değerlerine örnek hacminin etkisi
Şekil 11 incelendiğinde en uygun hacim Cd için 50 mL olduğu görülmüştür.
3.6. Elüent Türü ve Derişiminin Geri
Kazanım Verimi Üzerine Etkisi
Badem kabuğu immobilize edilmiş Amberlit XAD-
4 karışımından oluşan dolgulu kolonda tutunan
Cd(II) iyonunun kantitatif olarak geri kazanılması
için uygun bir elüe edicinin kullanılması gerekir. Bu
amaç için pH 9,0, akış hızı 3,05 mL/dakika, 0,25 g
badem kabuğu, 1,0 g Amberlit XAD-4, 50 mL
hacmindeki örnek çözeltiler kolondan geçirilmiştir.
Bu amaç için HCl ve HNO3 kullanılmış olup elde
sonuçlar Tablo 5’te verilmiştir.
Tablo 5. Elüent tipi ve miktarının geri kazanıma etkisi
Elüasyon Çözelti
Türü
Elüasyon Çözelti
Derişimi (mol/L)
Elüasyon Çözelti
Hacmi (mL)
Geri Kazanım Verimi (%)
Cd(II)
HCl
0,5 5 92,30
1,0 5 95,07
1,5 5 94,56
2,0 5 93,37
HNO3
0.5 5 92,27
1.0 5 93,68
1.5 5 98,35
2,0 5 98,31
Tablo 5 incelendiğinde %98,35 Cd iyonunun geri kazanım verimi ile elüent türü ve elüent derişimi için 1,5 M
HNO3 olduğu görülmüştür.
3.7. Yabancı İyonun Geri Kazanım Verimi Üzerine
Etkisi
Gerçek örneklerde eser metallerin tayin edilmesi
yabancı iyonların matriks etkisi yapmasından dolayı
zorlaşmaktadır [35]. Matriks etkisini incelemek için
su örneklerinde yer alan Na+,Cl-, Mn2+, Mg2+, Ca2+,
F- iyonlarının Cd (II) analit iyonlarının geri kazanım
değerlerine etkisi incelenmiştir. Farklı derişimlerde
bu iyonların yer aldığı model çözeltilere geliştirilen
yöntem uygulanıp geri kazanım değerleri
incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar Tablo 6’da
verilmiştir.
0
20
40
60
80
100
0 100 200 300 400 500
Ge
ri k
azan
ım, %
Hacim, mL
%Cd
10
İ. TEĞİN/APJES 5-2 (2017) 01-14
Tablo 6. Yabancı iyonların geri kazanıma etkisi
İyon Eklenen Tuzu Derişim (mg/L) Cd(II) için Geri Kazanım, (%)
Na+ NaCI 10000 98,84 ± 1,26
Cl- BaCl2.H2O 20 85,82 ± 1,96
Mn2+ MnS04.H2O 50 82,89 ± 1,78
Mg2+ Mg(NO3)3 6 H2O 5000 85,69 ± 1,87
Ca2+ CaCl2.2H2O 3000 83,50 ± 1,98
F- KF 1000 98,38 ± 1,65
Tablo 6 incelendiğinde Na ve F iyonlarının geri
kazanım verimi üzerinde bir etkilerinin olmadığı,
diğer iyonlarının ise geri kazanım verimi üzerinde
negatif yönünde etkileri olduğu görülmüştür.
Belirlenen hata, değerin % 2'yi geçmediğini
göstermiştir ve bu hata değeri AAS belirleme
yöntemleri [48] ile belirlenmiştir.
3.8. Kolonun Tekrarlanabilirliği
Bu tür zenginleştirme çalışmalarında absorbanın
tekrar kullanılabilirliği çok büyük önem arz
etmektedir. Katı faz ekstraksiyonu (SPE) kolonunun
kararlılığını test etmek için 50 mL 2ppm Cd çözeltisi
badem kabuğu immobilize edilmiş Amberlit XAD-4
kolon dolgu maddesi için belirlenen optimum
koşullarda 10 defa geçirilmiştir. Biyolojik olarak
absorbe edilen Cd2+ iyonları, 5,0 mL 1,5 mol L-1
HNO3 çözeltisi ile elüe edilmiştir. Elde dilen
sonuçlar Şekil 12’de verilmiştir.
Şekil 12. Kolonun tekrarlanabilirliği
Şekil 12 incelendiğinde, kolonun yaklaşık ilk beş
(>%89) kullanımdan sonra verimin azaldığı ve daha
sonra sabit kaldığı görülmüştür. Kolonun on kez
kullanımı sonucu ortalama geri kazanım verimi
>%81 olmuştur.
3.9. Gözlenebilme (LOD) Ve Tayin Sınırı (LOQ)
Analit iyonlarının gözlenebilme sınırı tayini için 12
paralel kör örneğe geliştirilen yöntem uygulanmıştır.
Kör değerlerin standart sapmasının üç katı ve on katı
esas alan gözlenebilme sınırı değerleri
zenginleştirme faktörüne bölünerek hesaplanmıştır.
Elde edilen değerler Tablo 7’de verilmiştir [8].
Tablo 7. Gözlenebilme sınırı ve tayin sınırı
Element LOD
(ppb)
LOQ (ppb)
Cd(II) 5,1 17,2
3.10. Analitik Özellikler ve Yöntemin
Uygulanabilirliği
Optimum zenginleştirme şartları belirlendikten
sonra, geliştirilen yöntemin kesinliği incelenmiştir.
Elde edilen sonuçlar Tablo 8'de verilmiştir.
0
20
40
60
80
100
0 2 4 6 8 10 12
Ge
ri k
azan
ım, %
Kolonun Tekrarlanabilirliği
Cd
11
İ. TEĞİN/APJES 5-2 (2017) 01-14
Tablo 8. Kesinlik Sonuçları
Element (%) R± t
s/√N
% Bağıl Standart
Sapma
Cd 98,87 ± 1,85 3,21
% 95 Güven Seviyesinde N= 3 BSS: Bağıl
Standart Sapma
Bağıl standart sapma (RSD) Cd2 + için 3,21 olarak
belirlenmiştir. Regresyon katsayısı, kadmiyum için
0,9975 olarak tespit edilmiştir. Ön zenginleştirme
faktörü kadmiyum için 10 kat olarak saptanmıştır.
Geliştirilen yöntem, sertifikalı referans (BCR-670
Aquatic Plant) örneğine uygulanmıştır. Elde edilen
sonuçlar Tablo 9'da gösterilmiştir.
Tablo 9. Geliştirilen yöntemin sertifikalı referans maddeye (BCR-670 Aquatic Plant Sample) uygulanması
Sertifikalı Referans
Standart Madde
Cd2+
Sertifikalı Değer Bulunan Değer
BCR-670 Aquatic Plant 75,50 ± 2,50 73,70 ± 2,30
%95 güvenle 3 değerin ortalamasıdır. x ± ts/√N )
Tablo 9 incelendiğinde elde edilen sonuçların
sertifikalı referans madde sonuçları ile tutarlı olduğu
görülmüştür. Bu yöntem, Siirt atık suyuna, Siirt
musluk suyu, Van gölü suyuna, Tuzkuyusu tuzlu
suyu ve Billoris kaplıca suyu örneklerine
uygulanmış olup elde edilen sonuçlar Tablo.10’da
verilmiştir. Tablo 10 incelendiğinde yöntemin çevre
örneklerine uygulanışından sonuç alınamadığı
görülmüştür.
Tablo 10. Gerçek numunelere uygulama
Su Örneği Cd için Geri Kazanım, %
Atık Su T.E
Van Gölü suyu T.E
Musluk Suyu T.E
Tuzkuyusu T.E
Billoris Suyu T.E
Sonuçlar % 95 güven seviyesi ile 3 ölçümün ortalamasıdır ( x ± ts/√N ), T.E: Tespit Edilemedi.
4. Değerlendirme ve Sonuç
Bu çalışmada, biyosorbent olarak badem kabuğuna
immobilize edilmiş Amberlit XAD-4, polimerinin
üzerine Cd(II) iyonunun katı faz ekstraksiyonu
yöntemi ile zenginleştirme şartları araştırılmıştır. Cd
iyonu için pH 9, Akış Hızı 3,05 mL/dakika,
biyosorbent (badem kabuğu) 0,250 gram, adsorbent
(Amberlit XAD-4) 1,00 gram, hacim 50 ml, elüent
1,5 M HNO3 gibi optimum koşullar belirlenmiştir.
Geliştirilen yöntem ile Cd iyonu 10 kat zenginleşme
sağlanmıştır. Cd için gözlenebilme sınırı (LOD) 5,1,
tayin sınırı (LOQ) 17,2 ppb olarak belirlenmiştir.
Yöntemin optimum şartlarda 3 tekrar deneyi için
geri kazanma veriminin tekrarlanabilirliği
(kesinliği), % 95 güven seviyesinde Cd için % 98,87
± 1,85 olarak bulunmuştur. Ayrıca % 95 güven
seviyesinde, 3 tekrar deneyi için % bağıl standart
sapma değeri %3,21 olarak bulunmuştur. Geliştirilen
yöntem çevre örneklerine uygulanmış, ancak
kadmiyum iyonu tespit edilememiştir. Biyosorbent
olarak badem kabuğu kullanılan diğer çalışmaların
metal verimiyle kıyas yapıldığında (Cr (VI) için %
55.00 [9], Pb için % 68.00 [10] ve % 80 [12], Cd için
% 34,64 [11] ve % 74,8 [12]) bu çalışmanın daha
yüksek geri kazanım verimiyle metal iyonunun
zenginleştiği görülmüştür.
Teşekkür
Bu çalışma Siirt Üniversitesi Bilimsel Araştırma
Projeleri Birimi tarafından 2015-SİÜFEB-34 kodlu
araştırma projesi ile desteklenmiştir.
5. Kaynaklar
[1] S. D. Fadime Nazlı Dinçer Kaya, Orhan Atakol,
“Katı Faz Ekstraksiyonu ile Bakır ve Nikelin
Önderiştirilmesinde ONNO ve ONO Tipi Schiff
Bazlarının Karşılaştırılması,” vol. 9, no. 1, pp. 176–
185, 2014.
[2] S. Sigma-Aldrich, “Guide to Solid Phase
Extraction - bulletin 910,” Bull. 910, p. , 1998.
[3] S. Dogan, F. Nazl, D. Kaya, and O. Atakol,
“Enrichment of copper and nickel with solid phase
extraction using multiwalled carbon nanotubes
modified with Schiff bases,” vol. 7319, no. July
2016, 2015.
[4] M. Ghaedi, M. Montazerozohori, A. Hekmati,
and M. Roosta, “Solid phase extraction of heavy
metals on chemically modified silica-gel with 2-(3-
silylpropylimino) methyl)-5-bromophenol in food
samples,” Int. J. Environ. Anal. Chem., vol. 93, no.
8, pp. 843–857, 2013.
12
İ. TEĞİN/APJES 5-2 (2017) 01-14
[5] S. E. SOYSAL, “Katı Destek Üzerine
İmmobilize Edilmiş Bazı Bakteriler İle Ağır Metal
İyonlarının Ayırma ve Deriştirme Şartlarının
Araştırılması,” ADNAN MENDERES
ÜNİVERSİTESİ, 2010.
[6] S. Eşer, “Salinivibrio Sharmensis Tutturulmuş
Amberlit XAD- 4 Kullanarak Katı Faz
Ekstraksiyonu İle Cd ( II ) Ve Ni ( II ) İyonlarının
FAAS İle Tayini,” Dicle Üniversitesi, 2012.
[7] S. D. Çekiç, H. Filik, and R. Apak, “Use of an
o-aminobenzoic acid-functionalized XAD-4
copolymer resin for the separation and
preconcentration of heavy metal(II) ions,” Anal.
Chim. Acta, vol. 505, no. 1, pp. 15–24, 2004.
[8] N. Erdoğan, “Birlikte Çöktürme İle Eser
Düzeydeki Bazı Metal İyonlarının
Zenginleştirilmesi Ve AAS İle Tayinleri,” Erciyes
Üniversitesi, Turkey, 2005.
[9] E. Pehlivan and T. Altun, “Biosorption of
chromium(VI) ion from aqueous solutions using
walnut, hazelnut and almond shell,” J. Hazard.
Mater., vol. 155, no. 1–2, pp. 378–384, 2008.
[10] E. Pehlivan, T. Altun, S. Cetin, and M. Iqbal
Bhanger, “Lead sorption by waste biomass of
hazelnut and almond shell,” J. Hazard. Mater., vol.
167, no. 1–3, pp. 1203–1208, 2009.
[11] Y. Bulut and Z. Tez, “Adsorption studies on
ground shells of hazelnut and almond,” J. Hazard.
Mater., vol. 149, no. 1, pp. 35–41, 2007.
[12] M. Kazemipour, M. Ansari, S. Tajrobehkar,
M. Majdzadeh, and H. R. Kermani, “Removal of
lead, cadmium, zinc, and copper from industrial
wastewater by carbon developed from walnut,
hazelnut, almond, pistachio shell, and apricot stone,”
J. Hazard. Mater., vol. 150, no. 2, pp. 322–327,
2008.
[13] A. Ronda, M. A. Martín-Lara, E. Dionisio, G.
Blázquez, and M. Calero, “Effect of lead in
biosorption of copper by almond shell,” J. Taiwan
Inst. Chem. Eng., vol. 44, no. 3, pp. 466–473, 2013.
[14] A. H. Aydin, Y. Bulut, and Ö. Yavuz, “Acid
dyes removal using low cost adsorbents,” vol. 21,
no. 1, pp. 97–104, 2004.
[15] A. Ahmad, J. A. Siddique, M. A. Laskar, R.
Kumar, S. H. Mohd-Setapar, A. Khatoon, and R. A.
Shiekh, “New generation Amberlite XAD resin for
the removal of metal ions: A review,” Journal of
Environmental Sciences (China), vol. 31. Elsevier
B.V., pp. 104–123, 2015.
[16] M. Kumar, D. P. S. Rathore, and A. K. Singh,
“Metal ion enrichment with Amberlite XAD-2
functionalized with Tiron: analytical applications,”
Analyst, vol. 125, no. 6, pp. 1221–1226, 2000.
[17] D. Kara, A. Fisher, and S. J. Hill,
“Determination of trace heavy metals in soil and
sediments by atomic spectrometry following
preconcentration with Schiff bases on Amberlite
XAD-4,” J. Hazard. Mater., vol. 165, no. 1–3, pp.
1165–1169, 2009.
[18] A. Ahmad, “Preparation , Characterization of
a Novel Chelating Resin Functionalized with o -
Hydroxybenzamide and Its Application for
Preconcentration of Trace Metal Ions,” Clean-
Soil,Air,Water, vol. 40, no. 1, pp. 54–65, 2012.
[19] A. Islam, A. Ahmad, and M. A. Laskar,
“Characterization of a Chelating Resin
Functionalized via Azo Spacer and Its Analytical
Applicability for the Determination of Trace Metal
Ions in Real Matrices,” J. Appl. Polym. Sci., vol.
123, pp. 3448–3458, 2012.
[20] P. K. Tewari and A. K. Singh,
“Preconcentration of lead with Amberlite XAD-2
and Amberlite XAD-7 based chelating resins for its
determination by flame atomic absorption
spectrometry,” Talanta, vol. 56, no. 4, pp. 735–744,
2002.
[21] S. Özdemir, V. Okumuş, E. Klnç, H.
Bilgetekin, A. Dündar, and B. Ziyadanogullar,
“Pleurotus eryngii immobilized Amberlite XAD-16
as a solid-phase biosorbent for preconcentrations of
Cd2 and Co2 and their determination by ICP-OES,”
Talanta, vol. 99, pp. 502–506, 2012.
[22] P. Kalny, Z. Fijałek, A. Daszczuk, and P.
Ostapczuk, “Determination of selected
microelements in polish herbs and their infusions,”
Sci. Total Environ., vol. 381, no. 1–3, pp. 99–104,
2007.
[23] I. Gogoasa, J. Violeta, A. L. Maria, V. Ariana,
R. Maria, S. Alda, S. Claudia, B. D. Maria, and I.
Gergen, “Mineral Content of Some Medicinal
Herbs,” vol. 17, no. 4, pp. 65–67, 2013.
[24] E. L. and D. M. N. İ. Soylak M, “Analize
Yaklaşım ve Karasu , Sarmısaklı Çayı Kızılırmak
Nehrindeki Pb , Cu , Ni , Co ve Cd Kirliliğinin
Araştırılması Approaches To Analysis and
Investigation of Pb , Cu , Ni , Co , and Cd Pollution
in Karasu , Sarmısaklı Çayı and Kızılırmak Rivers,”
pp. 21–30, 2009.
[25] R. A. Gil, S. Cerutti, J. A. Gásquez, R. A.
Olsina, and L. D. Martinez, “Preconcentration and
speciation of chromium in drinking water samples
by coupling of on-line sorption on activated carbon
to ETAAS determination,” Talanta, vol. 68, no. 4,
pp. 1065–1070, 2006.
[26] A. O. Martins, E. L. Da Silva, M. C. M.
Laranjeira, and V. T. De Fávere, “Application of
chitosan functionalized with 8-hydroxyquinoline:
Determination of lead by flow injection flame
atomic absorption spectrometry,” Microchim. Acta,
vol. 150, no. 1, pp. 27–33, 2005.
[27] A. Ahmad, A. Khatoon, M. A. Laskar, A.
Islam, A. W. Mohammad, and N. L. Yong, “Use of
2-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde functionalized
amberlite xad-16 for preconcentration and
determination of trace metal ions by flame atomic
absorption spectrometry,” Der Pharma Chem., vol.
5, no. 1, pp. 12–23, 2013.
13
İ. TEĞİN/APJES 5-2 (2017) 01-14
[28] M. J. Marqués, A. Morales-Rubio, A.
Salvador, and M. De la Guardia, “Chromium
speciation using activated alumina microcolumns
and sequential injection analysis-flame atomic
absorption spectrometry,” Talanta, vol. 53, no. 6, pp.
1229–1239, 2001.
[29] A. Islam, A. Ahmad, M. A. Laskar, J. A.
Siddique, M. A. Laskar, R. Kumar, S. H. Mohd-
Setapar, A. Khatoon, R. A. Shiekh, A. Islam, M. A.
Laskar, A. Ahmad, A. Khatoon, M. A. Laskar, A.
Islam, A. W. Mohammad, and N. L. Yong,
“Newgeneration AmberliteXADresin for the
removal of metal ions: A review,” J. Appl. Polym.
Sci., vol. 5, no. 1, pp. 12–23, 2013.
[30] D. Kara, “Evaluation of trace metal
concentrations in some herbs and herbal teas by
principal component analysis,” Food Chem., vol.
114, no. 1, pp. 347–354, 2009.
[31] M. Soylak and N. D. Erdogan, “Copper(II)-
rubeanic acid coprecipitation system for separation-
preconcentration of trace metal ions in
environmental samples for their flame atomic
absorption spectrometric determinations,” J.
Hazard. Mater., vol. 137, no. 2, pp. 1035–1041,
2006.
[32] C. Karadaş and D. Kara, “On-line
preconcentration and determination of trace
elements in waters and reference cereal materials by
flow injection - FAAS using newly synthesized 8-
hydroxy-2-quinoline carboxaldehyde functionalized
Amberlite XAD-4,” J. Food Compos. Anal., vol. 32,
no. 1, pp. 90–98, 2013.
[33] R. G. Pellerano, M. A. Uñates, M. A.
Cantarelli, J. M. Camiña, and E. J. Marchevsky,
“Analysis of trace elements in multifloral Argentine
honeys and their classification according to
provenance,” Food Chem., vol. 134, no. 1, pp. 578–
582, 2012.
[34] Ş. Tokalıoğlu, “Determination of trace
elements in commonly consumed medicinal herbs
by ICP-MS and multivariate analysis,” Food Chem.,
vol. 134, no. 4, pp. 2504–2508, 2012.
[35] M. Alan, D. Kara, and A. Fisher,
“Preconcentration of Heavy Metals and Matrix
Elimination using Silica Gel Chemically Modified
with 2,3-Dihydroxybenzaldehyde,” Sep. Sci.
Technol., vol. 42, no. 4, pp. 879–895, 2007.
[36] I. Rodushkin and T. Ruth, “Determination of
Trace Metals in Estuarine and Sea-water Reference
Materials by High Resolution Inductively Coupled
Plasma Mass Spectrometry,” J. Anal. At. Spectrom.,
vol. 12, no. 10, pp. 1181–1185, 1997.
[37] I. Dolak, I. Tegin, R. Guzel, and R.
Ziyadanogullari, “Removal and preconcentration of
Pb(II), Cr(III), Cr(VI) from the aqueous solution and
speciation of Cr(III)-Cr(VI) by using functionalized
Amberlite XAD-16 resin with
dithioethylenediamine,” Asian J. Chem., vol. 22, no.
8, 2010.
[38] I. Dolak, I. Tegin, R. Guzel, and R.
Ziyadanogullari, “Synthesis and preconcentration of
Amberlite XAD-4 resin modified by
dithioethylenediamine,” Asian J. Chem., vol. 21, no.
1, 2009.
[39] A. Islam, M. A. Laskar, and A. Ahmad,
“Preconcentration of metal ions through chelation
on a synthesized resin containing O, O donor atoms
for quantitative analysis of environmental and
biological samples,” vol. 185, pp. 2691–2704, 2013.
[40] S. Saraçoğlu, “Chromosorb-102 Reçinesi
Kullanılarak Katı Faz Özütleme Yöntemiyle Eser
Elementlerin Zenginleştirilmesi ve AAS ile Tayini,”
Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2001.
[41] V. Okumuş, S. Özdemir, E. Kılınç, A. Dündar,
U. Yüksel, and Z. Baysal, “Preconcentration with
Bacillus subtilis –Immobilized Amberlite XAD-16:
Determination of Cu 2+ and Ni 2+ in River, Soil, and
Vegetable Samples,” Bioremediat. J., vol. 19, no. 1,
pp. 47–55, 2015.
[42] G. O. El-Sayed, H. a. Dessouki, and S. S.
Ibrahiem, “Removal of Zn(II), Cd(II) and Mn(II)
From Aqueous Solutıons By Adsorptıon on Maıze
Stalks,” Malaysian J. Anal. Sci., vol. 15, no. 1, pp.
8–21, 2011.
[43] R. Onat, “Anoxybacillus sp.SO_B1 Bakterisi
İle Modifiye Edilmiş Amberlit XAD-16 Reçinesi
Kullanılarak ve Pb(II)’nin Biyosorpsiyonu,
Önderiştirilmesi ve AAS ile Tayini,” Dicle
Üniversitesi, Türkiye, 2011.
[44] A. Valdés García, M. Ramos Santonja, A. B.
Sanahuja, and M. Del Carmen Garrigós Selva,
“Characterization and degradation characteristics of
poly(ε-caprolactone)-based composites reinforced
with almond skin residues,” Polym. Degrad. Stab.,
vol. 108, pp. 269–279, 2014.
[45] M. Soylak and Erciyes Üniversitesi, “Off-Line
ve On-Line Katı Faz Özütleme Zenginleştirme
Yöntemleri,” 2007.
[46] H. Bağ, “Sepiolit kullanılarak bazı eser
elementlerin zenginleştirme şartlarının araştırılması
ve alevli atomik absorpsiyon spektroskopisi ile
tayinleri,” Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,
1195.
[47] M. Soylak and M. Tuzen, “Coprecipitation of
gold(III), palladium(II) and lead(II) for their flame
atomic absorption spectrometric determinations,” J.
Hazard. Mater., vol. 152, no. 2, pp. 656–661, 2008.
[48] K. O. Saygi, M. Tuzen, M. Soylak, and L. Elci,
“Chromium speciation by solid phase extraction on
Dowex M 4195 chelating resin and determination by
atomic absorption spectrometry,” J. Hazard. Mater.,
vol. 153, no. 3, pp. 1009–1014, 2008.
14
A.S.E. YAY/APJES 5-2 (2017) 15-21
*Sorumlu Yazar: 1Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, 54187, Sakarya,
Türkiye, E-mail: [email protected] Tel: +90 (264) 295 5465
Doi: 10.21541/apjes.29212
Kesikli (Kısmi) Aerobik, Hibrit ve Anaerobik Arıtma Yöntemlerinin Atık
Yönetiminde Kullanılması
1Pınar Toptas, *1Aliye Suna Erses Yay
1Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, 54187, Sakarya, Türkiye
Geliş Tarihi: 2017-02-14 Kabul Tarihi: 2017-06-30
Öz
Bu çalışmanın amacı kesikli-aerobik, anaerobik ve hibrit (anaerobik-aerobik) sistemleri kullanarak atık
stabilizasyonunu incelemektir. Bu sebeple laboratuar koşullarında 3 adet reaktör kurulmuş ve reaktörler Sakarya’nın
kentsel katı atık kompozisyonu ile doldurulmuştur. Sızıntı suyu ilavesi ile reaktörler biyoreaktör olarak işletilmiştir.
pH, alkalinite, ORP, KOİ, BOİ ve NH4 parametreleri deney süresince izlenmiştir. Bu çalışma sonunda kısmi
havalandırmanın atık stabilizasyonunu arttırdığı, kirleticileri azaltığı gözlenmiştir.
Anahtar Kelimeler: Kesikli (kısmi) havalandırmalı, hibrit (melez) biyoreaktör, havalandırmasız biyoreaktör, düzenli
depolama
Use of Intermittent (Partial) Aerobic, Hybrid and Anaerobic Treatment
Methods in Waste Management
1Pınar Toptas, *1Aliye Suna Erses Yay
1Sakarya University, Faculty of Engineering, Department of Environmental Engineering, 54187, Sakarya, Turkey
Received date: 2017-02-14 Accepted date: 2017-06-30
Abstract
The aim of this study is to investigate waste stabilization using semi-aerobic, anaerobic and hybrid systems. For this
reason, 3 reactors were constructed in the laboratory conditions and loaded with the municipal solid waste
composition of Sakarya. Reactors were operated as bioreactor concept by recirculation of leachate. pH, alkalinity,
ORP, BOD, COD and NH4 parameters were monitored during the experimental period. This research indicated that
semi aerated conditions increase the waste stabilization and decrease the pollutants in leachate.
Keywords: Semi-aeration, hybrid bioreactor, anaerobic bioreactor, landfilling
1. Giriş
Katı atıkların bertarafı yüzyıllardır süregelen en
büyük çevresel sorunlardandır. Gelişen teknoloji ve
nüfusun artması ile üretilen katı atık miktarı da
artacağından bu sorun ciddi boyutlara taşınması
beklenmektedir. Katı atıkların depolanması ise bilinen
en eski bertaraf yöntemlerindendir. Düzenli depolama
gerek diğer yöntemlere göre ekonomik oluşu gerekse
diğer tüm bertaraf şekillerinin sonucunda kalan nihai
(kül, çamur vs) atıklarında yok edilmesi için
kullanılan bir yöntem oluşu sebebiyle geçerliliğini
daha uzun yıllar koruyacak gibi görünmektedir.
Ancak depo sahasında anaerobik ayrışma çok yavaş
olup, yıllarca sürmekte ve sonucunda senelerce
oluşan sızıntı suyu ve depo gazı insan sağlığı ve çevre
için olumsuz etkiler yaratmaktadır. Atık ayrışması
stabil oluncaya dek depo sahalarının kontrol altında
tutulması gerekmektedir. Tüm bu sebepler göz
önünde bulundurulduğunda geliştirilmeye ve
iyileşmeye açık bir bertaraf yöntemidir [1,2,3].
Atıkların ayrışmasına yardımcı olmak için geliştirilen
yöntemler ise atıkların parçalanması ve sıkıştırılması,
arıtma çamuru, tampon ya da enzim eklenmesi,
aerobik ayrışmanın oluşmasının sağlanması ve sızıntı
suyunun geri devrettirilmesidir [1,4,5]. Bu
A.S.E. YAY/APJES 5-2 (2017) 15-21
yöntemlerden sızıntı suyunun geri devrettirilmesiyle
düzenli depolama alanlarının biyoreaktör olarak
işletilerek atıkların nem muhtevasının arttırılması ve
buna bağlı olarak atık ayrışmasının arttırılması
üzerine çalışmalar yapılmaktadır [3]. Üzerinde çok
durulan diğer bir yöntem aerobik depolamayla
sahadaki atıkların ayrışması oldukça hızlı olmaktadır
ve oluşan depo gazı ile sızıntı suyunun miktarı bu
sayede azalmaktadır [1].
Bu çalışma kapsamında katı atık depolama
sahalarında ayrışmanın daha kısa sürede ve etkin
bertarafı için havalı ayrışmaya alternatif olarak
ekonomik olacağı düşünülen kesikli havalandırma ve
hibrit (melez) yöntemleri araştırılmıştır.
2. Malzeme ve Yöntemler
2.1. Reaktörlerin Kurulması
Araştırma için 50 cm yükseklik, 30 cm çap ve 35
L’lik hacimde pleksi glass malzemeden yapılmış 3
adet reaktör kurulmuştur. Çalışmada kullanılan
reaktörlerin tasarımı Şekil 1’de verilmiştir. Hava
verilerek işletilen reaktörlerin içlerine, verilen
havanın homojen bir şekilde dağılması amacı ile bakır
malzemeden yapılmış spiral delikli havalandırma
boruları yerleştirilmiştir. Ayrışma takibi ve
mikrobiyal aktivitenin devamlılığı için sıcaklık
önemli bir faktör olduğundan reaktörler 32 ile 35oC
sıcaklık aralığında işletilmiştir. Şekil 1’ de görüldüğü
gibi reaktörlerin üst kısmında 3 çıkış vardır.
Bunlardan birincisi sıcaklık ölçmek için, ikincisi
sızıntı suyunu geri devrettirmek ve düşen yağmur
suyunu temsil eden saf suyu haftalık olarak eklemek
için ve üçüncüsü ise ıslak gaz metreye bağlanarak
günlük gaz çıkışı ölçmek ve gaz ölçüm cihazıyla
oluşan gazın konsantrasyonunu belirlemek için
kullanılmıştır. Reaktörlerin alt kısmında ise 2 çıkış
vardır. Biri sızıntı suyu numunesi ve geri devir için,
diğeri ise reaktör içlerinde bulunan havalandırma
borularına havayı ileten hava pompasına ve
debimetreye bağlamak için kullanılmıştır.
2.2. Reaktörlerin Atıkla Yüklenmesi
Katı atıklar, reaktörlerin işletilmesi sürecinde daha
hızlı ayrışması ve reaktörlere daha homojen bir
şekilde konulabilmesi için küçük parçalara ayrılarak 5
kg olarak reaktörlere yüklenmiştir. Oluşturulan atık
karışımı (ağırlıkça % 44.7 organik (park bahçe ve
mutfak), %11 kağıt, % 0.8 metal, % 3,6 cam, %13,4
plastik, % 12,1 tekstil, %13,5 diğer (kül, toz, karışık)
ve % 0.9 yanamayan) Sakarya İli Belediye atık
karakterizasyonuna göre hesaplanarak hazırlanmıştır.
Şekil 1. Araştırmada kullanılan reaktörlerin tasarımı
2.3. Reaktörlerin İşletilmesi
Reaktörler anaerobik (havasız), hibrit (havasız-havalı)
ve kesikli aerobik (kısmi havalı) olarak işletilmiştir.
Düzenli olarak hava verilen reaktörlerin
havalandırılması akvaryum pompası ile sağlanmış ve
debi metre ile bu hava sabitlenmiştir.
16
A.S.E. YAY/APJES 5-2 (2017) 15-21
Tablo 1’de görüldüğü gibi kesikli reaktöre verilen
hava miktarı 1 dakika için 0,07 L-kg/dak iken hibrit
reaktör önce anaerobik şartlarda işletilmiş, daha sonra
ise aerobik koşullara çevrilmiştir. Aerobik koşullara
çevrildikten sonra zaman içerisinde günde 1 dakika
ile 24 saat arasında değişen 0.07L-kg hava reaktörlere
verilmiştir.
Tüm reaktörler literatürde bulunan çalışmalara ve
çalışılan çöp miktarına bağlı olarak belirlenen 1000
mL/hafta olarak sızıntı suyu geri devirli olarak
işletilmiştir [6]. Ayrıca her hafta reaktörlere ortalama
yıllık yağış miktarına göre (70 mm/yıl) karşılık gelen
200 mL saf su eklenmiştir.
A.S.E. YAY/APJES 5-2 (2017) 15-21
Tablo 1. Reaktörlerin İşletilmesi
Reaktör İşletme süresi ve
prosesleri Verilen Hava Miktarı
(L-kg/dak) Havalandırma Süresi
Anaerobik 1004 gün havasız - -
Hibrit (anaerobik-aerobik) 541 gün havasız-
463 gün havalı 0,07 1dak/gün -24 saat/gün(542.
günden itibaren)
Kesikli Aerobik 245 gün kısmi havalı 0,07 60 dak/gün
2.4. Yapılan Analizler ve Yöntem
pH, alkalinite, yükseltgenme indirgenme potansiyeli
(ORP), kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), biyokimyasal
oksijen ihtiyacı (BOİ), amonyum (NH4) çalışma
boyunca yapılan sızıntı suyu analizleridir. Analizler
standart metotlara [7] göre yapılmıştır.
3. Bulgular ve Tartışma
Çalışma boyunca sızıntı suyunda yapılan pH ve
alkalinite analiz sonuçları Şekil 2’de gösterilmiştir.
Reaktör boyutuna bağlı olarak atık miktarının az
olması sebebiyle ayrışmanın başlangıcında görülmesi
beklenen nötralize olma durumu gözlenemeden pH
değerleri doğrudan düşüşe geçmiştir. pH değeri,
anaerobik ve hibrit reaktörlerde ilk 65 gün azalırken
65. günden sonra yavaş bir yükselme eğilimi
göstermiştir. Hibrit ve anaerobik reaktörlerde metan
üretimini hızlandırarak pH’ı yükseltmek için
çalışmanın 314. gününden sonra reaktörlere alkalinite
eklenmiştir. İlk olarak 20 ml/gün şeklinde 3g/L
NaHCO3 eklenmiş [8] ve eklenen alkalinite yeterli
gelmediği için NaHCO3 konsantrasyonu 6g/L olarak
arttırılmıştır. Ancak alkaline ilavesinin ilk gününde
itibaren geçen 20 günde istenilen pH değerleri
görülememiştir. Metan üretiminin henüz
gözlenememesi pH yükselmesine karşı görülen direnç
reaktörlerde yağ asitlerinin birikiminin sebep
olabileceği düşünülmüştür. Aynı zamanda bu
reaktörlerde alkalinite sonuçlarına bakıldığında
alkalinitenin çok değişiklik göstermemesi pH’ı
yükseltmede yetersiz kalındığının göstergesidir.
Anaerobik ve hibrit reaktörlere yapılan müdahalelere
rağmen pH’ın yükselmeye karşı direnç göstermesi ve
hatta düşmesi sebebiyle 363. günden sonra tekrar
alkalinite ilavesi olmuştur. Başta eklenen alkalinite
konstantrasyonun varolan organik asitleri
tamponlamaya yetersiz kaldığı düşünülmüş ve bu
yüzden eklenen NaHCO3 konsatrasyonu 60g/L
seçilmiştir. Alkalinite, geri devir esnasında sızıntı
suyu ile karıştırılarak pH 7-7,5 ayarı yapılarak
eklenmiştir. Bu alkalinite ilaveleri ile pH değerleri her
iki reaktörde de 6,5 ile 7,11 arasında değiştiği
görülmüştür. Ancak hala metan üretimi
gerçekleşmediğinden anaerobik ve hibrit reaktörlerde
metan üretmeye yarayan bakteri miktarının yetersiz
olduğu düşünülerek reaktörlere çalışmanın 511. ve
654. günlerinde sırasıyla 100 ve 500 mL olacak
şekilde bir tesisten alınan anaerobik çamur
eklenmiştir. Anaerobik çamurla beraber pH yükselmiş
ancak metan eldesi olmamıştır. Buna bağlı olarak ilk
anaerobik çamur ilavesinden sonra elde edilemeyen
metan neticesinde hibrit biyoreaktöre belirlenen hava
(542.günden itibaren) günlük olarak verilmiştir.
Verilen hava sonucunda çalışma sonuna kadar Şekil
2’de görüldüğü gibi anaerobik ve hibrit biyoreaktör
arasında çok farklılık gözlenmemiştir.
Kesikli havalı reaktörde pH başlangıçta 6 civarında
iken günlük olarak verilen hava sebebiyle bu değer
25. günden sonra hızlı bir şekilde artarak 7–7,7
arasında eğilim göstermiştir. pH değerlerine bağlı
olarak alkalinitede 54.günden sonra sürekli bir düşüş
gözlenmiştir.
ORP katı atıkların kimyasal özelliği ile ilgili bilgi
verdiğinden dolayı önemli bir parametredir. Metan
üretimi fazında uygun değer aralığı -150 ile -300 mV
[9,10] ve asidojenik fazla elektron alıcı olarak NO3-
ve SO4- ‘ün indirgenmelerine bağlı olarak -50 ile -100
aralığındadır [11].
17
A.S.E. YAY/APJES 5-2 (2017) 15-21
Şekil 2. pH ve Alkalinite Analiz Sonuçları
Şekil 3. ORP Analiz Sonuçları
Şekil 3’deki ORP sonuçlarına göre kesikli (kısmi)
aerobik biyoreaktörün, hibrit (melez) ve anaerobik
biyoreaktörlere göre verilen hava neticesinde atıkların
ayrışması daha hızlı olduğundan daha düşük
değerlerdedir. Ayrıca verilen hava reaktörün üst
kısımlarında daha etkili olacağından reaktör
tabanında biriken sızıntı suyunda anaerobik koşullar
oluşabilir ve bu durumda sızıntı suyu içinde H2S
miktarı yüksek olur. H2S miktarının yüksek olması
ORP değerlerinin düşük olmasına neden olabilir.
Anaerobik ve hibrit biyoreaktörü incelendiğinde ORP
değerleri genellikle 0 ile -100 aralığındadır.
Alkalinite ilavesi ya da anaerobik çamur ilavesi
olduğu süreçlerde artan eğilim, bu ilaveler bitiminden
sonraki geçen süreçte yine azalan eğilim görülmüştür.
Alkalinite ve anaerobik çamur ilavesi yapılan zaman
diliminde genel olarak -50 ile -100 arasında değişim
görülmüştür. Ayrıca hibrit reaktöre verilen havanın
etkisiyle 620.günden sonra hibrit, anaerobik
reaktörden ayrılarak biraz daha az değerlere sahip
olmuştur. Bu süreçte anaerobik reaktör genellikle -50
ile -100 aralığında iken hibrit reaktör 0 ile -60
arasında bir eğilim göstermiştir.
Organik maddenin ayrışmasının göstergesi olan
sızıntı suyundaki BOİ sonuçları Şekil 4’de
gösterilmiştir. Anaerobik ve hibrit reaktörde
çalışmanın 6.gününde yapılan analiz sonucuna göre
sırasıyla 7530 mg/L ve 6000 mg/L olarak
görülmektedir. Anaerobik ve hibrit reaktörde en
yüksek BOİ değeri çalışmanın 61.gününde görülmüş
ve ardından hızlı bir azalma eğilimi görülmüş ve bu
azalma 300.günden sonra yavaşlamıştır. Ayrıca
alkalinite anaerobik çamur ilaveleri ile ufak bir artma
azalma eğilimleri grafikten görülmektedir. Hibrit
reaktöre sonradan verilen hava neticesinde anaerobik
reaktöre kıyasla çok net farklılıklar olmamıştır.
Çalışma sonunda sızıntı suyunda hesaplanan BOİ
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
0 200 400 600 800 1000 1200
Alk
ali
nit
e(m
g/L
)
Günler
AnR Alk HR Alk KR Alk AnR pH HR pH KR pH
pH
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
100
200
0 200 400 600 800 1000
OR
P (
mV
)
Günler
AnR
HR
KR
18
A.S.E. YAY/APJES 5-2 (2017) 15-21
değerleri anaerobik ve hibrit reaktörlerde sırasıyla
3015 mg/L ve 1546 mg/L dir. Kesikli reaktörde ise
sisteme verilen hava miktarının ve süresinin az
olmasına karşın hızlı bir düşüş olmuştur. Kesikli
havalı reaktörde 6.günde ölçülen BOİ5 değeri 2800
mg/L dir ve en yüksek BOİ5 seviyesine 27.günde
11070 mg/L ye ulaşmıştır. 27.günden sonra ani bir
şekilde düşmüş ve 245.gün sonunda 20 mg/L olarak
ölçülmüştür.
Şekil 4. BOİ Analiz Sonuçları
Reaktörlerde başlangıç KOİ değerleri yaklaşık 10000
mg/L dir. Organik maddelerin ayrışmasıyla KOİ
değerleri, anaerobik ve hibrit reaktörlerde 74.günden
sonra yaklaşık 45000 mg/L ye kadar yükselmiştir.
114.günden sonra KOİ konsantrasyonları azalmaya
başlamıştır ancak 370.günden sonra çok yavaş bir
azalma görülmüştür. Bu durum metan üreten
bakterilerin yetersiz olması anlamına gelebilir. Hibrit
reaktöre hava verilmesiyle 665.günden sonra
anaerobik reaktöre göre biraz daha hızlı düşüş
görülmektedir ve çalışma sonundaki anaerobik ve
hibrit reaktörlerde KOİ konsantrasyonları sırasıyla
6655 mg/L ve 3480 mg/L dir. Kesikli reaktörde ise ilk
38 gün KOİ konsantrasyonlarında yükselme görülmüş
ve en yüksek değer 29800 mg/L olarak ölçülmüştür.
38.günden itibaren hızlı bir düşüş olmuştur. 245 gün
boyunca çalıştırılan kesikli reaktörde çalışma sonunda
ölçülmüş olan KOİ konsantrasyonu 396 mg/L dir.
Buradan sisteme verilen oksijenin daha hızlı
ayrıştırma etkisinin olduğu görülmektedir.
Diğer yandan BOİ/KOİ oranlarına bakılacak
olunursa, anaerobik ve hibrit reaktörde BOİ/KOİ
oranı genel olarak 0,4’in üstünde seyretmiştir. Kesikli
havalı reaktörün ise en yüksek değeri 69. günde 0,79
olarak bu günden sonra düşüşe geçmiş ve 243.günde
0,05 ile kapatılmıştır. BOİ/KOİ oranının düşmesi katı
atığın stabilizasyona yaklaştığını göstermektedir [12].
Buna bağlı olarak kesikli havalı reaktörün stabilize
olduğu sonucuna varılabilir.
Şekil 5’de görüldüğü üzere NH4 değerleri anaerobik
ve hibrit reaktörlerde aynı eğilim vardır. Reaktörlerde
atıkların ayrışmasıyla azotlu organik bileşiklerin
parçalanması sonucunda hızlı bir yükselme
görülmüştür. Anaerobik ve hibrit reaktörlerde
145.gün sonunda en yüksek değerlere ulaşılmıştır ve
kapatma değerleri sırasıyla 120 mg/L ve 44 mg/L
olarak ölçülmüştür. Kesikli (kısmi) havalı reaktörde
ise ilk 100 gün en yüksek değerlere ulaşılmış ve
238.günden sonra amonyak tespit edilememiştir. Eğer
sızıntı suyundaki amonyak konsantrasyonu artarsa
bakteriler üzerinde toksik etki gösterebilir. 200 ile
1500 mg/L aralığında iken anaerobik ayrışma
üzerinde toksik etki göstermemektedir [13]. Tüm
reaktörlere bakıldığında en yüksek değerler anaerobik
948 mg/L, hibrit 1063 mg/L ve kesikli (kısmi) havalı
reaktör 997 mg/L dir .
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
0 200 400 600 800 1000
BO
İ 5
Günler
AnR
HR
KR
19
A.S.E. YAY/APJES 5-2 (2017) 15-21
Şekil 5. NH4 Analiz Sonuçları
4. Sonuçlar
Düzenli olarak kısmi hava verilerek işletilen
reaktörde diğer reaktörlere göre sızıntı suyu kirliliği
daha hızlı giderilmiştir. Hibrit (havasız-havalı)
reaktörde başlangıçta anaerobik reaktörle aynı
koşullar sağlanmış ve tüm değerler aynı eğilimde
olmuştur. Ancak hibrit reaktöre hava verme
aşamasından sonra anaerobik reaktöre göre az da olsa
farklılıklar gözlenmiştir. Kesikli (kısmi) havalı
reaktörde KOİ konsantrasyonu 40.günden sonra hızla
düşmüş ve diğer reaktörlere göre KOİ giderimi 4 kat
daha hızlı olmuştur. Amonyak azotu kısmi havalı
reaktörde daha hızlı artmış ve daha hızlı ve keskin
olarak azalmıştır. Yapılan çalışmaya göre uygun hava
oranı verilerek işletilen aerobik depolama alanındaki
kirlilik yükünün anaerobik olarak işletilen depolama
alanlarına göre daha hızlı azaltıldığı görülmüştür.
5. Teşekkür
Yazarlar, finansal destek sağladığı için sırasıyla 2012-
01-12-014 kodlu Sakarya Üniversitesi Bilimsel
Araştırma Projesine ve 112Y257 kodlu Tübitak
Projesine teşekkür ederler.
6. Kaynaklar
[1]Elif Sekman, “Katı Atıkların Aerobik Ayrışması
Sırasında Gerekli Olan Optimum Hava Miktarının
Belirlenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik
Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2009.
[2]Mehmet Sinan Bilgili, “Katı Atık Düzenli Depo
Sahalarında Atıkların Aerobik ve Anaerobik
Ayrışması Üzerine Sızıntı Suyu Geri Devrinin
Etkileri”, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri
Enstitüsü, Doktora Tezi, İstanbul, 2006.
[3]Selin Top, Katı Atıkların Aerobik ve Anaerobik
Ayrışma Proseslerinin Arazi Ölçekli Test
Hücrelerinde İncelenmesi, Yıldız Teknik Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi,
İstanbul, 2009.
[4]Aliye Suna Erses, “Sustainable Solid Waste
Management and In Situ Attenuation Mechanisms in
Landfills Under Aerobic and Anaerobic Conditions”,
Doktora Tezi, Boğaziçi Üniversitesi, İstanbul, 2008.
[5] S. Erses, T.T. Onay ve O. Yenigün, “Comparison
of aerobic and anaerobic degradation of municipal
solid waste in bioreactor landfills”, Bioresource
Technology, 99, 5418-5426, 2008.
[6] İ. San, T. T. “Onay, Impact of various leachate
recirculation regimes on municipal solid waste
degradation”, Journal of Hazardous Materials, 87,
259-271, 2001.
[7] E.R. Rice, R.B. Baird, A.D. Eaton, L.S. Clesceri,
Standart Methods for the Examination of Water and
Wastewater, 22nd Edition, APHA-AWWA-WPCF,
USA, 2012.
[8] O. N. Ağdağ, D. T. Sponza, “Anaerobic/aerobic
treatment of municipal landfill leachate in sequential
two- stage up-flow anaerobic sludge blanket reactor
(UASB)/completely stirred tank reactor (CSTR)
systems”, Process Biochemistry, 40, 895–902, 2005.
[9] T.H. Chrıstensen, P. Kjeldsen, “Basic
Biochemical Processes in Landfills, Sanitary
Landfilling”, Process, Technology and Environmental
Impact, eds: Christensen , T.H., Cossu,R., Stegmann,
R., Academic Press, London, UK, 1989.
[10] F.G. Pohland, “Leachate Recycle as Landfill
Management Option, Journal of the Environmental
Engineering Division”, 106:1057-1069, 1980.
[11]G. Tchobanoglous, H. Theisen, S.A. Vigil,
Integrated Solid Waste Management: Engineering
0
200
400
600
800
1000
1200
0 200 400 600 800 1000 1200
NH
4 (
mg
/L)
Günler
AnR
HR
KR
20
A.S.E. YAY/APJES 5-2 (2017) 15-21
Principles and Management Issues, McGraw Hill,
Inc, USA, 1993.
[12] D.R. Reinhart ve T.G. Townsend, “Landfill
Bioreator Design & Operation”, CR HC Press Lewis
Publicity, 189pp, New York, 1998.
[13] F. G. Pohland, J. P. Gould, W. R. Esteves, and B.
J. Spiller, “Fate of Heavy Metals During Landfill
Stabilization of Solid Waste Materials With Leachate
Recycle”, EPA Project No. R-806498, Cincinnati,
Ohio, U.S.; 1987.
21
G.Ç. ÇAVDAROĞLU/APJES 5-2 (2017) 22-28
Sorumlu yazar: Koç Sistem, İstanbul, Türkiye, E mail: [email protected]
Doi: 10.21541/apjes.289448
Trafik Yoğunluk Harita Görüntülerinin Görüntü İşleme Yöntemleriyle
İşlenmesi
1G. Çiğdem Çavdaroğlu
1Koç Sistem, İstanbul
Geliş Tarihi: 2017-02-03 Kabul Tarihi: 2017-06-30
Öz
Bu çalışmada, “Akıllı Şehirler” konulu uluslararası bir Ar-Ge projesi olan INSIST projesi kapsamında geliştirilen,
yaygın olarak kullanılan trafik yoğunluk haritası uygulamalarından elde edilen görüntüleri işleyerek yoğunluk
verisi üreten bir yöntem sunulmaktadır. INSIST projesi, akıllı şehirlere yönelik olarak güvenlik – reklam – şehir
aydınlatması uygulamalarını barındırmayı ve bu uygulamalara veri sağlamayı adreslemektedir. Akıllı Şehirler
konusunun en önemli unsurlarından birisi olan akıllı ulaşım sistemlerinin kilit verilerinden birisi de trafik yoğunluk
verileridir. Şehirde yaşayan ve trafikte aktif olarak var olan kişilerin akıllı yöntemler ile trafik hakkında
bilgilendirilmesi, öncelikli araçlara hem en kısa hem de en uygun olan rotaların önerilmesi için trafik yoğunluk
verileri çok önemli bir veri kaynağıdır. Şehrin çeşitli konumlarına farklı kamu kurumları tarafından yerleştirilen
kameralar yardımıyla bu verinin elde edilmesi mümkündür, ancak bu hem maliyetli hem de kamera konum ve
sayılarına bağımlı olması nedeniyle sınırlı bir yöntemdir. Bu çalışmada, bu yönteme bir alternatif olarak geliştirilen
ve internet üzerinden trafik yoğunluk verilerini sunan uygulamalardan elde edilen görüntülerin işlenmesi ile trafik
yoğunluk verilerini üreten bir yöntem sunulmuştur.
Anahtar kelimeler: Akıllı şehirler, akıllı ulaşım, trafik yoğunluğu
Processing of Traffic Density Map Images Using Image Processing
Techniques
1G. Çiğdem Çavdaroğlu 1Koç System, Istanbul
Received date: 2017-02-03 Accepted date: 2017-06-30
Abstract
This paper presents a method which is developed in an international R&D project called INSIST on the subject
“Smart Cities”, to extract traffic density information from traffic density maps by implementing image processing
techniques. INSIST project addresses hosting security – advertisement – lighting applications developed for smart
cities and providing required data to this applications. Intelligent transport systems is a very important key feature
of smart cities. One of the key data source of intelligent transport systems is traffic density data. Traffic density
data is required for navigating active drivers in the traffic using smart methods and suggesting alternative routes
to the emergency vehicles.Although this required data can be gathered from the video cameras located at various
locations around the city, this method is very expensive and limited to the camera locations and count. This paper
presents an alternative method in order to gather traffic density data. The presented method uses the screenshots
of traffic density maps and processes them by image processing algorithms.
Keywords: Smart cities, intelligent transport, traffic density
1. Giriş
Günümüzde insan nüfusunun büyük bir çoğunluğu,
şehirlerde yaşamaktadır ve şehirleşme gün geçtikçe
artmaktadır. Şehirlerde bireyler kendi araçlarını
kullanmakta ve her gün artan trafiğe giren araç sayısı
G.Ç. ÇAVDAROĞLU/APJES 5-2 (2017) 22-28
ile trafik şehirler için önemli bir problem teşkil
etmektedir. Mevcut ulaşım altyapısı ve yönetim
yaklaşımları, birçok ülkede artık trafikle baş
edememektedir. Bu da birçok insanın trafikte
gereksiz yere zaman kaybetmesine, gereksiz yakıt
tüketimine yol açmaktadır [1].
Dünya nüfusundaki hızlı artış ile birlikte
önümüzdeki 20 yıllık zaman dilimi içerisinde
şehirlerde yaşayan kişi sayısının 2.8 milyardan 5
milyara çıkması beklenmektedir. Şehirlerin bu
durum için hazırlık yapması, mevcut altyapıların
iyileştirmeleri, kaynaklarını verimli kullanarak
yenilikçi, yönetilebilir ve entegre hizmetler
sunmaları gerekmektedir. Uluslararası çok ortaklı bir
Ar-Ge projesi olan INSIST projesinde, geleceğin
akılı şehirlerine yönelik, entegre veri ve servis
platformunun oluşturulması, çeşitli kullanım
senaryoları doğrultusunda algoritma, servis ve
uygulamaların geliştirilmesi hedeflenmektedir [2].
INSIST platformu, trafiğe ilişkin belli başlı önemli
bilgileri çeşitli kaynaklardan toplayarak, farklı
uygulamalar aracılığıyla kamu kurum ve
kuruluşlarına ve son kullanıcılara sunmayı
hedeflemektedir. Trafiğe ilişkin en önemli verilerden
birisi de trafik yoğunluk verisidir. Proje kapsamında
trafik yoğunluk verilerinin toplanması için 3 farklı
yöntem üzerine odaklanılmıştır:
1. Kameralar aracılığıyla elde edilen
görüntülerin işlenmesi ile
2. Sosyal medya kanallarından elde edilen
yorumların işlenmesi ile
3. Trafik yoğunluk haritalarına ilişkin ekran
görüntülerinin işlenmesi ile
3 farklı kaynaktan elde edilen veriler bir araya
getirilerek hizalanabilecek ve en doğru verinin
üretilmesi sağlanabilecektir. Bu çalışmada, trafik
yoğunluk haritalarının ekran görüntülerinin grüntü
işleme yöntemleri ile işlenmesi yoluyla trafik
yoğunluk verisinin elde edilmesini sağlayan yöntem
açıklanmaktadır. Sunulan yöntem, farklı trafik
yoğunluk haritalarının eş zamanlı olarak
izlenebilmesini ve görüntülerden otomatik
yöntemlerle bilgi çıkarımı yapılabilmesini
sağlayacaktır. Ayrıca harita görüntüleri içerisinden
yol objelerinin görüntü işleme yöntemleri ile elde
edilebilmesi, görüntü haline getirilmiş bir haritanın
nasıl yeniden koordinatlı bir hale getirilebileceği
hakkında fikir verecektir.
1.1. Tekniğin Bilinen Durumu
Trafik yoğunluk harita ekran görüntülerinden,
yoğunluğa göre renklendirilmiş yol verilerinin elde
edilmesine yönelik olarak literatürde bir çalışma yer
almamakla birlikte, sunulan yönem, temel amacı
açısından hava görüntülerinden yol verilerinin
görüntü işleme yöntemleri ile elde edilmesine
dayanan çalışmalara benzetilebilir.
Hava görüntülerinden, yol verilerinin elde
edilmesine yönelik olarak gerçekleştirilmiş birçok
çalışma, Bajcsy ve Tavakoli’nin çalışmasını
başlangıç noktası olarak almaktadır [3]. Bu çalışma,
görüntü içerisinde yer alan kenar ya da diğer temel
bileşenlerin elde edilmesi, elde edilen bileşenlerin
gruplanması ve sonuç yol ağının elde edilmesini
sağlayan eleme tekniklerinin uygulanması
aşamalarını içermektedir. Laptev ve arkadaşları
tarafından geliştirilen yöntemde, yol ağı önce kabaca
bulunur, ardından gerçek yol ağının elde edilmesi
amacıyla şerit yılan (ribbon snake) modeli uygulanır
[4]. Mena ve Malpica tarafından geliştirilen
yöntemde, öncelikle segmentasyon yapılır, ardından
iskelet çıkarımı uygulanmaktadır [5]. Bir diğer
strateji de otomatik olarak elde edilen başlangıç
noktalarından ya da bir uzman desteği ile işaretlenen
başlangıç noktalarından başlamak suretiyle yolların
izlenmesine dayanmaktadır [6, 7]. Hava
fotoğraflarından yol verilerinin elde edilmesi
konusunda temel olarak kabul edilen bir diğer
çalışma da Boggess tarafından sunulmuştur [8].
Boggess’in çalışmasında, hava fotoğrafı içerisinde
yer alan 5x5 boyutundaki piksel kümeleri, bir yapay
sinir ağına sokularak yol / yol değil olarak
işaretlenmektedir. Izleyen yıllarda, yapay sinir
ağının kullanımıyla yol verisi elde edilen başka
yöntemler de geliştirilmiştir [9, 10]. 9x9’luk piksel
kümeleri üzerinde çalışan bu yöntemler, Boggess’in
çalışmasında elde edilen sonucu geliştirmemiştir ve
çok küçük boyutta bir veri seti üzerinde test
edilmiştir. Dollar ve arkadaşları tarafından
geliştirilen yöntemde, nesnelerin sınırlarının
öğrenilmesine ilişkin genel bir mantık kullanılmıştır
[11]. Bu yöntemde, her pikseli kapsayan büyük bir
alanda, önceden tanımlanmış onbinlerce detayın
araması yapılmaktadır. Tahminleme noktasında
olasılık ağacı kullanılmıştır. Ancak çalışma üç örnek
resim üzerinde çalıştırılmış ve prototip düzeyde
kalmıştır. Yol yakalama algoritmalarında, daha iyi
sonuçlar elde edilmesi için, genellikle, yol ağının
yapısı hakkında bir ön bilgi edinilmesini sağlayan
aktif kontür modelleri kullanılmaktadır [4, 12].
2. Metot
2.1. Trafik Yoğunluk Haritalarının Görüntü
İşleme Yöntemleri ile İşlenmesi
Bu çalışmada pilot bölge olarak İstanbul şehri
seçilmiştir. Proje kapsamında geliştirilen platformun
temeline yerleştirilmesi gereken harita verisinin (bu
çalışma için İstanbul’a ilişkin coğrafi veri) üretilmesi
için açık kaynak kodlu harita uygulaması olan
OpenStreetMap [13] kullanılmıştır. Trafik yoğunluk
23
G.Ç. ÇAVDAROĞLU/APJES 5-2 (2017) 22-28
haritaları, trafik yoğunluklarını önceden belirlenmiş
bir renk skalası kullanarak görselleştirirler. Yaygın
olarak kullanılan ve İnternet üzerinden sunulan bu
uygulamalara örnek olarak Yandex, Google Maps,
İBB Trafik verilebilir. Trafik yoğunluk harita
uygulamalarından, belirli bir bölgeye özel olarak,
ekran görüntüsü alınarak belirli frekanslarda trafik
yoğunluk haritası görüntülerinin elde edilmesi
mümkündür. Bu çalışmada Google Maps
uygulamasının trafik yoğunluk haritaları baz
alınmıştır. Google Maps yoğunluk haritası üzerinde
yer alan renkler, yol üzerinde trafik akışına işaret
etmektedir. Anlamları ise şu şekildedir:
Yeşil: Akıcı
Turuncu: Orta miktarda trafik
Kırmızı: Yoğun (Kırmızı tonu koyulaştıkça,
akış daha da yavaşlamaktadır.)
Görüntü işleme yöntemleri kullanılarak, Google
Maps’a ilişkin renk skalası ve uygulama özelinde
takip edilen kurallar gözetilerek yoğunluk
resimlerinden renk ve yol bilgilerinin çekilmesi ve
anlamlandırılması kurgulanmıştır. Görüntü
içerisinden yakalanan yol verilerinin harita üzerinde
konumlandırılabilmesi için (gerçekte hangi yola ait
olduğunu bulabilmek için) resim verisi ile harita
arasında bir ilişki kurulması gerekli olmuştur. Bu
yöntem ile yoğunluk verisinin elde edilebilmesi için
yapılması gerekli olan işlemler şöyle listelenebilir:
Resim verisinin harita verisi ile eşleştirilmesi
Resim verisinin görüntü işleme yöntemleri ile
işlenmesi sonucunda yoğunluk renklerinin
belirlenmesi
Resim verisinin görüntü işleme yöntemleri ile
işlenmesi sonucunda yoğunluk renklerine
ilişkin yol verilerinin belirlenmesi
Resim verisi üzerinden elde edilen yol
verilerinin, harita üzerindeki karşılıklarının
bulunması
2.2. Görüntünün Haritaya Çevrilmesi
Bu adım, “resmin sayısallaştırılması” olarak da
isimlendirilebilir. Sayısallaştırma işlemi,
fotogrametrik yöntemlerle elde edilen raster
verilerin CAD uygulamaları içerisinde görsel olarak
sunulması, bu görsel üzerinden CAD araçları ile
coğrafi bileşenlerin bir operatör tarafından sayısal
ortama çizilmesi ile yapılan bir işlemdir. Resim
sayısallaştırmanın otomatik hale getirilebilmesi için
görüntü içerisinde kalan coğrafi verilerin konum
bilgileri ile eşleştirilmesi gerekmektedir.
Görüntünün dört köşesine (üst sol, üst sağ, alt sol ,
alt sağ) ilişkin konum bilgilerinin elde edilmesi,
görüntü genişlik – uzunluk bilgilerinin resim meta
verilerinden alınması ile piksel bazında her nokta
için karşılık gelen konum verilerinin hesaplanması
mümkündür. Genişlik değerine karşılık gelen gerçek
dünya metre verisi ile görüntünün genişlik piksel
uzunluk değerinin kullanımıyla, her bir piksel için
piksel genişliği bazındaki gerçek dünya değeri metre
ve kilometre cinsinden hesaplanmıştır. Aynı şekilde
uzunluk değerleri de kullanılarak her bir piksel için
piksel uzunluğu bazındaki gerçek dünya değeri
metre ve kilometre cinsinden hesaplanmıştır. Bu
değerlerin kullanımıyla elde edilen formülasyon
kullanılarak, her bir piksel için o piksele karşılık
gelen gerçek dünya koordinat verileri
hesaplanmıştır. Formülasyonların oluşturulması
aşamasında, iki gerçek dünya koordinatı arasındaki
gerçek mesafenin hesaplanması için Haversine
formülü [14] kullanılmıştır.
Şekil 1. Trafik Yoğunluk Harita Görüntüsünün Sayısallaştırılması
24
G.Ç. ÇAVDAROĞLU/APJES 5-2 (2017) 22-28
İki gerçek dünya koordinatı arasındaki gerçek
mesafe değerini hesaplamak için kullanılan
Haversine formülü denklem 1’de görülmektedir.
𝑎 = 𝑠𝑖𝑛2(∆𝜑/2) + cos 𝜑1. 𝑐𝑜𝑠𝜑2. 𝑠𝑖𝑛2 (∆λ
2)
𝑐 = 2 . 𝑎𝑡𝑎𝑛2(√𝑎, √(1 − 𝑎))
𝑑 = 𝑅 . 𝑐
Denklem 1. Haversine Formülü: φ enlem, λ boylam,
R dünyanın yarıçapı (ortlama 6,371km)
2.3. Görüntü İçerisinde Yer Alan Yoğunluk
Renkli Yolların Elde Edilmesi
Trafik yoğunluk harita görüntüsü içerisinde
yoğunluğu belirtilen yolların görüntü
koordinatlarının elde edilmesi için Google Maps
tarafından kullanılan renk skalası dikkate alınmıştır.
Google Maps trafik yoğunluk haritasında yer alan
yollar yeşil, turuncu ve kırmızı renkler ile
gösterilmektedir. Görüntü içerisinde bu renklere
ilişkin birbirini takip eden ve süreklilik gösteren
bileşenler Hough dönüşümü [15] kullanılarak
yakalanmıştır. Şekil 2’de örnek bir Google Maps
trafik yoğunluk haritası ve yoğunluğuna göre
renklendirilmiş yollar görülmektedir.
Şekil 2. Trafik Yoğunluk Haritası ve Yoğunluğuna Göre Renklendirilmiş Yollar
Bu veri üzerinde yapılan işlemler sonucu elde edilen
sonuçlar şekil 4’te gösterilmiştir. Google Maps’te
kırmızı ile gösterilen yoğun yollar resimde siyah ile,
turuncu ile gösterilen orta yoğunlunlukta yollar
resimde mavi ile, yeşil ile gösterilen akıcı yollar ise
resimde sarı ile gösterilmiştir. Şekil 3’te sol tarafta
pilot bölgenin Google Maps görüntüsü, sağ tarafta
geliştirilen yöntemin uygulanması sonucu elde
edilen yolların görüntüsü görülmektedir.
Şekil 3. Pilot Bölge - Google Maps Görüntüsü ve İşlenme Sonrası Görüntü
25
G.Ç. ÇAVDAROĞLU/APJES 5-2 (2017) 22-28
2.4. 2B Yol Verisinin Harita Koordinatlı Yol Verisi
İle İlişkilendirilmesi
Renk skalası baz alınarak harita görüntüsü içerisinde
bulunan yol verileri, görüntü koordinatları ile
birlikte bulunmaktadır. Elde edilen veri, görüntü
içerisinde yer alan çizgilerin görüntü koordinatları
bilinen noktaların birleşmesi ile elde edilen çizgi ve
çoklu çizgilerdir. Harita görüntüsünün
sayısallaştırılması sırasında, her bir piksel için
gerçek dünya uzunluğu ve yüksekliği verileri elde
edilmiştir. Bu değerler kullanılarak elde edilen
dönüşüm formülasyonu kullanılarak bu çizgileri
oluşturan noktaların görüntü koordinatları gerçek
dünya koordinatlarına dönüştürülmüş ve elde edilen
yolların gerçek dünya koordinatlarından oluşan bir
sonuç seti elde edilmiştir.
2.5. Bulgular
Renk skalası bazında geliştirilen algoritma, skalada
yer alan renklerin ayırt edici nitelikte olmalarına
bağlı olarak başarılı sonuç üretmiştir. Harita uygun
ölçekte gösterildiğinde elde edilen ekran
görüntülerinde yer alan yoğunluk renklerinin
ayrımında bir hata gözlenmemiştir. Ancak yol adı ve
diğer coğrafi detaylara ilişkin yazı bilgilerinin yer
aldığı sembolizasyon nesneleri, algoritmanın
çalışmasında problem oluşturmuştur. Renk skalasına
baz almasının yanı sıra, algoritmanın dikkat ettiği bir
diğer kriter de, skalaya uygun olarak bulunan
bölgenin devam eder nitelikte bir geometrik nesneye
ilişkin olmasıdır. Bahsi geçen sembolizasyon
nesnelerinin, bulunan geometrik nesnelerin
sürekliliğini bozması nedeniyle algoritmada
problemler yaşanmıştır. Şekil 4’te hataya yol açan
bölgeler dikdörtgen içerisine alınarak belirtilmiştir.
Şekil 4. Hatalar
Şekil 5. Görüntü Ön İşleme: Yazı Sembolizasyonlarının Silinmesi
26
G.Ç. ÇAVDAROĞLU/APJES 5-2 (2017) 22-28
Probleme neden olan sembolizasyon nesnelerinin bir
ön işleme ile görüntüden silinmesi ve diğer işlemlere
bu adımdan sonra devam edilmesi ile işlemin
doğruluğu artırılmıştır. Yol verileri bulunmasından
önce, harita üzerinde yer alan yazı bileşenleri
kaldırılarak yol bileşenleri sürekli bir şekilde
bulunabilmiştir. Şekil 5’te bu işlem adımları ve elde
edilen sonuç görülmektedir. Ön işleme sonrasında
yol nesnelerinin bulunmasına ilişkin sonuçlar şekil
6’da görülmektedir:
Şekil 6. Ön İşleme Sonrası Yol Nesnelerinin Elde Edilmesi Sonuç Akışı
Yönteme ilişkin akış diyagramı Şekil 7'de verilmiştir:
Şekil 7. Akış Diyagramı
3. Sonuç
Sunulan yöntem, bir sistemi, tek başına trafik
yoğunluk verisi ile besleme yöntemi olarak
düşünülmemelidir. Aksine, yoğunluk verisini üreten
ya da elde edilen yöntemlere alternatif bir yöntem
olarak ele alınmalıdır. Yöntemin, literatürde yer alan
diğer yöntemlerle karşılaştırmalı sonuçları aşağıda
farklı başlıklar altında açıklanmıştır.
3.1. Veri Kaynağı ve Yöntem Alt Yapısı
Açısından Karşılaştırma
Yoğunluk verilerinin elde edilmesi için şüphesiz ki
27
G.Ç. ÇAVDAROĞLU/APJES 5-2 (2017) 22-28
en iyi yöntem, karayollarını görüntüleyen kameralar
ile elde edilen görüntülerin işlenmesidir. Ancak bu
yöntem şehir içerisinde birçok farklı konuma bir
donanım birimi yerleştirmesini gerektirir. Bu da
maliyetli bir süreçtir. Yeni nesil uygulamalardan
birisi olan Yandex uygulaması ise yoğunluk
verilerini temel olarak kullanıcı anlık konumlarını
elde ederek toplamaktadır. Ancak bu durumda da
trafikte yer alan her araç sürücüsünün uygulamayı
mobil cihazına kurmuş olması ve uygulama
sahibinin konumunu izlemesine izin vermesini
gerektirmektedir. Yoğunluk verilerini farklı yöntem
ve kaynaklardan elde ederek internet üzerinden
kullanıcılara sunan farklı uygulamaların
görüntülerinin işlenmesi üzerine çalışan yöntem ise
birçok farklı yöntem ve veri kaynağını bir araya
getirerek bir sonuç üretmektedir.
3.2. Farklı Şehir ve Ülkelerde Çalışabilirlik
Kamera donanımına bağlı olarak çalışan yöntemde,
kamera donanımının sistemin çalışacağı şehir
içerisine farklı konumlarda kurulması zorunludur.
Özellikle de farklı bir ülkede yöntemin çalıştırılması
gerekli olduğunda, bu donanım kurulması süreci,
daha da maliyetli ve zor bir unsur haline gelecektir.
Sosyal medya üzerinden paylaşılan trafik verilerinin
işlenmesi ile trafik yoğunluk bilgilerinin üretilmesi
yönteminde ise her sosyal medya hesabına yönelik
olarak sistemin yeniden çalıştırılması ve yorum
özelinde oluşan hataların giderilmesi gerekli
olacaktır. Ayrıca farklı ülkelerde çalışabilirlik için
sistemin semantik alt yapısının o ülkeye özgü dile
uyarlanması gerekli olacaktır. Ancak dünya
genelinde yaygın olarak kullanılan yoğunluk
haritalarının görüntülerinin işlenmesinde, herhangi
ek bir işleme gerek kalmaksızın yöntem olduğu
haliyle çalıştırılabilecektir.
Pilot olarak İstanbul bölgesinde Google Maps
uygulamasından elde edilen görüntüler ile elde
edilen uygulamada yer alan metot, diğer
uygulamalar ile entegre de çalışabilmesi için o
uygulamalara ilişkin renk skalasını baz alacak
şekilde geliştirmeler yapılmalıdır.
Haritada yer alan sembolizasyon nesnelerinin
oluşturduğu problemin giderilmesi için bu
nesnelerin harita görüntüsü içerisinde tespit edilerek
bir ön işlemeden geçirilmesi ve görüntü içerisinden
kaldırılması ile algoritmanın doğruluğu
artırılabilecektir.
4. Kaynaklar
[1]http://www.ibm.com/smarterplanet/tr/tr/traffic_c
ongestion/visions/?re=sph, Son Erişim Tarihi: 10
Mayıs 2016.
[2] https://itea3.org/project/insist.html, Son Erişim
Tarihi: 25 Mayıs 2016.
[3] Bajcsy R, Tavakoli M. Computer recognition of
roads from satellite pictures. IEEE Transactions on
Systems, Man, and Cybernetics 6 623–637; 1976.
[4] Laptev I, Mayer H, Lindeberg T, Eckstein W,
Steger C, Baumgartner A. Automatic extraction of
roads from aerial images based on scale space and
snakes. Machine Vision and Applications 12 23–31;
2000.
[5] Mena JB, Malpica JA. An automatic method for
road extraction in rural and semi-urban areas starting
from high resolution satellite imagery. Pattern
Recognition Letters 26 1201–1220; 2005.
[6] Geman D, Geman D, Jedynak B, Jedynak B,
Syntim P. An active testing model for tracking roads
in satellite images. IEEE Transactions on Pattern
Analysis and Machine Intelligence 18 1–14; 1995.
[7] Hu J, Razdan A, Femiani JC, Cui M, Wonka P.
Road Network Extraction and Intersection Detection
From Aerial Images by Tracking Road Footprints.
IEEE Transactions on Geoscience and Remote
Sensing 45 4144–4157; 2007.
[8] Boggess JE. Identification of roads in satellite
imagery using artificial neural networks: A
contextual approach. Technical report, Mississippi
State University; 1993.
[9] Bhattacharya U, Parui SK: An improved
backpropagation neural network for detection of
road-like features in satellite imagery. International
Journal of Remote Sensing 18 3379–3394; 1997.
[10] Mokhtarzade M, Zoej MJV. Road detection
from high-resolution satellite images using artificial
neural networks. International Journal of Applied
Earth Observation and Geoinformation 9 32–40;
2007.
[11] Dollar P, Tu Z, Belongie S. Supervised learning
of edges and object boundaries. In: CVPR ’06:
Proceedings of the 2006 IEEE Computer Society
Conference on Computer Vision and Pattern
Recognition. 1964–1971; 2006.
[12] Peng T, Jermyn I, Prinet V, Zerubia J: An
extended phase field higher-order active contour
model for networks and its application to road
network extraction from vhr satellite images. In:
ECCV08. 509–520; 2008.
[13] https://www.openstreetmap.org/ Son Erişm
Tarihi: 17 Haziran 2017.
[14]http://www.movable-
type.co.uk/scripts/latlong.html, Son Erişm Tarihi: 13
Temmuz 2016.
[15]http://homepages.inf.ed.ac.uk/rbf/HIPR2/hough
.htm, Son Erişm Tarihi: 17 Haziran
2017.
28
T.Y. KATIRCIOĞLU/APJES 5-2 (2017) 29-38
*Sorumlu Yazar: AR&TeCS Anadolu Ar-Ge Teknoloji Mühendislik ve Danışmanlık A.Ş., Ankara,
[email protected], Tel: 0 312 484 55 15
Doi: 10.21541/apjes.292612
İndüksiyon Eşlenikli Argon Plazmasında Akış Debisi ve Bobin
Lokasyonunun Sistem Çalışma Parametrelerine Etkisi İle İlgili
Simülasyonlar
*1Erdal Bozkurt,2T. Yaşar Katırcıoğlu, 3A.Tuğhan Balkan 1AR&TeCS Anadolu Ar-Ge Teknoloji Mühendislik ve Danışmanlık A.Ş., Ankara
[email protected], [email protected], [email protected]
Geliş Tarihi: 2017-02-16 Kabul Tarihi: 2017-01-31
Öz
Plazmatronların üretebildikleri yüksek sıcaklıktaki plazma sayesinde kullanım alanları gün geçtikçe artmaktadır.
Yüksek sıcaklıktaki ve hızdaki plazma akışları kömür ve biyokütle atıklarının yakılması, gazlaştırılması, hava
araçlarının atmosfere yeniden giriş koşullarının simüle edilmesi, ısı koruma malzemeleri üretimi, plazma
metalürjisi, aşınma-kaplama uygulamaları ve bilimsel araştırmalar gibi pek çok yüksek sıcaklık teknolojisinde
kullanılmaktadır. Teknik gereksinimleri karşılayacak plazmanın tanımlanabilmesi ve tanımlanan plazma
isterlerinin, üretimden önce simülasyonları yapılarak incelenmesi, zaman, maliyet ve teknik risklerin asgariye
indirilmesi açısından çok önemlidir. Bu çalışmada düşük basınçta indüksiyon eşlenikli Argon plazması (Inductive
Coupled Plasma-ICP) ile ilgili simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Simülasyonda kullanılan RF frekansı 13.56
MHz, vakum değeri 1 Torr seçilmiştir. Bu vakum değeri atmosferik yeniden giriş deneysel uygulamalarına uygun
olarak seçilmiştir. Çalışmada; gaz akışı simülasyonu, ısı transfer simülasyonu ve plazma simülasyonu eşlenikli
olarak gerçekleştirilmiştir. Gaz akış miktarı (Q), düşük ve yüksek debi etkilerinin net gözlenebilmesi için iki farklı
değer olarak, Q1=3 mg/s ve Q2= 90mg/s seçilmiştir. Simülasyonlarda toplamda 7 farklı kimyasal reaksiyon hesaba
katılmıştır. Sistemde oluşan manyetik alan ve bunlara karşılık gelen elektrik alan çizgileri, manyetik alan
büyüklüğü dağılımı, sıcaklık dağılımı, konvektif ısı akış dağılımı, gaz akış hız dağılımı, gaz basıncı değişimi
değerleri ve elektron yoğunluğu dağılımı, iki farklı gaz debisi için simülasyonlarda hesaplanmış ve bu iki durum
için söz bu değerler birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Son olarak sistemi dalgalı-AC akım ile enerjilendiren
indüksiyon bobinlerinin yeri simetri ekseni-z boyunca yukarıya, gaz çıkışına doğru kaydırılmış, bobinlerin yeri
sistem geometrisine göre ortada ve sonda iken simülasyonlar yapılmıştır. Bu hesaplarda her iki durum için bobin
elektriksel gücü ve akış kütle debisi sabit tutulmuştur. Ardından bobinlerin lokasyonundaki değişimin elektron
yoğunluğu ve plazma gaz sıcaklığına olan etkisi 1-boyutlu ve 2-boyutlu dağılımlarla incelenmiştir.
Anahtar kelimeler: Plazma, plasmatron, inductively coupled plasma (ICP plasma), kömür ve biyokütle yakma,
gazlaştırma, modelleme, simülasyon
Argon ICP Plasma Simulations Related to the Effect of the Gas Flow Rate
and the Location of the Coils to the System Working Parameters
1Erdal Bozkurt,1T. Yaşar Katırcıoğlu, 1A.Tuğhan Balkan
1AR & TeCS Anadolu R & D Technology Engineering and Consulting Co., Ankara
[email protected], [email protected], [email protected]
Abstract
The usage areas of the plasmatron has been increasing due to the very high level of temperature which they can
reach. They are used widely in the plasma-wind tunnels to create the atmospheric test conditions of high velocity
aircrafts and spacecrafts while entering atmosphere. Additionally, most efficient coal and bio-mass burning also,
syngas production from burning of the coal and biomass can be achieved with the high temperature plasmatrons.
They are also used in the tests of high temperature resistance materials, plasma metallurgy and related scientific
researches. The usage of simulation is very important to determination and verification for technical requirements
of a plasma and plasmatron system before it’s production, the time, cost and technical risks can be minimized
before investing money to the production and development by simulating the related plasma system. In this work,
a system that is consisted of inductive coupled plasma (ICP) is investigated by making related computer
T.Y. KATIRCIOĞLU/APJES 5-2 (2017) 29-38
simulations. Investigated simulations are gas flow simulation, heat transfer simulation and plasma simulation and,
these simulations are performed as coupled. In these simulations, the RF frequency is chosen as 13.56 MHz and
vacuum pressure is chosen as 1 Torr. This vacuum level is selected appropriately for atmospheric re-entry
experimental conditions. The mass flow rate is adjusted as a low and a high level, Q1=3 mg/s and Q2= 90 mg/s
respectively. With these setting the changes of flow, heat and plasma parameters are investigated. Totally, 7
different chemical reaction is added to the realized simulations. The magnetic field distribution, the electric field
induced from this magnetic field, the magnetic field magnitude, flow temperature distribution, convective heat
transfer distribution, plasma gas velocity field, plasma gas pressure distribution and plasma electron density
distribution is calculated in these simulations and, these results are compared for the different gas mass flow rate.
Finally, the location of the coils which gives the RF electrical energy to the ICP plasma are slid to where the
plasma gas is leaving from the geometry which respect to symmetry axis-z. The simulations are performed when
the coils are in the middle and in the gas exit of the geometry. In these two different configurations, the power
which this system is taken and mass flow rates are kept the same. These values are 3500 Watt and 90 mg/s
respectively. Afterward with the change of the coils location, the plasma electron temperature and plasma gas
temperature are investigated for 1-D and 2-D distribution and they are compared for discussion.
Keyword:: Plasma, plasmatron, inductively coupled plasma (ICP plasma), coal and biomass burning, gasification,
modeling, simulation
1.Giriş
ICP plazmatron, yüksek sıcaklıklarda gaz jeti
üretmeye yarayan bir plazma kaynağı olup, yüksek
entalpide gaz akışı sağlar [1] [2] [3]. Isıtılan gaz
Argon, Oksijen, Nitrojen ve hava gibi çok farklı
türlerde olabilir [4]. Sistem simetri ekseni-z
etrafında oluşan elektrik alan çizgileri, Eddy
akımlarına (Eddy Current’lara) neden olur. Bu
akımlar dolayısıyla plazmatron da kullanılan gaz
ısınır. Elektrik alan çizgileri ise sistem simetri ekseni
yönünde oluşan manyetik alan çizgilerinin zamana
göre salınımı sonucudur. Şekil 1’de görülen
manyetik alan çizgileri değişiminin nedeni ise
sistemde kullanılan yalıtkan malzemenin etrafına
sarılan indüksiyon akım bobinleridir. Bu bobinlere
MHz’ler mertebesinde alternatif akım verildiğinde
sistem içinde zamanla salınan manyetik alan elde
edilir [5][6] [7][8][9][10]11].
Şekil 1. Plazmatron sistemi çalışma prensibi için
temsili
Plazmatronda oluşan yüksek sıcaklıktaki plazma
gazının kullanılan yalıtkan malzemeyi eritmemesi
için sisteme gaz girdaplı (gas vortex) olarak
verilebilmektedir. Şekil 1’de yeşil ile gösterilen bu
gaz akışı girdaplı hava akışına bir örnektir. Bu
sayede sistem 4000-15000 K arasındaki yüksek
sıcaklıklarda çalışabilmektedir [12].
ICP plazmatronun gerçek çalışan örneğiŞekil 2’de
görülmektedir.
Şekil 2. Çalışır halde bir ICP plazmatron plazma
alevi [13]
ICP plazmatron sistemlerinde kullanılan yalıtkan
malzeme sayesinde sistem elektrotsuz olarak çalışır.
Elektrotlu sistemler ark boşalmalı plazmatronlardır.
Ark plazmatron sistemlerinde metal elektrotlar
kullanılmaktadır. Bu elektrotlara uygun miktarda
elektrik gerilim uygulandığında ark plazması
oluşmakta ve gazı 10,000 K gibi yüksek sıcaklıklara
kadar ısıtmaktadır [20]. Ancak bu süreçte ısınan
elektrotlar buharlaşmakta ve plazmanın saflığını
bozmaktadır. Dolayısıyla ark plazmatron sistemleri
kaplama gibi yüksek saflıkta sıcak gaz istenen
durumlarda tercih edilmezler.
ICP plazmatronlarda ise herhangi bir elektrot
kullanılmadığından aşınma olmaz ve yüksek saflıkta
30
T.Y. KATIRCIOĞLU/APJES 5-2 (2017) 29-38
plazma elde edilir. Bu avantajından ötürü elektrotsuz
ICP plazmatron sistemleri ark boşalmalı plazmatron
sistemlerine göre kaplama ve kütle spektroskopisi
gibi uygulamalarda daha çok tercih edilir
[14][15][16][17][18][19][6].
ICP plazmatronlar 100 mTorr’dan daha az basıncın
bulunduğu ortamlardan, 103 Torr gibi atmosfer
basıncı değerlerinin söz konusu olduğu durumlara
kadar çalışabilmektedir [21].
ICP plazmatronlar düşük kaliteli linyit kömürünü
yakmak için de kullanılmaktadır. Yakılan bu
kömürden yüksek verimde ısı elde edilmekte, bu ısı
ile de elektrik enerjisi üretilmektedir. Dünya’da
kömürden elektrik elde etme yüzdesi %40.1 oranıyla
en büyük payı aldığı ve geri kalan eldenin
hidroelektrik, rüzgar, nükleer vb. olarak dağıldığı
göz önünde tutulduğunda bu konuda yapılan
deneysel ve nümerik çalışmaların ne kadar önemli
olduğu görülmektedir [22]. Termoelektrik enerji
santrallerinde kömür yakarak üretilen enerjinin
yalnızca %1’i plazmatronun çalıştırılması için
kullanılmakta, kömürün tutuşması için gazın ya da
petrolün kullanılması gerekliliği ortadan kalkmakta,
kömür ateşinin stabil şekilde yanması sağlanmakta,
yanmamış karbon emisyonu ve nitrit oksit miktarı
azalmaktadır[23][24]. Ayrıca plazmatron
kullanılarak biyokütle (başka bir deyişle çöp) veya
kömürün gazlaştırılması mümkündür. Kullanılan
kömürün kalitesi önemli olmaksızın elde edilen
gazın ihtiva ettiği enerji miktarı 4358-4555 kcal.kg-1
dolaylarındadır. Bu yanma işlemi için gerçekleşirken
plazma 5000 oC’ sıcaklık değerlerine kadar
çıkmaktadır [25][26][27]. Bu gazlar 1300 K gibi
yüksek sıcaklıklarda ısı enerjisi
üretebilmektedir [23].
ICP ya da ark boşalmalı plazmatronların kömür ya
da biyokütle yakılmasında ortaya çıkacak yüksek
sıcaklık profili ve oluşan reaktif gaz türlerinin
bilinmesi önem taşımaktadır. Bu çalışmada
gerçekleştirilen simülasyonlarda kullanılan gaz
Argon’dur ama ICP ya da ark boşalmalı
plazmatronlarda genelde hava kullanılmakta ve
dolayısıyla kömür-biyokütle yakmada ortaya çıkan
sıcak gaz kompozisyonu buna göre değişmektedir
[23]. Kömür ile yanmada 50-100 µm boyutunda olan
kömür toz parçacık boyutu plazma ile oluşturulan
termal şok nedeniyle 5-10 µm boyutuna inmekte ve
bu durum hem oksidasyon sürecini hem de elde
edilen enerji miktarını yüksek oranda
artırmaktadır[23]
ICP plazma kaynakları aynı zamanda uzay vakum
ortamında uydu itki sistemi olarak da
kullanılmaktadır. Bu uygulamada yakıt verimliliği
anlamına gelen Isp-özgül kütle değeri kimyasal
yakıtlı sistemlere oranla 4-5 kat mertebesinde
yüksektir. Yakıt verimliliği ise Isp değerine göre
logaritmik olarak arttığından dolayı uzay ortamında
kimyasal yakıtlı sisteme göre aynı görevi
gerçekleştirmek için gereken yakıt miktarı kat kat
azalmaktadır[28]. Bu iticilerin toplam çalışma
ömrünün 5000-6000 saat ölçeğinde olduğu göz
önünde bulundurulduğunda ICP iyon itki
sistemlerinin ne kadar tercih edilir pozisyonda
olduğu açıkça görülmektedir.
ICP plazma sistemlerinde elde edilen elektron sayı
yoğunluğu ise oldukça yüksektir ve 1016-1018 m-3
dolaylarındadır[29][30][17]. Bu sayı kapasitif
eşlenik plazma (Capasitively Coupled Plazma-
CCP) sistemlerinden 10 kat daha fazladır [31].
Plazma sistemleriyle ilgili ticari veya deneysel bir
cihaz üretmenin ve tüm parametrelerin deneysel
olarak test edilmesinin yüksek maliyeti ve gerekli
zaman göz önüne alındığında ihtiyaca yönelik
bilgisayar simülasyonlarının gerçekleştirilmesi
gerektiği görülmektedir. Kömür ve biyokütleyi
plazma ile yakma gibi uygulamalarda yüksek
sıcaklık istenmektedir. Dolayısıyla simülasyonlarda
sıcaklık girdisine yönelik geometriyle ya da sistem
çalışma parametreleri ile ilgili optimizasyonlar
yapmak yerinde olacaktır. Literatürde
gerçekleştirilmiş kodlardan FLOREAN ve diğerleri
kömür yakma probleminin çözümünde yüksek
kesinlikte sonuçlar sağlamıştır[22][25].
Şekil 3. Solda ICP plazmatron simülasyonunda
kullanılan sistem geometrisi ve sağda çözüm
sırasında kullanılan ağ (mesh)
2. Nümerik Analiz Metodu
Bu çalışmada plazma simülasyonları
gerçekleştirilirken gaz olarak Argon kullanılmıştır.
Sistem 2-boyutlu eksen simetrik olarak açık
yazılımlar kullanılarak modellenmiştir. Plazma
simülasyonları akışkan dinamiği ve ısı transferi
eşitlikleri ile eşlenikli olarak çalışmıştır. Plazma
deşarjı ile oluşan elektron yoğunluğu, sıcaklık
dağılımı, gaz akış hız dağılımı, gaz basıncı dağılımı,
konvektif ısı akış dağılımı rapor edilmiştir.
31
T.Y. KATIRCIOĞLU/APJES 5-2 (2017) 29-38
Bu çalışmada kullanılan sistem geometrisi ve
hesabın yapıldığı ağ-mesh Şekil 3’de gösterilmiştir.
Seçilen bu geometri ile ICP plazmatron alevi
(plazmatron torch) atmosfere yeniden giriş
testlerinde ya da düşük basınç yüksek sıcaklık
malzeme testlerinde kullanılabilir. Kullanılan açık
yazılımda simülasyonlar 2-boyutlu eksen-simetrik
olarak hesap yapmıştır. Sistem çalışma frekansı
13.56 MHz seçilmiş, gaz olarak Argon kullanılmış,
toplam gaz basıncı 1 Torr alınmıştır. Sistem giriş
çalışma gücü her iki durumda da 3 kW’tır. Gaz akış
debisi 3mg/s-90mg/s olarak iki ayrı değerde
seçilmiştir. İkinci değerin 30 kat gibi çok fazla
seçilmesinin nedeni artan akış karakteristiğiyle
sistemden çıkan plazma gazının sıcaklığının ne
derece arttığını görmektir.
Son olarak indüksiyon bobinlerinin lokasyonu
sistem simetri ekseni-z’e göre yukarı doğru
kaydırılmıştır. Her iki durumda da güç 3.5 kW ve
kütle akış debisi 90 mg/s iken yapılan bu analizde
fiziksel parametrelerden elektron yoğunluğu, plazma
gaz sıcaklığı, konvektif ısı akış dağılımının değişimi
incelenmiştir.
Aşağıda Tablo 1’de bu çalışmada gerçekleştirilen
simülasyonlarda hesaplarda kullanılan diferansiyel
denklemlerde başlangıç değer olarak kullanılan
değerler gösterilmiş ve akışkan elektron denklemi
(electron magneto-dynamic equation), elektron
enerji akış denklemi, Poisson’s elektrik alan
denklemi, salınımlı manyetik alan denklemi, ısı
transfer denklemi ve laminar akış denklemi eşlenikli
olarak çözülmüştür.
Hesaplarda gaz akış hızı ve gaz basınç dağılımı,
akışkan dinamiği eşitlikleri hesaplarından elde
edilmiştir. Bu değerler plazma eşitlikleri hesabına
girdi olarak kullanılmıştır. Ayrıca gaz yoğunluğu ve
dinamik viskozite dağılımı plazma eşitlikleri ile
hesaplanmış ve akışkan eşitliklerinin hesabına girdi
olarak kullanılmıştır.
Tablo 1. Bu çalışmada gerçekleştirilen
simülasyonlarda çözülen diferansiyel denklemlerde
kullanılan başlangıç değerler (the initial conditions
for the solved differential equations)
Gaz sıcaklığı başlangıç değeri
(Kelvin)
300
Gaz akış değeri başlangıç değeri
(m/s)
0
Elektron yoğunluğu başlangıç
değeri (m-3)
1015
Elektron enerjisi başlangıç değeri
(eV)
3
Elektrik gerilim (V) 0
Manyetik vektör potansiyel
(Weber/m)
0
Başlangıç iyon sayı yoğunluğu yarı-yüksüzlük
(quasi-neutrality) koşuluyla belirlenmiştir (1015m-3).
Sistemde oluşan başlıca kimyasal reaksiyonlar Tablo
2’de özetlenmiştir. Bu tabloda kullanılan sabitlerin
beş tanesi Boltzman Eşitliğinden hesaplanmış ve
diğer 2 tanesi için alınan değer son iki satırda
gösterilmiştir.
Tablo 2. Argon ICP plazma simülasyonunda
varsayılan kimyasal reaksiyonlar-iyonlaşmalar. [32]
İnd
ex
Reaksiyon Reaksiyo
n Tipi ∆E
(eV)
Kullan
ılan
Sabit
1 e+Ar→e+Ar Elastik
Çarpışm
a
0 Boltz
man
2 e+Ar→2e+A
r+
Doğruda
n
İyonizas
yon
15.8 Boltz
man
3 e+Ar↔e+Ar*
Eksitasy
on
11.4 Boltz
man
4 e+Ar→e+Ar Eksitasy
on
13.1 Boltz
man
5 e+Ar*→2e+
Ar+
Aşamalı
İyonizas
yon
4.4 Boltz
man
6 2Ar*→e+Ar+
+Ar
Penning
İyonizas
yon
- 6.2x10-10
cm3.s-1
7 Ar*→h𝜈+Ar Radyasy
on
- 1.0x107s-1
3. Sonuçlar ve Tartışma
Şekil 4’de plazma odası etrafında oluşan manyetik
alan çizgilerinin anlık şekli görülmektedir. Bu
manyetik alan çizgileri 13.56 MHz frekansta, simetri
ekseni boyunca yön değiştirmektedir. Şekil 4’de
sağda ise oluşan manyetik alanın büyüklüğü Gauss
cinsinden verilmiştir. Burada sarımların olduğu
lokasyon merkez eksene yaklaşık 3 cm uzaklıktadır.
Uygulanan RF gücünün sarımlardan geçmesine
neden olan akım 43 A olduğu simülasyon kodunda
hesaplanmıştır. Şekil 4’de sağda görüldüğü gibi bu
43 A’lik akımdan ötürü indüksiyon akım
bobinlerinde anlık olarak görülen manyetik alan 10
Gauss’lar dolaylarındadır. Plazma odasında bu değer
anlık 1 Gauss’lar dolaylarında olduğu yine Şekil
4’de sağda görülmektedir.
32
T.Y. KATIRCIOĞLU/APJES 5-2 (2017) 29-38
Şekil 4. Solda, plazma odası ve çevresinde oluşan
manyetik alan çizgileri, sağda manyetik alan
büyüklük olarak (magnitude) dağılımı Gauss birimi
cinsinden verilmiştir.
Şekil 5’de oluşan elektrik alan çizgilerinin anlık hali
görülmektedir. Elektrik alan çizgileri burada
yaklaşık olarak dairesel yörüngeler çizer. Bunlar
Şekil 4’de solda görülen manyetik alan çizgilerine
eşlenik (coupled) halde simetri ekseni-z etrafında,
azimuthal yönde, manyetik alan çizgileri ile aynı
frekansta oluşmaktadır.
Şekil 5. Plazma odası içerisinde oluşan dairesel
elektrik alan çizgileri.
Şekil 6. 2-Boyutlu görünümde solda ilk geometri ve
gaz akı debisi Q1=3 mg/s iken sıcaklık dağılımı,
sağda gaz akış debisi Q2= 90 mg/s iken Kelvin
cinsinden gaz sıcaklığı dağılımı.
Yukarıda Şekil 6’da gaz debisi Q1 ve Q2 için 2-
boyutlu sıcaklık dağılımı gösterilmiştir. Şekil 7’de
bu geometri için elde edilmiş ICP plazmasının 1-
boyutlu sıcaklık dağılımı görülmektedir. Sağda
görülen sonuçta gaz debisi soldakine göre 30 kat
artmıştır.
Şekil 7. 1-Boyutlu görünümde solda ilk geometri ve
gaz akı debisi Q1=3 mg/s iken sıcaklık dağılımı,
33
T.Y. KATIRCIOĞLU/APJES 5-2 (2017) 29-38
sağda gaz akış debisi Q2=90 mg/s iken Kelvin
cinsinden sıcaklık dağılımı (Bu veriler sistem
merkez simetri ekseni boyunca alınmıştır). Bu iki
farklı gaz debisinde yapılan simülasyonlar
dolayısıyla Şekil 7’den görülmektedir ki aynı güç
değerinde, giriş gaz debisi 30 kat artırıldığında gaz
sıcaklığı sistem geometrisi simetri ekseni-z’in 16.
cm’sinde, gazın sistemden ayrıldığı yerde, 438.15
K’den 1757.9 K’e çıkmıştır.
Şekil 7’den görülmektedir ki gaz debisi arttığında en
yüksek sıcaklığın görüldüğü lokasyon geometride z-
ekseninde sağa doğru kaymaktadır. Şekil 7’da solda
gazın en yüksek sıcaklık değeri z-ekseninde plazma
odasının en ortası olan 8.cm’dedir. Artan gaz debisi
ile, Şekil 7’de sağda en yüksek değer, plazma
odasında z-ekseninde 11. cm dolaylarına kaymıştır.
Şekil 7’de gaz debisi Q1=3 mg/s iken sıcaklık profili
simetriktir. Aşağıda Şekil 8’de iki farklı debide
yapılan simülasyonlarda elde edilen 2-boyutlu hız
dağılımı görülmektedir. Şekil 7 ve Şekil 8’de solda
görüldüğü gibi sıcaklığın yüksek olduğu bölgede hız
değeri düşüktür. Öte yandan Şekil 8’de 2 boyutlu
dağılım ile sağda kırmızı oklar ile görüldüğü gibi gaz
debisi Q2= 90 mg/s iken hız profili dikkate alınacak
derecede artmıştır ve hızın yüksek olduğu bu
bölgelerde sıcaklık Şekil 7’de sağda görüldüğü gibi
fazladır. Dolayısıyla konvektif ısı transferinin bu
bölgede baskın olduğu söylenebilir.
Şekil 8. Sistemde m/s biriminde 2-boyutlu hız
dağılımı, solda Q1=3 mg/s iken, sağda Q2= 90 mg/s
iken hız dağılımı.
Şekil 9’da bir boyutlu dağılımda iki farklı debideki
değişen hız profili görülmektedir.
Şekil 9. Sistemde m/s cinsinden 1-boyutlu hız
dağılımı, solda Q1=3 mg/s iken, sağda Q2= 90 mg/s
iken hız dağılımı (Bu veriler sistem merkez simetri
ekseni boyunca alınmıştır).
Hız profili ile bağlantılı olan ikinci unsur konvektif
ısı transferidir. Konvektif ısı transferinin 2 boyutlu
dağılım miktarları ve yönleri aşağıda Şekil 10’da
oklarla gösterilmiştir. Okların rengi ise ısı akışının
büyüklüğünü göstermektedir. Solda Q1=3 mg/s’de,
sağda Q2= 90 mg/s iken konvektif ısı transferi
dağılımı verilmiştir.
Şekil 10. Solda Q1=3 mg/s ve sağda Q2= 90 mg/s
iken konvektif ısı transferi (W/m2 cinsinden)
34
T.Y. KATIRCIOĞLU/APJES 5-2 (2017) 29-38
Hızın yüksek olduğu bölgede sıcaklık yüksek ise
konvektif ısı transfer miktarı bu bölgede baskındır.
Gaz debisi Q1=3 mg/s’den Q2=90 mg/s’ye
çıkarıldığında Şekil 10’dan görüldüğü gibi konvektif
ısı akışının büyüklüğü fark edilir derecede
artmaktadır. Bu beklenen bir durumdur, çünkü gaz
akış hızı ve bu bölgedeki sıcaklık, konveksiyon ile
ısı iletimi için bir ölçüttür. Şekil 10’da sağda
görüldüğü gibi sıcaklığın yüksek olduğu bölgelerde
akış hızı yüksek ve dolayısıyla bu bölgede konvektif
ısı transferi baskındır. Sistemde gaz giriş debisi
artırıldığında, Şekil 11’den görüldüğü gibi sistemde
üretilen serbest elektron sayısı yaklaşık 2 kat
artmıştır. Bu durum için sisteme birim zamanda
salınan parçacık sayısındaki artma ya da başka bir
deyişle basınçtaki artma neden olarak verilebilir.
Şekil 11’de solda Q1=3 mg/s iken, sağda Q2= 90
mg/s iken elektron yoğunluğu dağılımı [m-3]
biriminde 2 boyutta görülmektedir.
Şekil 11. Solda Q1=3 mg/s iken elektron yoğunluğu
(m-3 cinsinden), sağda Q2= 90 mg/s iken elektron
yoğunluğu
Şekil 11’de solda ve sağda siyah çemberler ile çevrili
bölgeden görülmektedir ki solda düşük debide
homojen dağılan elektron yoğunluğu Şekil 11’de
sağdaki yüksek debili durumda biraz daha yukarıya
doğru ötelenmiştir. Aşağıda Şekil 12’de sistem
merkez simetri ekseninden alınmış verilerde bu
ötelemeyi göstermektedir. Burada Şekil 12’de solda
kırmızı ile çevrilmiş çemberler elektron
yoğunluğundaki ötelenme lokasyon olarak
görülmektedir.
Şekil 12. Solda Q1=3 mg/s iken elektron yoğunluğu
(1/m^3 cinsinden), sağda Q2= 90 mg/s iken elektron
yoğunluğu.
Şekil 12’de solda geometrinin 20. mm’sinde
elektron yoğunluğu 0.9X1020 m-3 iken, sağda ikinci
durumda geometrinin aynı bölgesinde elektron
yoğunluğu 0.5x1020 m-3dir.
Şekil 13. Basıncın artan debi ile değişimi, solda
Q1=3 mg/s iken Torr cinsinden basınç dağılımı,
sağda Q2= 90 mg/s iken basınç dağılımı.
Basınç ile ilgili dağılım yukarıda Şekil 13’de 2-
boyutlu ve aşağıda Şekil 14’de de 1- boyutlu olarak
verilmiştir. Gaz akışındaki artan debi Şekil 13’de
sağda görüldüğü gibi sistem basıncını artırmıştır.
35
T.Y. KATIRCIOĞLU/APJES 5-2 (2017) 29-38
Şekil 11’de görülen artan elektron yoğunluğunun
nedeni ise basınçtaki bu artıştır.
Şekil 14. Solda Q1=3 mg/s iken sistem basıncı (Torr
cinsinden), sağda Q2= 90 mg/s iken sistem basıncı
Şekil 14’deki iki grafikte Q1=3 mg/s ve Q2= 90 mg/s
akış değerlerine karşılık gelen basınç dağılımı
incelendiğinde Q2= 90 mg/s akış değerindeki basınç
yaklaşık 2 kat artmakta ve buradaki basınç dağılımı
daha stabil bir şekilde z ekseni boyunca
korunmaktadır.
Şekil 15. Sisteme RF gücünü veren bobinlerin
lokasyonu sistemde gazın çıktığı yere doğru
kaydırıldığında değişen 2-boyutlu elektron
yoğunluğu profili.
Şekil 15’deki simülasyon sonuçları ile toplamda dört
adet olan indüksiyon bobinlerinin yerinin değişmesi
ile elektron yoğunluğundaki değişme
incelenmiştir. Soldaki durumda sisteme enerji veren
indüksiyon bobini, sistem simetri ekseni-z boyunca
gazın sistemden çıktığı lokasyona yerleştirilmiştir.
Burada her iki durumda da sisteme verilen güç 3500
Watt ve akış kütle debisi Q=90 mg/s’dir.
Şekil 16. Sisteme RF gücünü veren bobinlerin
lokasyonu sistemde gazın çıktığı yere doğru
kaydırıldığında değişen 1-boyutlu elektron
yoğunluğu profili.
Şekil 16’dan görülmektedir ki indüksiyon
bobinlerinin lokasyonu değiştiğinde elektron
yoğunluğunun tepe değeri ve bu değerin yeri
değişmektedir. Şekil 16’dan da görülmektedir ki bu
bobinler simetri ekseni-z ‘e göre ileri kaydırıldığında
elektron yoğunluğunun tepe değeri de z-ekseni
boyunca ileri doğru kaymıştır. Burada elektron
yoğunluğunun miktarı da bir miktar artmıştır.
Şekil 17. Sisteme RF gücünü veren indüksiyon
bobinlerinin lokasyonu sistemde gazın çıktığı yere
doğru kaydırıldığında değişen (Kelvin biriminde) 2-
boyutlu gaz sıcaklığı profili.
Şekil 17’den de görüldüğü gibi sistemde indüksiyon
bobinleri simetri ekseni-z’e göre ileriye doğru
kaydırıldığında sıcaklık profili de bu bölgeye doğru
yer değiştirmektedir.
36
T.Y. KATIRCIOĞLU/APJES 5-2 (2017) 29-38
Şekil 18. Sisteme RF gücünü veren indüksiyon
bobinlerinin lokasyonu sistemde gazın çıktığı yere
doğru kaydırıldığında değişen (Kelvin biriminde) 1-
boyutlu gaz sıcaklığı profili.
Şekil 18’de indüksiyon bobinlerinin yerinin
değiştirilmesiyle gerçekleşen, 1-boyutlu sıcaklık
dağılımındaki değişme görülmektedir. Bobinlerin
yerinin sistemden ayrılan gazın lokasyonuna yakın
bir yerde olması bu gazın sıcaklığını yaklaşık olarak
240 K derece artırmıştır.
Bu makalede iki farklı debide yapılan simülasyonlar
dolayısıyla görülmüştür ki aynı güç değerinde, giriş
gaz miktarı 30 kat artırıldığında sistem çıkış gaz
sıcaklığı 438.15 K’den 1757.9 K’e çıkmıştır ve bu
sıcaklık artışı kömür yakma gibi uygulamalarda
istenen bir durumdur. Plazma ile kömür ya da
biyokütle yakmada kullanılan gazın sıcaklığının ne
kadar yüksek olduğu elde edilen ısı enerjisinin
miktarını belirlemektedir[23]. Bu çalışmada
gerçekleştirilen simülasyonlarda görülmektedir ki
artırılan gaz debisi sistemden ayrılan gazın
sıcaklığını yüksek oranda artırmaktadır. Gaz
debisindeki bu artış plazma elektronlarının sayısını
da artırmaktadır. Sistemde elektrik alanın neden
olduğu Eddy-current’ın içerisindeki sayıca artan bu
elektronlar da gazın ilk duruma göre daha da çok
ısınmasına neden olmaktadır.
Ayrıca debi miktarı 90 mg/s ve güç 3500 Watt iken
iki ayrı simülasyon daha yapılmıştır. İlk durumda
indüksiyon bobinlerinin lokasyonu geometrinin
ortasında, ikinci durumda ise bu yer sistem simetri
ekseni-z’e göre yukarı doğru kaydırılmıştır.
Bobinlerin yerindeki bu değişme ile elektron
yoğunluğu değişimi, plazma gazı sıcaklık profili
değişimi 1-boyutlu ve 2-boyutlu simülasyon
sonucuyla incelenmiştir. Bu durumda plazma
elektron yoğunluğu bir miktar artmış ve ilk durumda
en yoğun olduğu bölge sistem simetri ekseni-z
boyunca ötelendiği görülmüştür.
Elektron yoğunluğundaki bu ötelenme sıcaklık
dağılımı için de geçerli olmuş, sıcaklık profilinin en
yüksek olduğu bölge simetri ekseni boyunca ileriye
doğru kaymıştır. Sıcaklık miktarı ise bu gaz çıkış
bölgesinde yaklaşık 240 K derece artmıştır.
4. Kaynaklar
[1] T. I. To, K. I. Shida, M. M. Izuno, T. S. Umi,
and F. Science, “Construction of a 110kW
ICP ( Inductively Coupled Plasma ) -heated
Wind Tunnel,” Aerospace, vol. 3, pp. 34–35.
[2] O. Access et al., “Thermodynamic
Characterization of High-Speed and High-
Enthalpy Plasma Flows,” pp. 155–172,
2014.
[3] M. Matsui, M. Auweter-Kurtz, G. Herdrich,
and K. Komurasaki, “Enthalpy
Measurement in Inductively Heated Plasma
Generator Flow by Laser Absorption
Spectroscopy,” AIAA J., vol. 43, no. 9, pp.
2060–2064, 2005.
[4] S. B. Punjabi, N. K. Joshi, H. A.
Mangalvedekar, B. K. Lande, A. K. Das, and
D. C. Kothari, “A comprehensive study of
different gases in inductively coupled
plasma torch operating at one atmosphere,”
Phys. Plasmas, vol. 19, no. 1, 2012.
[5] B. Bottin, O. Chazot, M. Carbonaro, V. van
der Haegen, and S. Paris, “The VKI
Plasmatron Characteristics and
Performance,” RTO AVT Course Meas.
Tech. High Enthalpy Plasma Flows, Rhode-
Saint-Genèse (Belgium), RTO EN-8, pp. 6–
26, 1999.
[6] T. Okumura, “Inductively coupled plasma
sources and applications,” Phys. Res. Int.,
vol. 2010, no. 1, 2010.
[7] A. A. Warra and W. L. O. Jimoh, “Overview
of an inductively coupled plasma (icp)
system,” Ijcr, vol. 3, no. 2, pp. 41–48, 2011.
[8] R. Thomas, Practical Guide to ICP-MS, vol.
53. 2004.
[9] F. F. Chen, “Radiofrequency Plasma
Sources for Semiconductor Processing,”
Adv. Plasma Technol., pp. 99–115, 2008.
[10] R. Thomas, “A beginner’s guide to ICP-MS
- Part III: The plasma source,” Spectroscopy,
vol. 16, no. 6, p. 26–+, 2001.
[11] H.-S. Jun and H.-Y. Chang, “Development
of 40 MHz inductively coupled plasma
source and frequency effects on plasma
parameters,” Appl. Phys. Lett., vol. 92, no.
2008, p. 41501, 2008.
[12] A. Gutsol, J. Larjo, and R. Hernberg,
“Comparative Calorimetric Study of ICP
Generator with Forward-Vortex and
Reverse-Vortex Stabilization,” Plasma
Chem. Plasma Process., vol. 22, no. 3, pp.
37
T.Y. KATIRCIOĞLU/APJES 5-2 (2017) 29-38
351–369, 2002.
[13] “index @ www.vki.ac.be.” .
[14] I. Transactions, O. N. Components, and M.
Technology, “A Numerical Model for
Thermal Processes,” vol. 16, no. 4, 1993.
[15] A. Marotta, L. I. Sharakhovsky, and A. M.
Essiptchouk, “Erosion of the cold electrode
as an ablation process in unsteady arc spots,”
Heat and Mass Transfer under Plasma
Conditions, vol. 891. pp. 36–42, 1999.
[16] M. Iwata and M. Shibuya, “Effects of arc
current and electrode size on electrode
erosion in ac plasma torches,” Electr. Eng.
Japan, vol. 124, no. 4, pp. 10–17, 2007.
[17] S. Xu, K. N. Ostrikov, Y. Li, E. L. Tsakadze,
and I. R. Jones, “Low-frequency, high-
density, inductively coupled plasma sources:
Operation and applications,” Phys. Plasmas,
vol. 8, no. 5 II, pp. 2549–2557, 2001.
[18] P. D. Blair, “The application of inductively
coupled plasma mass spectrometry in the
nuclear industry,” TrAC Trends Anal.
Chem., vol. 5, no. 8, pp. 220–223, 1986.
[19] S. J. Hill, “Inductively Coupled Plasma
Spectrometry and its Applications, 2nd ed.,”
pp. 39–40, 2007.
[20] C. Kalra, I. Matveev, and A. Gutsol,
“Transient Gliding Arc for Fuel Ignition and
Combustion Control,” Electron. Proc. 2004
Tech. Meet. Cent. States Sect. Combust.
Inst., 2004.
[21] D. Vanden-Abeele and G. Degrez,
“Similarity analysis for the high-pressure
inductively coupled plasma source,” Plasma
Sources Sci. Technol., vol. 13, no. 4, pp.
680–690, 2004.
[22] A. Askarova et al., “3-D Modeling of Heat
and Mass Transfer during Combustion of
Solid Fuel in Bkz-420-140-7C Combustion
Chamber of Kazkhstan,” vol. 9, no. 2, pp.
699–709, 2016.
[23] M. A. GOROKHOVSKI, Z. JANKOSKI, F.
C. LOCKWOOD, E. I. KARPENKO, V. E.
MESSERLE, and A. B. USTIMENKO,
“Enhancement of Pulverized Coal
Combustion By Plasma Technology,”
Combust. Sci. Technol., vol. 179, no. 10, pp.
2065–2090, 2007.
[24] V. E. Messerle, E. I. Karpenko, A. B.
Ustimenko, and O. A. Lavrichshev, “Plasma
preparation of coal to combustion in power
boilers,” Fuel Process. Technol., vol. 107,
pp. 93–98, 2013.
[25] V. E. Messerle, A. B. Ustimenko, and O. A.
Lavrichshev, “Plasma Gasification of Solid
Fuels,” pp. 38–43.
[26] V. S. Sikarwar et al., “An overview of
advances in biomass gasification,” Energy
Environ. Sci., vol. 9, no. 10, pp. 2939–2977,
2016.
[27] M. Rajasekhar, N. V. Rao, G. C. Rao, G.
Priyadarshini, and N. J. Kumar, “Energy
Generation from Municipal Solid Waste by
Innovative Technologies – Plasma
Gasification,” Procedia Mater. Sci., vol. 10,
no. Cnt 2014, pp. 513–518, 2015.
[28] P. P. Bumbarger, “ANALYSIS OF A
MINIATURE RADIO FREQUENCY ION
THRUSTER WITH AN INDUCTIVELY
COUPLED by,” no. December, 2013.
[29] M. W. Blades and B. L. Caughlin,
“Excitation temperature and electron density
in the inductively coupled plasma-aqueous
vs organic solvent introduction,”
Spectrochim. Acta Part B At. Spectrosc., vol.
40, no. 4, pp. 579–591, 1985.
[30] M. A. Sobolewski and J. H. Kim, “The
effects of radio-frequency bias on electron
density in an inductively coupled plasma
reactor,” J. Appl. Phys., vol. 102, no. 11,
2007.
[31] Y. Sakamoto, S. Maeno, N. Tsubouchi, T.
Kasuya, and M. Wada, “Comparison of
Plasma Parameters in CCP and ICP
Processes Appropriate for Carbon Nanotube
Growth,” J. Plasma Fusion Res., vol. 8, pp.
587–590, 2009.
[32] I. Rafatov, E. A. Bogdanov, and A. A.
Kudryavtsev, “On the accuracy and
reliability of different fluid models of the
direct current glow discharge,” Phys.
Plasmas, vol. 19, no. 3, 2012.
38
Y. SUMER/APJES 5-2 (2017) 39-47
Sorumlu yazar: Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, İnşaat Mühendisliği, Sakarya, TÜRKİYE, 54187,
[email protected], Tel: 02642955454
Doi: 10.21541/apjes.297049
Yüksek Dayanımlı Betonla Üretilmiş Kirişlerde Plastik Mafsal Boyunun
Belirlenmesi
*1Yusuf Sümer 1Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Sakarya,
Geliş Tarihi: 2017-03-09 Kabul Tarihi: 2017-06-30
Öz
Depremler sırasında betonarme yapılar elastik olmayan deformasyonlar yaparak yapıya gelen enerjiyi sönümlerler.
Yapılarda bulunan eğilme elemanlarında oluşan plastik deformasyonlar plastik mafsal bölgesi olarak adlandırılan
küçük bir bölgede oluşur ve bu bölge elemanın yük taşıma ve deformasyon kapasitesi için kritik öneme sahiptir.
Statik itme (Pushover) yöntemi mevcut yapıların değerlendirilmesinde kullanılan doğrusal olmayan bir analiz
yöntemidir. Bu yöntemde elemanların plastik mafsal özelliklerinin doğru tanımlanması çok önemlidir. Yapı
elemanlarında oluşan plastik mafsal, yapı elemanlarının boyut ve malzeme özellikleriyle yakından ilgilidir. Plastik
mafsal uzunluğunun belirlenmesinde günümüze kadar birçok deneysel çalışmalar yapılmış fakat eleman
boyutlarının büyüklüğü, deneysel imkânların yetersizliği ve yapı elemanlarının kompozit malzeme özellikleri
sebebiyle sınırlı bilgi edinilebilmiştir. Bu çalışmada sonlu elemanlar modeli kurularak ABAQUS yazılımı
yardımıyla plastik mafsal boyu belirlenmeye çalışılmıştır. Literatürden elde edilen deneysel çalışmalar sonlu
elemanlar modeliyle yük-deplasman ve şekil değiştirme kapasiteleri ile doğrulanmıştır. Plastik mafsal boyunun
belirlenmesi için kiriş boyutları kiriş davranışını değiştirecek şekilde kısa, orta ve narin olarak değiştirilmiş, kiriş
malzemesi de yüksek dayanımlı betona uygun olarak C50, C60 ve C80 olarak belirlenmiştir. Kirişlerde oluşan
yenilme çatlakları ve donatı akma uzunlukları analiz edilerek her bir kiriş için plastik mafsal boyu belirlenmiştir.
Anahtar kelimeler: Yüksek dayanımlı beton, Plastik mafsal boyu, Sonlu elemanlar analizi
Determining Plastic Hinge Length of High Strength RC Beams
*1Yusuf Sümer 1Sakarya University, Faculty of Technology, Dept. Civil Engineering, Sakarya,
Received date: 2017-03-09 Accepted date: 2017-06-30
Abstract
During earthquake concrete structures dissipate energy by deforming inelastically. The plastic deformation
localized in a small zone namely the plastic hinge zone is critical for flexural members as it governs the load
carrying and deformation capacities of the member. Pushover analysis, one method of nonlinear static analysis, is
generally used in the assessment of existing buildings. In pushover analysis nonlinear hinge properties of each
member should be addressed. The formation of a plastic hinge in structural member depends on the structural
member properties such as dimension. Due to the high non-linearity occurs in plastic hinge zone and restrictions
by the time and cost especially in large tests, very limited knowledge has been obtained from the laboratory tests
up to date. Moreover, past studies showed that none of the existing empirical models is adequate for prediction of
plastic hinge length. This study tries to investigate the problem numerically using Nonlinear Finite Element
Modeling (FEM) approach by employing software package ABAQUS. To achieve this, a numerical model is
generated and verified with existing experimental studies obtained from the literature. Parametric studies are
performed to investigate the plastic hinge length in terms of material properties concrete and dimensions of the
member. High strength concrete is selected to be as C50, C60 and C80 and dimension of the beams are determined
as deep, intermediate and slender. With the calibrated FEM model, the extent of concrete crushing zone and rebar
yielding zone are examined to define the plastic hinge length of the member.
Keywords: High strength concrete, Plastic hinge length, Finite element analysis
Y. SUMER/APJES 5-2 (2017) 39-47
1. Introduction
Energy dissipation of reinforced concrete (RC)
structures can be determined numerically by
applying full-range analysis beyond plastic phase. In
this analysis, yielding of reinforcement and crushing
of concrete can be seen over a finite region known as
plastic hinge length where the critical moment is
present. Plastic hinge region of RC flexural members
is a critical zone need to be given intensive care to
prevent failure of structural members from extreme
events such as earthquakes. There is no adequate
determination of plastic hinge length of concrete
structural elements. However, the length of plastic
hinge region, Lp, is defined as the length over which
the longitudinal reinforcement yields [1]. The
performance of a plastic hinge is crucial to the load
carrying and deformation capacities of flexural
members of structures. The accuracy of the results
obtained from nonlinear analysis is also directly
related to the hinge definitions of the structure. Thus,
plastic hinge length of RC members has been an
interesting and complicated subject for researchers.
There are no definitive theoretical formulations to
calculate plastic hinge length in the literature.
Present calculations are based on empirical
equations observed from tests [2-6]. Park and
Paulay found that plastic hinge length of beams
under monotonic loading is affected by concrete
compressive strength, concrete ultimate strain,
shear-span to depth ratio, and effective depth of
section [7]. Mechanical properties of steel also affect
Lp. Beeby studied the effects of the ratio of ultimate
strength to yield strength of longitudinal
reinforcement, fu/fy, and the ultimate strain, εu on
plastic hinge length [8].
Limit state failure in flexure is achieved when
continues increases in the external load reaches the
capacity of the beam. If the designer proportion the
beam to allow concrete and steel reach their capacity
prior to failure, both materials will fail
simultaneously at the limit state. Moreover,
compression failure of concrete before the tension
failure of steel should be avoided to confirm an
adequate rotation capacity at limit state. This
reserved rotation capacity will prevent brittle failure
in case of overload or will cope with additional
tensile forces created from different settlement of
foundations, creep and shrinkage of concrete. Strain
of tension reinforcement will be the determinant
variable that defines the type of failure; tension
controlled (ductile type of failure), compression
controlled (brittle type of failure) and between. Thus,
the amount of the tension reinforcement will
determine the amount of strain and failure type of the
beam. This behavior according to ACI 318-14 is
illustrated in Figure 1a.
a) failure type of beams regarding
to
tensile strain of reinforcement, [9]
b) determination of
beam slenderness,
[10]
Figure 1. Limit states of reinforced beam
The behavior of beam is also determined by the
slenderness of the beam (Figure 1b). Slenderness of
RC beam is defined as the ratio of its shear span (a)
to its depth (d). Deep beam with a/d from 1 to 2.5
will form few small cracks at mid-span but after the
redistribution of internal forces bond failure between
the tension reinforcement and surrounding concrete
at support region follows. This is also known as
shear compression failure. Intermediate beam with
a/d from 2.5 to 5.5 will fail at the inclined cracking
load. Slender beam with a/d greater than about 5.5
will fail in flexure prior to the formation of inclined
cracks giving sufficient warning of the collapse of
the beam. On the other hand, the compressive
strength of the concrete has an influence on the
rotation capacity of the beams [11-12]
In this paper, determination of Lp considering
yielding zone of tension reinforcement is
investigated for beams designed to achieve different
types of failures. Verified nonlinear finite element
approach is employed in the research to minimize
time and cost for large test specimens. With the
verified numerical model, the extent of
reinforcement yielding zone to address the plastic
hinge length is studied for RC beams with various
failure modes.
2. Development of Numerical Modeling
Finite element analysis has been widely used in civil
engineering applications from steel structure
analysis to RC analysis. [13-14]. Nonlinear finite
element software package, ABAQUS is employed to
simulate experimental testing. Numerical model is
verified with existing experimental data obtained
from literature especially for load-deflection relation
and axial force distribution of tensile steel
reinforcement. The latter verification is more
important since determination of Lp in this study is
40
Y. SUMER/APJES 5-2 (2017) 39-47
Sorumlu yazar: Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, İnşaat Mühendisliği, Sakarya, TÜRKİYE, 54187,
[email protected], Tel: 02642955454
Doi: 10.21541/apjes.297049
made according to the yielding zone of tensile steel.
Sensitivity of the numerical model against mesh
density, dilation angle and fracture energy of
concrete is also investigated.
Numerical model of simply supported beam under
four-point loading is selected for verification
purpose because it is the one obtained for both load-
deflection relation and axial force distribution at
tensile steel are studied with three dimensional
model. 3d continuum elements and 3d truss elements
for concrete and steel reinforcement are used in finite
element modeling, respectively. Shear dominant
members are not modeled as individual finite
members but their effects are included in concrete
model by introducing confined concrete model. All
the beams are loaded by displacement control in the
vertical direction.
a) b)
Figure 2. General layout of the beam used in verification models (a), beam used through parametric study (b)
Steel bars are merged into concrete elements by
constraining the same degree of freedom at
intersection joints of concrete and steel. Interface
behavior between rebar and concrete is modeled by
implementing tension stiffening effect into the
concrete. (Figure 2a)
2.1. Nonlinear Behavior of Materials
Since the compression and tension stress-strain
relation of the used materials are not reported in the
test reports these relations are considered by using
mathematical models from literature. Stress-strain
curve of concrete under uniaxial compression is
obtained by employing Hognestad parabola along
with linear descending branch. Some modifications
are made to this parabola according to CEB-FIP
MC90 due to the effects of closed stirrups to catch
the behavior of confined concrete [15].
Figure 3a displays a schematic representation of the
uniaxial material response. In the figure, σ is the
compressive stress, fcu is the ultimate compressive
stress, εc* is the peak compressive strain, E is the
elastic modulus and fc* is the modified compressive
strength. Bilinear model is adopted for tensile
behavior of concrete as plotted in Figure 3b [16].
Crack opening, calculated as a ratio of the total
external energy supply per unit area required to
create a crack, is used to define the tensile behavior.
Tensile fracture energy of concrete, (GF), is
determined as a function of concrete compressive
strength, fc*, and a coefficient, Gfo, which is related
to the maximum aggregate size [17]. Yield surface
of concrete considering both tension and
compression is given in Figure 3c. Dilation angle,
mesh sensitivity and appropriate aggregate size for
the concrete models are effective parameter for the
numerical analysis and searched carefully in every
verified model.
a) Hognestad concrete compressive
behavior b) Bilinear tensile behavior
c) Biaxial yield surface of
concrete, [18]
Figure 3. Material models and yield surface of concrete
41
Y. SUMER/APJES 5-2 (2017) 39-47
Concrete Damaged Plasticity (CDP) model
combining the effect of both damage and plasticity
is used in this study. Tensile and compressive
response of concrete including damage parameter is
given in Figure 4. In this study damage variable in
compression is calculated by using the equations
given in Figure 4a [19]. The parameter bc represents
the relation between plastic and inelastic strains and
can be determined using curve-fitting of cyclic tests
[20]. Damage variable in tension is determined from
bilinear behavior of concrete and values are plotted
in Figure 4b.
(1)
(2)
a) CDP model of concrete in compression b) CDP model of concrete in tension
Figure 4. Concrete damage plasticity model [18]
Experimentally determined mechanical response values from coupon testing appear in Figure 5 converted to an
idealized multi-linear true stress and logarithmic strain format using the given equations.
σnom
420 0.0021
420 0.0167
490.9 0.057
522.72 0.125
522.72 0.2019
σtrue= σnom(1+εnom)
σtrue
420.89 0
427 0.0144
519.22 0.0535
588.06 0.1148
628.27 0.1807
Figure 5. Material model for reinforcement steel [21]
3. Numerical Model Verification
Since determination of yielding zone of
reinforcement steel is at the heart of this study the
ability of numerical model addressing the yielding
zone of reinforcement steel must be verified with the
existing test results so that further parametric studies
can be made with the proposed numerical model.
However, measuring the state of stress at the
reinforcement is rather difficult due the surrounding
concrete. Thus, very limited data is available at the
literature. To have satisfying verification, test
specimens constructed with a technique of installing
strain gages through the center of the reinforcement
by Mainst, 1952 is selected for this study. Herein it
is called Test case 3 and it is used to verify the ability
of the numerical model to simulate the yielding of
tensile reinforcement of RC beam.
Load-displacement relation is also important data to
check whether the proposed model identify the
rigidity of the experimental test specimen.
Three experiments are selected for verification
purposes. Test case 1 and 2 are used to show the
42
Y. SUMER/APJES 5-2 (2017) 39-47
Sorumlu yazar: Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, İnşaat Mühendisliği, Sakarya, TÜRKİYE, 54187,
[email protected], Tel: 02642955454
Doi: 10.21541/apjes.297049
robustness of the model to simulate the load-
deflection relationship. Details of these two
experiments can be found from Arduini et al., 1997,
Sharif et al., 1994, respectively. Finally, layout of
experimental specimens are plotted in Figure. 6 and
material properties are listed in Table 1.
Test case-1 [22] Test case-2 [23] Test case-3 [24]
Figure 6. Layout of test beam (dimensions are mm in Test case-1 and 2)
When the verification results given in Figure 7a are
examined, it is concluded that proposed numerical
modeling approach can successfully represent the
experimental results. The stress distribution at
tensile steel (main bar) for different load levels are
compared from both experiment and numerical
model in Figure 7b. The difference where stress vary
rapidly is believed to be the result of crack
propagation which is not considered in numerical
model. Other than that overall pattern of the
diagrams agrees well.
Table 1. Material properties of test beams.
Test
Case
Beam
Ref.No
Ec
(GPa)
fc
(MPa)
ft
(MPa)
Es
(GPa)
fy
(MPa)
Tension
Bars (mm)
Bent-up
bars (mm)
1 A1 25 33 2.6 200 540 2Φ14 -
2 P1 27 37.7 - 200 450 2Φ10 -
3 B15 26.8 28.8 2.84 213.7 5943 1x22.2 4x12.72
a) Load-deflection relationship obtained by using 350
and 30o dilation angle, 50 and 25mm mesh size and 16-
8 mm aggregate size respectively.
b) Stresses at tension reinforcement of RC beam obtained by
using 30o dilation angle, 35mm mesh and 16 mm aggregate size
Figure 7. - Numerical model verification results
All these plots show that finite element modeling
techniques applied herein, are valid for RC beams.
Load deflection relation and stress distributions of
individual element could be monitored very well.
Based on these results, it appears that the present
modeling techniques are sufficiently robust to
undertake the further parametric study to investigate
the effects of different parameters on plastic hinge
regions of existing RC beams. Therefore
performance of a plastic hinge and load carrying and
deformation capacities of flexural members will be
determined easily by the numerical studies.
4. Parametric Study
A parametric study using the aforesaid finite element
43
Y. SUMER/APJES 5-2 (2017) 39-47
modelling techniques was carried out to investigate
the effect of tensile yielding on the Lp of reinforced
concrete beams designed to achieve different failure
mode (Table 2). Half of the beam is modelled (see
Fig. 2b) with three different lengths to consider the
slenderness effect and with three different tension
reinforcement steel ratio to consider the ductile
behavior. The nomination S, I and D represents the
slenderness of beam stating, Slender, Intermediate
and Deep as described according to Figure 1. All the
beams are designed with steel ratio to be in transition
zone with a value of εt=0.004.
Table 2. Parametric study for numerical beams to achieve different flexural behavior
Slenderness
Deep (D) Intermediate (I) Slender (S)
Concrete
Class
C50 Beam C50D Beam C50I Beam C50S
C60 Beam C60D Beam C60I Beam C60S
C80 Beam C80D Beam C80I Beam C80S
Geometry and material properties of test beams are
presented in Table 3. The beams are loaded by
displacement control until they fail. The length of
loading span is taken as equal to the shear span, a.
So the total length of the beam is 3a. For the
credence of the study, beams reinforcement scheme
is applied identical with the Test case-3 used in the
verification study.
Table 3. Mechanical and geometrical variables of numerical beams used in parametric studies.
Specimen
Name
εt (strain of
steel)
ρ(reinforcement
ratio) a, mm
L,
mm a/d L/h
fc,
MPa
ft,
MPa
Ec,
GPa
fy,
MPa
Es,
GPa
C50S εt=0.004 0.0184 2000 6200 5.7 15.5 50 4.24 33.2 420 210
C60S εt=0.004 0.0184 2000 6200 5.7 15.5 60 4.65 36.4 420 210
C80S εt=0.004 0.0184 2000 6200 5.7 15.5 80 5.36 42.0 420 210
C50I εt=0.004 0.0184 1400 4500 4 11.25 50 4.24 33.2 420 210
C60I εt=0.004 0.0184 1400 4500 4 11.25 60 4.65 36.4 420 210
C80I εt=0.004 0.0184 1400 4500 4 11.25 80 5.36 42.0 420 210
C50D εt=0.004 0.0184 700 2400 2 6 50 4.24 33.2 420 210
C60D εt=0.004 0.0184 700 2400 2 6 60 4.65 36.4 420 210
C80D εt=0.004 0.0184 700 2400 2 6 80 5.36 42.0 420 210
5. Results and Discussions
Once the analysis is completed stress level at tension
bar is investigated closely. Initiation and propagation
of yielding for each loading step is checked until
ultimate load point is reached. Stress level of tension
bar is plotted at ultimate load level to determine the
yielding zone of reinforcement. Moreover, cracks at
concrete are also plotted for the same load level to
address the plastic hinge length. These plots are
given in Figure 8. Considering the length of yield
line of tension bar and concrete cracks, Lp is
calculated and normalized with the effective depth of
the cross section, d (Table 4).
44
Y. SUMER/APJES 5-2 (2017) 39-47
Figure 8. Determination of Lp for each parametric beam
Table 4. Values of Lp for each parametric beam
Slenderness
Deep (D) Intermediate (I) Slender (S)
Lp (mm) Lp/d Lp (mm) Lp/d Lp (mm) Lp/d
Concrete
Class
C50 372 0.99 495 1.32 740 1.97
C60 310 0.83 535 1.43 755 2.01
C80 303 0.81 481 1.28 357 0.95
For a given steel ratio (presented in Table 3), Lp/d
value increases as the slenderness ratio increases. On
the other hand, in deep beams, Lp/d value decreases
as the concrete class increases. The highest value of
Lp/d is obtained as 2.01 for slender beam reinforced
with C60 concrete class. The minimum value of Lp/d
is obtained as 0.80 for deep beam reinforced with
C80 concrete class. Lp/d value is decreased by up to
48% for the biggest concrete class used in this study
for slender beams with same shear span. However,
45
Y. SUMER/APJES 5-2 (2017) 39-47
the decreasing ratio changed 11% and 19% in
intermediate and deep beams respectively. On the
other hand, maximum Lp values are observed when
the C60 concrete class were used in intermediate and
slender beams. All the deep beams have the least Lp
value while the slender beams have the maximum Lp
values.
For the comparison, some of the most known
expressions in the literature for determining the
equivalent plastic hinge length used to calculate Lp
for the beams are tabulated in Table 5. Results
showed that in terms of Lp, standard deviations are
substantially increases from deep beams to the
slender beams. However, when the concrete class is
increases the standard deviations are decreases in
each group. The closer results are determined with
the Panagiotakos and Fardis expressions for the
Intermediate and Deep beams.
Table 5. Comparison of Lp from literature (units are in mm)
Beam
Name
FEM
results Corley Mattock
Paulay
and
Priestley
Panagiotakos
and Fardis
Standart
Deviations
C50 Slender 740 212 290 453 527 185,54
C60 Slender 755 212 290 453 527 190,35
C80 Slender 357 212 290 453 527 112,29
C50 Intermediate 495 206 263 297 428 107,22
C60 Intermediate 535 206 263 297 428 119,44
C80 Intermediate 481 206 263 297 428 103,18
C50 Deep 372 199 228 241 302 61,74
C60 Deep 310 199 228 241 302 43,10
C80 Deep 303 199 228 241 302 41,40
6. CONCLUSIONS
Modelling of plastic hinges is quite important since
in RC structure analysis dissipation of energy is
achieved through these hinges. There are several
expressions in literature that defines the location of
plastic hinges either by considering yielding of
tension steel or contraflexure or both. However,
existing experiments in the literature proved that
shear span to depth ratio is also very important on
the definition of plastic hinge length. In this
numerically verified study RC beams with different
failure modes are created by considering shear span
to depth ratio. Otherwise, special attention was paid
to high strength concrete. Then plastic hinge length
for these beams are determined. Findings are
summarized as follows:
Finite element approach is capable of
capturing load-deflection relationship and
stresses developed in the steel bar
embedded in concrete.
Lp is correlated with the shear span to depth
ratio value which is named as slender, deep
and intermediate beam in this study.
As the reinforced concrete class increases
plastic hinge length decreases independent
from slenderness.
Results calculated with formulas from the
literature are very divergent estimating the
hinge length of a high strength RC beams.
The Panagiotakos and Fardis formula give
reliable estimates of hinge length for the
high strength concrete elements constructed
as Deep beams.
More analysis and experimental results is
required to confirm these observations for
the high strength concrete.
7. KAYNAKLAR
[1] Fenwick, R.C., Thom, C.W., Shear deformation
in reinforced concrete beams subjected to
inelastic cyclic loading. Research Report No:
279, Department of Civil Engineering,
University of Auckland, 1982.
[2] Corley, G.W., Rotation capacity of reinforced
concrete beams. ASCE J Struct Div. 1966;
121:146-92.
32
46
Y. SUMER/APJES 5-2 (2017) 39-47
[3] Mattock, A.H., Discussion of rotational capacity
of reinforced concrete beams by W. D. G.
Corley. ASCE J Struct Div. 1967; 519:522-93.
[4] Priestley, M.J.N. and Park, R., Strength and
ductility of concrete bridge columns under
seismic loading. ACI Struct J. 1987; 61:76-84.
[5] Panagiotakos, T.B. and Fardis, M.N.,
Deformations of reinforced concrete members
at yielding and ultimate. ACI Struct J. 2001;
135:48-98.
[6] Federal Emergency Management Agency.
FEMA 356 Prestandart and Commentary for the
Seismic Rehabilitation of Buildings.
Washington DC, 2000.
[7] Park, R. and Paulay, T., Reinforced Concrete
Structures. John Wiley & Sons, New York,
1975.
[8] Beeby, A.W., Ductility in reinforced concrete:
why is it needed and how is it achieved.
Structural Engineer. 1997; 311:318-75 (18).
[9] American Concrete Institute. Building Code
Requirements for Structural Concrete, ACI 318-
14, ACI, Detroit, MI, 2014.
[10] Wight, J.K., Macgregor JG. Reinforced
Concrete Mechanics and Design, 5th Edition,
2012.
[11] Lopes, S.M.R. and Bernardo, L.F.A., Plastic
rotation capacity of high-srength concrete
beams. Materials and Structures. 2003; 22-31
(36).
[12] Mendis, P., Plastic Hinge Length of Normal
and high Strength concrete in Flexure.
Advances of Structural Engineering, 2001;
vol.4, no:4.
[13] Potisuk, T., Higgins, C.C., Miller, T.H., and
Yim, S,C., Finite Element Analysis of
Reinforced Concrete Beams with Corrosion
Subjected to Shear. Advances in Civil
Engineering, vol. 2011, Article ID 706803,
doi:10.1155/2011/706803, 2011.
Agcakoca, E., Aktas, M., The Impact of the
HMCFRP Ratio on the Strengthening of Steel
Composite I-Beams. Mathematical Problems in
Engineering, vol. 2012, Article ID 183906,
doi:10.1155/2012/183906, 2012.
[14] Arduini, M., Nanni, A., Behavior of
precracked RC beams strengthened with
carbon FRP sheets. ASCE, Journal of
Composites for Construction 1997; 63–70-1
(2).
[15] Coronado, A.C. and Lopez, M.M., Sensitivity
analysis of reinforced concrete beams
strengthened with FRP laminates. Cement and
Concrete Composites 2006; 102:114-28 (1).
[16] CEB-FIP MC90. Comite Euro-International
du Beton, CEB-FIP Model Code 1990, Bulletin
D’Information, No: 215, Lausanne, 1993.
[17] ABAQUS. Theory Manual, Version 6.13,
Hibbit, Karlsson & Sorensen, Inc., Pawtucket,
Rhode Island, USA.
[18] KAMALI, A.Z., Shear strength of reinforced
concrete beams subjected to blast loading.
Master of Science Thesis, Stockholm, Sweden,
2012.
[19] Sinha, B.P., Gerstle, K.H., Tulin, L.G., Stress–
strain relations for concrete under cyclic
loading. ACI Journal 1964; 195:211-61.
[20] Aktas, M. and Earls, C.J., Minor axis moment-
thrust response behavior in steel I-shaped
members. Journal of Structural Engineering-
ASCE 2006; 1079:1086-132.
[21] Arduini, M.D.T. and Nanni, A., Brittle failure
in FRP plate and sheet bonded beams. ACI
Structural Journal 1997; 363:370-94 (4).
[22] Sharif, A., Al-Sulaimani, G.J., Basunbul, I.A.,
Baluch, M.H., Ghaleb, B.N., Strengthening of
initially loaded reinforced concrete beams
using FRP plates. Struct J (ACI) 1994;
160:166-91 (2).
[23] Mains, R.M., Measurement of the distribution
of tensile and bond stresses along reinforcing
bars. Journal of the American Concrete
Institute, Proceedings 1951; 225:252-48 (3).
47
E. TAŞĞIN/APJES 5-2 (2017) 48-52
*Sorumlu yazar: Atatürk Üniversitesi, Sağlık Bilimleri Fakültesi, Beslenme ve Diyetetik Bölümü, 25240 Erzurum,
Doi: 10.21541/apjes.290973
Soya Bitkisindeki Glutatyon Redüktaz Aktivitesi ve mRNA Seviyesinin
Kuraklık Stresinde Salisilik Asit ile Değişimleri
*1Esen Taşğın, 2Hayrunnisa Nadaroğlu, 3Ahmet Adıgüzel, 3M. Özkan Baltacı, 4Zeynep Sönmez 1 Atatürk Üniversitesi, Sağlık Bilimleri Fakültesi, Beslenme ve Diyetetik Bölümü, 25240 Erzurum
[email protected] 2Atatürk Üniversitesi, Erzurum Meslek Yüksekokulu, Gıda Teknolojisi Bölümü, 25240 Erzurum
[email protected] 3Atatürk Üniversitesi, Fen Fakültesi, Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü, 25240 Erzurum
[email protected], [email protected] 4Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Nano-Bilim ve Nano-Mühendislik Bölümü, Erzurum
Geliş Tarihi: 2017-02-09 Kabul Tarihi: 2017-06-30
Öz
Bu çalışma, kuraklık stresi ve salisilik asitin (SA) soya bitkisindeki etkilerini değerlendirmek için
gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, su stresine maruz bırakılan soya bitkisindeki SA, reaktif oksijen türleri (ROS) ve
glutatyon redüktaz (GR) enzimi arasındaki ilişki incelenmiştir. Soya fasulyesi (Glycine max L. cv.) bitkileri serada
kum tepsilere ekilerek büyütülmüştür. İkinci yaprak tamamen çıktığında bitkilerin yarısı bir hafta süreyle kuraklığa
maruz bırakılmıştır. Bir haftanın sonunda hem kontrol hemde kuraklık stres grupları SA (200 μmol/L) ile muamele
edilmiş ve iki gün sonra tüm gruplardan kesimler alınmıştır. Kontrol, kontrol+SA, kuraklık, kuraklık+SA
muameleli yapraklarda glutatyon redüktaz aktivitesi ve mRNA seviyeleri ölçülmüştür. Bu çalışmada, 200 μmol/L
SA muamelesi kontrol şartlarında GR aktivitesini önemli ölçüde artırmıştır. Kuraklık muameleli yapraklarda,
kontroller ile karşılaştırıldığında, GR enzim aktivitesinin arttığı gözlenmiştir. Ancak su stresi altında SA
muamelesi ile GR enzim aktivitesi önemli ölçüde azalmıştır. GR enzimini kodlayan genlerin transkripsiyon
seviyeleri real-time PCR (Polimeraz zincirleme tepkimesi) kullanılarak ölçülmüştür. SA muamelesi kuraklığa
maruz kalan soya yapraklarının GR-RNA seviyelerini hızlı bir şekilde azaltmıştır.
Anahtar kelimeler: Glutatyon redüktaz, kuraklık, salisilik asit, soya
Glutathione Reductase Activity in Soybean Plants and Changes in mRNA
Levels with Salicylic Acid in Drought Stress
*1Esen Taşğın, 2Hayrunnisa Nadaroğlu, 3Ahmet Adıgüzel, 3M. Özkan Baltacı, 4Zeynep Sönmez 1 Ataturk University, Faculty of Health Sciences, Department of Nutrition and Dietetics, 25240 Erzurum
2Atatürk University, Erzurum Vocational School, Department of Food Technology, 25240 Erzurum
3Ataturk University, Faculty of Science, Department of Molecular Biology and Genetics, 25240 Erzurum
[email protected], [email protected] 4Atatürk University, Faculty of Engineering, Department of Nano-Science and Nano-Engineering, Erzurum
Received date: 2017-02-09 Accepted date: 2017-06-30
Abstract
This study was carried to evaluate the effect of drought stress and salicylic acid (SA) treatments in soybean plants.
Soybean (Glycinemax L. cv.) plants were grown to sown in trays of sand in greenhouse. When the second leaf
was fully expanded, half of the plants were exposed to drought stress for one week. At the end of one week, half
of the plants in the both control and drought stress groups were treated with SA (200 μmol/L) and two days later
was taken cuttings from the whole. The activities of glutathione reductase (GR) and levels of mRNA have been
E. TAŞĞIN/APJES 5-2 (2017) 48-52
measured in control, control-SA treatment, drought treament and drought-SA treatment leaves. In this study, 200
μmol/L SA treatment significantly has been increased GR activity in control conditions. Drought treated leaves
have been observed elevated in the activities of the GR enzyme, compared to controls. But, under medium water
deficit, GR activity significantly reducing with SA treatment. The transcript levels of the genes encoding GR
enzyme have been measured using quantitative real-time PCR (Polymerase Chain Reaction). SA treatment has
decreased rapidly GR -RNA levels of soybean leaves exposed to drought stress.
Keywords: Glutathione reductase, drought, salicylic acid, soybean
1.Giriş
Bitkiler, büyüme ve gelişmeyi olumsuz şekilde
etkileyen, bitki kalitesinin ve miktarının azalmasına
neden birçok abiyotik stres faktörlerini tolere etmek
ve olumsuz koşullarda hayatta kalabilmek için çeşitli
adaptasyon mekanizmaları geliştirmişlerdir [1,2].
Bitkilerde kuraklık stresi ile oksidatif stresin arttığı
bilinmektedir. Hücresel düzeyde, hidrasyondaki bir
azalmanın ve süperoksit anyonu (O2•), hidrojen
peroksit (H2O2), hidroksil radikali (•OH) gibi
reaktif oksijen türlerinde (ROS) gözlenen artışın
membran ve proteinlere zarar verebileceği
belirlenmiştir [3,4]. Bitkiler, hücrelerini oksidatif
hasardan koruyan antioksidan sistemlere sahiptir. Bu
sistemlerin başında antioksidan enzimlere gelir.
Bitki hücreleri, glutatyon redüktaz (GR), süperoksit
dismutaz (SOD), katalaz (CAT) ve askorbat
peroksidaz (APX) gibi enzimatik ve enzimatik
olmayan kompleks bir antioksidan sistem tarafından
korunur. Birçok bitki ile yapılan çalışmalarda
antioksidan aktivite ve stres toleransı arasında çok
yakın ilişki olduğu saptanmıştır [5,6]. Bu siklüdeki
enzimlerden APX ve GR, yeşil yapraklardaki H2O2
detoksifikasyonundan sorumludur. GR'in stres
sırasında indirgenmiş glutatyon havuzunun (GSH)
korunmasında merkezi bir role sahip olduğu
bilinmektedir [7]. Daha önce yapılan çalışmalarda
bazı bitki türlerindeki antioksidan enzim seviyeleri
kuraklık stresine bağlı olarak belirlenmek istenmiş,
enzim aktivitelerinin bazı maddelerle değişimleri
izlenmiştir. Soya bitkisindeki bazı antioksidan
enzim seviyeleri kuraklık ve diğer stres koşullarında
araştırılmış ve bu enzimlerin bazı maddelerle
değişimleri izlenmiştir [3,4,8]. Daha önce farklı bitki
türlerinde yapılan çalışmalarda kuraklık stresi
koşullarında antioksidan enzimlerin mRNA
düzeyinde değişimleri belirlenmemiş olması bizi bu
çalışmaya yöneltmiştir. Soya bitkisi ile yaptığımız
bu çalışmada, indirgenmiş glutatyonun (GSH)
korunmasında ve oksitadif reaksiyon ürünlerinin
uzaklaşmasında önemli bir role sahip olduğu kabul
edilen GR enziminin kuraklık stresinde, hem aktivite
hem de transkripsiyon düzeyindeki değişimi
araştırılarak kuraklığın GR enzim mekanizmasını
nasıl etkilediği sorusuna cevap aranmak istenmiştir.
Ayrıca bu süreçte bir bitki hormonu olan SA’nın rolü
belirlenmeye çalışılmış ve enzim üzerindeki etkisi
izlenmiştir.
Soya ekonomik olarak önemli bir besindir. Zengin
bir antioksidan içeriğine sahip olan ve kullanım alanı
çok geniş olan soyadaki antioksidan enzimlerin
kuraklıkla indüklendiği ve arttığı bilinmektedir. Bazı
bitkilerde, kuraklık, tuz, ozon, yüksek ışık ve soğuk
gibi farklı stres koşullarında [9] GR enzim
aktivitelerindeki değişimler belirlenmiştir. Daha
önce soyadaki GR enzim aktivitesinin ve GR
transkripsiyon seviyesinin kuraklıkla değişiminin
hiç çalışılmamış olması ve enzim düzeylerinin
kuraklıkta SA ile değişimlerinin belirlenmemiş
olması ve özellikle yine kuraklık stresi koşullarında
GR enziminin mRNA düzeyinde SA ile
değişimlerinin belirlenmemiş olması nedeniyle bu
çalışma planlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Çalışma
neticesinde, kuraklık stresine maruz bırakılan soya
yapraklarında ki GR enzim aktiviteleri ve mRNA
seviyelerindeki değişimler ve bu değişimlerin
SA’dan nasıl etkilendiği belirlenmiş ve elde edilen
sonuçlar değerlendirilmiştir.
2. Materyal ve Yöntem
2.1. Bitkilerin Büyütülmesi
Soya tohumları (Glycinemax L. cv.) belirlenen
şartlarda kum ile dolu plastik kaplar içine ekildi
(Büyüme şartları; 14-s ışık, gün/gece sıcaklığı-
25°C/20°C, photonfluxdensity 300 μM·m–2 ·s–1)
[3]. Ekim sonrasında ilk 10 gün boyunca tohumlar
bir Hoagland besi solüsyonu ile her gün sulanarak iki
gerçek yaprak çıkıncaya kadar büyütüldü ve sonra
stres uygulamalarına geçildi. Stres uygulamalarında
öncelikle bitkiler iki gruba ayrıldı. Bir grubu kontrol
amaçlı tutuldu ve normal su ile sulanmaya devam
edildi. Diğer gruptakiler ise 1 hafta süre ile susuz
bırakıldılar.1 hafta sonunda stres muameleli gruptaki
bitkilerin yarısı 200 µM SA ile muamale edildi ve 2
gün sonra tüm gruplardan kesimler alındı [10].
Kullanıma kadar derin dondurucuda muhafaza
edildiler (-20 oC).
2.2. Glutatyon Redüktaz Aktivite Tayini
Glutatyon redüktaz (GR) (EC 1.6.4.2) aktivite tayini,
NADPH’ın oksidasyonunun 340 nm’de izlenmesi
esasına dayanmaktadır. Aktivite ölçümü, 50 mM
potasyum fosfat (pH=7) tamponu, 2 mM Na2
49
E. TAŞĞIN/APJES 5-2 (2017) 48-52
EDTA, 0.15 mM NADPH, 0.5 mM GSSG ve100 ml
enzim ekstraktı içeren karışımın 1ml’sinin 3 dk 340
nm’deki değişimi ölçülerek yapıldı [10].
2.3. RNA İzolasyonu ve Kantitatif Real-Time PCR
Kontrol, kontrol-SA muameleli, kuraklık muameleli,
kuraklık-SA muameleli yapraklarda qPCR
kullanılarak transkripsiyon seviyelerini belirlemek
için öncelikle soya bitkisine ait GR enzimi için
primer amaçlı oligonükleotidler dizaynedildi (Tablo
1). PCR reaksiyon siklüsü ayarlandı. Her bir örnek
için reaksiyon 3 kez tekrarlandı. ΔΔCt hesaplaması
kullanılarak referans gen GAPDH ile her bir örnek
için değerler hesaplandı [17].
Tablo 1. Real time için kullanılan GR gen primerleri
Total RNA Üreticinin kılavuzunda tanımlandığı gibi
RNeasy kolonları kullanılarak (Qiagen, Hilden,
Germany) bitki örneklerinden izole edildi.
RNA’ların konsantrasyonları spektrofotometre
(Thermo Scientific, Multiskan GO, USA) ile
belirlendi. Transcriptor FirstStrand cDNA Sentez
Kiti (Roche) ile üretici firmanın prokolüne uygun
olarak cDNA sentezi gerçekleştirildi. Bütün
cDNA’lar kullanılıncaya kadar -80 oC’de muhafaza
edildi. Spesifik gen-primerleri ile real-time (RT)–
PCR yapmak için üreticinin önerilerine uygun olarak
Real-Time PCR belirleme sistemi kullanıldı
(Qiagene, Rotor Gene Q) (Maxima SYBR
Green/ROX qPCR Master Mix (2X)) [11]. Master
Mix optimize edilmiş bir PCR tampon içinde
dNTP’leri ve Taq DNAPolimeraz (Maxima Hot
Start Taq DNA Polymerase) enzimini içermektedir.
Örnekler, 8 pmol konsantrasyondaki ileri ve
geriprimerler, 12.5 μl Maxima SYBR Green/ROX
qPCR Master Mix (2X), Template DNA≤500
ng/reaction, nükleaz içermeyen sudan oluşan 25
μl’lik bir reaksiyon karışımı içinde çoğaltıldı.
Bütün primerler (Glutathione reductase forward
primer (GR-forward), GR-reverse primer
Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase
(GAPDH) forward primer, GAPDH reverseprimer)
Primer3 software programı kullanılarak tasarlanmış
(v.0.4.0) (http://frodo.wi.mit.edu/) ve Metabion
(Germany) tarafından sentezlenmiştir (Tablo1). Her
bir örnek üç kez test edilmiştir ve sonuçlar ΔΔCt
hesaplamaları kullanılarak GAPDH gen referansı ile
cDNA amplifikasyonuna benzer şekilde çoğaltılarak
normalize edilmiştir.
Veriler, ortalamalar arasında anlamlı farklılıkların
olup olmadığını belirlemek için ANOVA (tamamen
randomize) kullanılarak analiz edildi.
3. Sonuçlar ve Tartışma
3.1. Enzim Aktivitelerinin Belirlenmesi
Kontrol ve kuraklık koşullarında büyütülen soya
yaprakları SA ile muamele edilmiş ve elde edilen
sonuçlar değerlendirilmiştir (Şekil 1). Bir haftalık
kuraklık muamelesi yapraklarda aktiviteyi kontrole
göre oldukça artırmıştır (Şekil 1a). Zaten, kuraklık
stresinin birçok bitkide GR aktivitesini arttırdığı
belirlenmiştir [6,12]. Kuraklık muamelesi Thymus
daenensis (subsp. lancifolius) fidelerinde reaktif
oksijen türlerinin seviyesinde (ROS) ve eş zamanlı
olarak ta katalaz, peroksidaz, glutatyon reduktaz ve
polifenol oksidaz enzimlerinin aktivitelerinde artışa
sebep olmuştur. Benzer başka bir çalışmada da yine
kuraklık stresi uygulanan genç domates
yapraklarında askorbat peroksidaz, glutatyon
reduktaz ve katalaz aktivitelerinin arttığı
belirlenmiştir [13,14].
SA muamelesi kontrol şartlarında GR aktivitesini
artırmıştır. Buna karşılık, kuraklık şartlarında SA
muamelesi aktiviteyi azaltmıştır (Şekil 1b-c). Daha
önce yapılan çalışmalarda bilindiği üzere SA’nın
strese yanıtta önemli bir sinyal molekül olduğu ve
stres koşullarındaki etkiyi hafiflettiği gösterilmiştir
[15,16].
50
E. TAŞĞIN/APJES 5-2 (2017) 48-52
*Sorumlu yazar: Atatürk Üniversitesi, Sağlık Bilimleri Fakültesi, Beslenme ve Diyetetik Bölümü, 25240 Erzurum,
Doi: 10.21541/apjes.290973
Şekil 1. Soya yapraklarında kuraklık (a), SA (b) ve kuraklık+SA (c) muamelelerinin GR aktivitesi üzerine
etkileri (P < 0.05).
3.2. SA ve Kuraklık Stresine Maruz Kalan Soya
Yapraklarında GR Enzimine Ait Mrna
Seviyelerinin Değişimleri
Kontrol, kontrol-SA muameleli, kuraklık muameleli,
kuraklık-SA muameleli yapraklarda qPCR
kullanılarak transkripsiyon seviyeleri ölçülmüş ve
ayrıca internal kontrol olarak GAPDH geni
kullanılarak ta benzer sonuçlar izlenmiştir. GR gen
ekspresyonu ile kuraklıkta kontrole kıyasla mRNA
seviyesinin önemli ölçüde arttığı gözlenmiştir.
Benzer şekilde SA muamelesinin kontrolüne kıyasla
yine mRNA seviyesini arttırdığı belirlenmiştir.
Ancak kuraklık koşullarında SA mRNA seviyesinde
azalmaya neden olmuştur (Şekil 2). Yapılan
çalışmalarda salisilik asitin gen ekspresyonunu
önemli değişimlere sebep olduğu gösterilmiştir.
Arpada yapılmış bir çalışmada SA'nın katalaz
aktivitesi ve gen ekspresyonu üzerindeki etkileri
incelenmiş ve yüksek SA konsantrasyonunun
katalaz aktivitesini inhibe ettiği, mRNA seviyelerini
de önemli ölçüde azalttığı gösterilmiştir [18,19].
SA’nın ROS oluşumu ile ilgili olduğu ve GR gibi
antioksidan enzimlerin yürüttüğü koruyucu
reaksiyon serilerinde önemli bir sinyal molekül
olarak rol aldığı biliniyor [13,19]. Bu yüzden, bu
çalışmanın sonuçlarından ve daha önceki
çalışmalardan görüldüğü gibi SA’nın ROS
oluşumunun engellenmesini sağlayacak bir görev
üstlenebileceğini söyleyebiliriz. Sonuç olarak bu
çalışma ile, bitkileri etkileyen birçok stres faktörü
gibi kuraklığın da soyada sebep olduğu fizyolojik
değişimler izlenmiş ve SA’in kuraklık stresine
yanıtı gösterilmiştir.
Şekil 2. Soya yapraklarında kuraklık ve SA
muamelesinin mRNA seviyesi üzerine etkileri (P <
0.05).
Bu çalışma Bayburt Üniversitesi Araştırma Fonu
(Proje No: 2013/1-3) tarafından finanse edilmiştir.
4. Kaynaklar
[1] Kuşvuran Ş, Kavunlarda Kuraklık ve Tuzluluğa
Toleransın Fzyolojik Mekanizmaları Arasındaki
Bağlantılar. Doktora Tezi, Çukurova
Üniversitesi:Fen Bilimleri Enstitüsü; 2010.
[2] Reddy AR, Chaitanya KV, Jutur PP, Sumithra K.
Differential Antioxidative Responses to Water
Stress Among Five Mulberry (Morus alba L.)
Cultivars. Environmental and Experimental Botany
2004; 52: 33– 42.
[3] Simaei MR, Khavari-Nejad A, Bernard F.
Exogenous Application of Salicylic Acid and Nitric
Oxide on the Ionic Contents and Enzymatic
Activities in NaCl-Stressed Soybean Plants.
American Journal of Plant Sciences. 2012; 3:1495-
1503.
51
E. TAŞĞIN/APJES 5-2 (2017) 48-52
[4] Bano A, Ullah F, Nosheen A. Role of abscisic
acid and drought stress on the activities of
antioxidant enzymes in wheat. Plant Soil Environ .
2012; 58(4): 181–185.
[5] Tasgın E, Atıcı Ö, Nalbantoğlu B, Popova LP.
Effects of salicylic acid and cold treatments on
protein levels and on the activities of antioxidant
enzymes in the apoplast of winter wheat leaves.
Phytochem 2006; 67;710-715.
[6] Contour-Ansel D, Torres-Franklın LM, Cruz de
Carvalho MH, D’arcy-Lameta A, Zuily-Fodil Y.
Glutathione Reductase in Leaves of Cowpea:
Cloning of Two cDNAs, Expression and Enzymatic
Activity under Progressive Drought Stress.
Desiccation and Abscisic Acid Treatment. Ann of
Bot 2006; 98: 1279–1287.
[7] Pastori G, Foyer CH, Mullineaux P. Low
temperature-induced changes in the distribution of
H2O2 and antioxidants between the bundle sheath
and mesophyll cells of maize leaves. J Exp Bot 2000;
51: 107–113.
[8] Vasconcelos ACF, Zhang X, Ervin EH, Kiehl JC.
Enzymatıc Antioxidant Responses to Biostimulants
ın Maize and Soybean Subjected To Drought, Sci.
Agric. (Piracicaba, Braz.) 2009; 66(3):395-402.
[9] Kaminaka H, Morita S, Nakajima M, Masumura
T, Tanaka K. Gene Cloning and Expression of
Cytosolic Glutathione Reductase in Rice (Oryza
Sativa L.). Plant Cell Physiol 1998;39(12): 1269-
1280.
[10] Jiang M, Zhang J. Water stress-induced abscisic
acid accumulation triggers the increased generation
of reactive oxygen species and up-regulates the
activities of antioxidant enzymes in maize leaves. J
Exp Bot 2002; 53(379): 2401-2410.
[11]. http://frodo.wi.mit.edu, erişim tarihi Ocak,
2017.
[12] Cruz de Carvalho M.H., Contour-Ansel D.
(h)GR, beans and drought stress. Plant Sig&Beh
2008; 3(10): 834-835.
[13] Bahari AA, Sokhtesaraei R, Chaghazardı HR,
Masoudi F, Nazarlı H. Effect of water deficit stress
and foliar Application of salicylic acid on
Antioxidants enzymes activity in leaves of Thymus
daenensıs subsp. Lancifolius. Cercetări Agronomice
în Moldova 2015; XLVIII (1): 161.
[14] Ünyayar S, Çekiç FO. Changes in
Antioxidative Enzymes of Young and Mature
Leaves of Tomato Seedlings under Drought Stress,
Turk J Biol 2005; 29:211-216.
[15] Kang G, Li G, Xu W, Peng X, Han Q. Zhu,Y.,
Guo T. Proteomics reveals the effects of salicylic
acid on growth and tolerance to subsequent drought
stress in wheat. J Prot Res 2012; 11: 6066–6079.
[16] Zarghami M, Shoor M, Ganjali A, Moshtaghi
N, Tehranifar A. Effect of salicylic acid on
morphological and Ornamental characteristics of
petunia hybrida at drought stress. Indian Journal of
Fundamental and Applied Life Sciences 2014; 4(3):
523-532.
[17] Zhao YQ, Zhang CL, Zhang W, Li LN, Zhang
GM. Molecular detection of Thielaviopsis basicola
by PCR assay. Acta Phytopat Sin 2009; 39: 23–29.
[18] Miura K, Tada Y. Regulation of water, salinity,
and cold stress responses by salicylic acid. Plant
Physiology 2014; 5:1-12.
[19] Zeshuang S, Guoying J, Yingchun L, Yuxian Z.
Decrement of catalase mRNA level after salicylic
acid treatment. Chinese Sci Bull 1998; 43:4.
52