İYON DEĞİŞTİRİCİLER

İYON DEĞİŞTİRME İyon değiştirme prosesi, bir çözeltideki iyonların, bir katının yüzeyindeki yüklü fonksiyonel gruplara, elektrostatik güçlerle tutunması olayıdır. İyon değiştiricideki yüklü fonksiyonel gruplar, katının yüzeyinde yer alır ve değişen iyonlar, çözelti fazından yüzey fazına transfer olurlar. Aslında iyon değişimi sorpsiyon olayının bir çeşididir. İyon değiştirme, su ve atıksu arıtımında geniş ölçüde kullanılır. Özellikle, sulardan sertlik gidermede ve yeraltı sularından demir ve manganın alınmasında yaygın olarak kullanılmaktadır.

İYON DEĞİŞTİRME

İYON DEĞİŞTİRME

İyon değiştirme prosesi değiştirme reaksiyonundan önce ve sonra, bir katyon değiştiricinin sabit değiştirme gruplarını gösteren reçine şebekesi. a) B+ katyonuyla değişme reaksiyonundan önceki durum b) B+ katyonuyla değişme reaksiyonundan sonra denge durumu.

İyon değiştirme prosesi Reçine, sabit iyonik gruplardan dolayı belli bir yüke sahiptir. Bu yük, elektronötraliteyi sağlamak için, zıt yüklü karşı iyonlar tarafından dengelenir. Şayet, başlangıçta A karşı iyonunu taşıyan bir reçine, B karşı iyonunu içeren bir çözeltiye konulursa, konsantrasyon farkından dolayı, iyonlar arası bir itme gücü oluşur. Bunun sonucunda A katyonları çözeltiye, B katyonları reçine içine difüzlenir. Bu olay bir denge kuruluncaya kadar devam eder.

İYON DEĞİŞTİRİCİ MADDELER İyon değiştirici olarak günümüzde, en çok iyon değiştirici reçineler kullanılmaktadır. Ancak birçok tabii maddenin iyon değiştirici özelliği vardır. Mesela, toprak, humus, selüloz, yün, protein, aktif karbon kömür, lignin, metal oksitler ve alg ve bakteri gibi canlı hücreleri iyon değiştirme özelliğine sahiptir. Sentetik bir iyon değiştirici, en genel manada, hidrokarbon radikallerinin bir şebekeseinden oluşur ve şebekeye bağlı, çözünebilen iyonik fonksiyonel gruplar ihtiva eder. Bu gruplar, reçinenin davranışını belirler.

İYON DEĞİŞTİRİCİ MADDELER Reçinenin birim başına toplam grup sayısı, reçinenin değiştirme kapasitesini ifade eder. Ayrıca bu grubun cinsi de reçinenin iyon değiştirme dengesini ve iyon seçiciliğini etkiler. Taşıdıkları grupların cinsine göre, iyon değiştiriciler iki sınıfa ayrılırlar: 1-Katyon değiştiriciler 2-Anyon değiştiriciler

İYON DEĞİŞTİRİCİ MADDELER Katyon Değiştiriciler. R-SO3H ( Sülfonik ), R-OH ( Fenolik ), R-COOH ( Karboksilik ) ve R-PO3H2 ( Fosforik ) gibi fonksiyonel asit gruplarını ihtiva ederler. Anyon Değiştiriciler. R-NH2 ( Primer amin ), R-RNH ( Sekonder amin ), R-R2N ( Tersiyer amin ) ve R-R3N+OH- ( Kuatener amonyum grubu ) ihtiva eden iyon değiştiricilerdir. Burada R, reçinenin şebekesini ve R metil grubunu göstermektedir. Bir iyon değiştirici reçinenin formülü, aşağıda gösterilmiştir.

Stiren-divilbenzen bazlı iyon değiştirici reçine Stiren-divilbenzen kopolimer X=iyonojik/fonksiyonel grup

DEĞİŞTİRME REAKSİYONLARI Bir katyon değiştiricinin, fonksiyonel grubu, sülfürik asit gibi kuvvetli bir asitten türetilmişse, bu reçine için kuvvetli asidik reçine ifadesi kullanılır. Reçine, karbonik asit gibi zayıf bir asitten türetilmişse o zaman zayıf asidik bir reçine söz konusudur. Bir anyon değiştiricinin fonksiyonel grubu, zayıf baz olan aminlerden türetilmişse anyon değiştiriciye zayıf bazik, kuaterner amonyum bileşiklerinden türetildiyse kuvvetli bazik reçine adı verilir.

DEĞİŞTİRME REAKSİYONLARI Asidik bir katyon değiştirici reçinenin, değiştirebileceği karşı iyon, ya hidrojendir ya da sodyum gibi tek değerli bazı katyonlardır. Buna karşılık, bazik bir anyon değiştiricinin değiştirebileceği karşı iyon, hidroksit iyonu veya bazı tek değerli diğer anyonlardır. Bu reçinelerin rejenerasyonunda ise, reçinenin karşılığı olan asit, baz veya bir tuz kullanılır. Aşağıda bazı tipik değiştirme reaksiyonları verilmiştir. Reçine, iyon değiştirme sonunda, karşı iyonlarla tamamen doyduğu zaman rejenere edilir.

DEĞİŞTİRME REAKSİYONLARI Rejenerasyon, iyon değişimi olmadan önce, orijinal reçine şebekesinde bulunan karşı iyonun % 2 – 10 luk (ağırlıkça) bir çözeltisiyle, reçinenin muamele edilmesi şeklinde yapılır. Aşağıdaki listede, rejenerasyon için kullanılabilecek uygun maddeler de yazılmıştır. 1.Kuvvetli asidik katyon değiştiriciler a)Hidrojen formu; Rejenerasyon için HCl veya H2SO4 2R-SO3H + Ca+2 ↔ (R-SO3)2Ca + 2H+ (7.1)

DEĞİŞTİRME REAKSİYONLARI b) Sodyum formu; Rejenerasyon için NaCl 2R-SO3Na + Ca+2 ↔ (R-SO3)2Ca + 2Na+ ( 7.2 ) 2. Zayıf asidik katyon değiştiriciler a) Hidrojen formu; Rejenerasyon için HCl veya H2SO4 2R-COOH + Ca+2 ↔ (R-COO)2Ca + 2H+ ( 7.3 ) 2R-COONa + Ca+2 ↔ (R-COO)2Ca + 2Na+ ( 7.4 )

DEĞİŞTİRME REAKSİYONLARI 3. Kuvvetli bazik anyon değiştiriciler a) Hidroksit formu; Rejenerasyon için NaOH 2R-R3NOH + SO4-2 ↔ (R-R3N)2SO4 + 2OH- ( 7.5 ) b) Klorür formu; Rejenerasyon için NaCl veya HCl 2R-R3NCl + SO4-2 ↔ (R-R3N)2SO4 + 2Cl- ( 7.6 ) 4. Zayıf bazik anyon değiştiriciler a) Hidroksit formu; Rejenerasyon için NaOH, NH4OH veya Na2CO3 2R-NH3OH + SO4-2 ↔ (R-NH3)2SO4 + 2OH- ( 7.7 ) b) Klorür formu; Rejenerasyon için HCl 2R-NH3Cl + SO4-2 ↔ (R-NH3)2SO4 + 2Cl- ( 7.8 )

İYON DEĞİŞTİRME SİSTEMLERİ İyon değiştiricilerin kullanıldığı en önemli uygulama su yumuşatma amacına yöneliktir. Su yumuşatmada iyon değiştirmenin temel prensipleri değişmez. Fakat, iyon değiştirici maddeler değişebilir. Sülfonik asit fonksiyonel gruplu, stiren bazlı Katyon değiştiriciler, suyun yumuşatma alanında geniş ölçüde kullanılmaktadır. Bu tip reçineler, yüksek kapasiteye ve mükemmel stabiliteye sahiptirler. Ayrıca, kalsiyum ve mağnezyum dışındaki diğer iyonlara karşı kuvvetli ilgileri yoktur.

İYON DEĞİŞTİRME SİSTEMLERİ Birçok endüstriyel uygulamalarda, mesela yüksek basınçlı kazan sistemlerinde, hassas malzemeden yapılmış ısı transref sistemlerinde, elektronik ve eczacılık alanlarında, toplam çözülmüş katı miktarı çok az olan, demineraliza su kullanılır. Bu uygulamalar için gerekli su, iyon değişitirme yöntemiyle yaygın olarak elde edilmektedir. Su mineralizasyon prensibi, yumuşatma yöntemlerine benzer. Tek fark, demineralizasyon işleminde, hem anyon hem de katyon değiştirici birlikte kullanılır. Ayrıca burada kullanılan iyon değiştiriciler, hidrojen ve hidroksit formlarındadır.

İYON DEĞİŞTİRME SİSTEMLERİ İyon değiştiriciler, endüstriyel atıksuların arıtımında da kullanılmaktadır. Ancak, bu suların arıtımında kullanılan iyon değiştirici reçineler, kimyasal etkilere, asit ve bazlara karşı dayanıklı olmalıdır. Atıksularda, iyon değiştiricilerin en önemli uygulamalarından biri, değerli metallerin geri kazanılmasıdır. Demineralizasyon işlemlerinde, bir katyon değiştiriciyi takiben, zayıf bazik bir anyon değiştirici kullanılır. Şekil 7.4 de böyle bir sistem görülmektedir.

İYON DEĞİŞTİRME SİSTEMLERİ Şekil 7.4. İki kademeli iyon değiştirme sistemi

İYON DEĞİŞTİRME SİSTEMLERİ Katyon değiştirici hidrojen formunda, anyon değiştirici de hidroksit formunda ise, o zaman tuzlar önce aside, sonra da suya dönüşürler. Böylece karbondioksit ve silis dışındaki bütün iyonik maddeler sudan uzaklaştırılmış olur. Karbondioksitin de uzaklaştırılması arzu edilirse, anyon değiştiriciyi takiben, bir gaz giderici veya vakum havalandırıcı kullanılır. Böyle bir sistem Şekil 7.5 de verilmiştir.

İYON DEĞİŞTİRME SİSTEMLERİ Şekil 7.5. Karbondioksitin de giderildiği iki kademeli iyon değiştirme sistemi.

İYON DEĞİŞTİRME SİSTEMLERİ Hem karbondioksit, hem de silis giderilmesi isteniyorsa o zaman, Şekil 7.6 daki sistem kullanılır. Şekil 7.6. Karbondioksit ve silisin giderildiği, iki kademeli iyon değiştirme sistemi.

İYON DEĞİŞTİRME SİSTEMLERİ Şekil 7.6 da görüldüğü gibi, silis giderilmesinin de yapıldığı sistemde, dekarbonasyon ünitesi, kuvvetli bazik anyon değiştiriciden önce gelmektedir. Kuvvetli bazik reçineler, karbondioksiti ve keza silisi sudan uzaklaştırabilirler. Ancak, karbondioksit gaz gidericisini anyon değiştiriciden önce koyarak karbondioksitin uzaklaştırılması, anyon değiştiricinin kapasitesinin muhafaza edilmesini sağlar. Gaz giderme ünitesinin çalıştırılması, reçinenin rejenerasyonuna nazaran daha ucuzdur. Şekil 7.7 de karışık yataklı iyon değiştirme sistemi görülmektedir.

İYON DEĞİŞTİRME SİSTEMLERİ Şekil 7.7. Karışık yataklı iyon değiştirme sistemi.

Bu sistemlerde katyon ve anyon değiştiriciler karışık bir şekilde bulunmaktadır.bu sistemlerin rejenerasyonunda, önce bir geri yıkama yapılır. Böylece, yoğunluk farkından dolayı, katyon ve anyon değiştiriciler birbirinden ayrılır. Rejenerasyondan sonra, alttan basınçlı hava verilerek, iyon değiştiricilerin tekrar karıştırılması sağlanır. Özel gayeler için, değişik düzenlemeler yapmak mümkündür. Mesela, katyon değiştirici – gaz giderici – zayıf bazik anyon değiştirici – kuvvetli bazik anyon değiştirici, şeklindeki bir düzenlemede, rejenerasyonu nispeten ucuz olan zayıf bazik anyon değiştirici, anyon yükünün büyük bir kısmını absorplar.

İYON DEĞİŞTİRME SİSTEMLERİ İyon değiştirici sistemlerde yapılan önemli iki düzenleme, DESAL ve SUL-BISUL prosesleri olarak adlandırılmaktadır. DESAL prosesinin şeması Şekil 7.8 de verilmiştir. Bu proses şekilde de görüldüğü gibi üç kademeden oluşur. 1-Bikarbonat formunda, zayıf bazik anyon değiştirici ( R – NH )HCO3 2- Hidrojen formunda, zayıf asidik katyon değiştirici ( R – COOH ) 3- Serbest baz formunda, zayıf bazik anyon değiştirici ( R – N )

İYON DEĞİŞTİRME SİSTEMLERİ Şekil 7.8. DESAL iyon değiştirme sistemi.

İYON DEĞİŞTİRME SİSTEMLERİ Birinci reçine amonyakla rejenere edilir, ikinci sülfürik asitle ve prosesin eşsiz bir özelliği, üçüncü reçine kendi kendini rejenee eder. Şekil 7.8 den görüldüğü gibi NaCl içeren bir su, iyon değiştirici sisteme verildiği zaman, su önce anyon değiştirici içinden geçer ve klorür iyonları bikarbonatla yer değiştirir. Bu adıma alkalizasyon adımı denir. (R – NH)HCO3 + Cl- (R – NH)Cl + HCO3- ( 7.11 ) Su daha sonra zayıf asidik katyon değiştirici reçine içinden geçirilir ve sodyum iyonları, hidrojen iyonlarıyla yer değiştirilir. Bu adımda suyun azalan pH’ ı, bikarbonatı karbonik asit veya karbondioksite dönüştürür. Bu adıma dealkalizasyon adımı denir.

İYON DEĞİŞTİRME SİSTEMLERİ R–COOH + Na+ R – COONa + H3O+ ( 7.12 ) H3O+ + HCO3- H2CO3 + H2O ( 7.13 ) Son kademede su, serbest baz formundaki, zayıf bazik anyon değiştirici ile temas eder. Karbonik asit, ( R – NH ) HCO3 formunu vermek üzere reçineyle reaksiyona girer. Bu tam olarak, ilk kademedeki reçinenin orijinal formudur. Bu adıma karbonasyon adımı denir. R – N + H2CO3 ( R – NH ) Cl + HCO3 ( 7.14 )

İYON DEĞİŞTİRME SİSTEMLERİ Birinci kademedeki katyon değiştirici de sülfürik asitle rejenere edilince ( 7.12 ) denklemi tersine döner. Bundan sonra suyun girişi, üçüncü iyon değiştiriciden verilmek üzere, işlemin akışı tersine çevrilir. Evsel atıksuların ikinci kademe arıtılmasında, DESAL metodu modifiye edilerek kullanılır. Şekil 7.9 da böyle bir sistemin akım şeması görülmektedir. Bu sistemde, zayıf bazik anyon değiştirici bikarbonat formundadır. Bu iyon değiştiriciden çıkan suya pıhtılaştırma ve yumaklaştırma için bentonit ve katyonik polielektrolit ilave edilir. Böylece bir arıtmanın sonuçları Tablo 7.2 de verilmiştir.

İYON DEĞİŞTİRME SİSTEMLERİ Şekil 7.9. Evsel atıksuların ikinci kademe arıtılmasında DESAL prosesi.

İYON DEĞİŞTİRME SİSTEMLERİ Tablo 7.2. Evsel atıksuların ikincil arıtımından çıkan suların analiz sonuçları

İYON DEĞİŞTİRME SİSTEMLERİ SUL – BISUL prosesinde kuvvetli bazik anyon değiştirici, sülfat – bisülfat devri üzerinde çalıştırılır. Bu işlemde, reçineye bağlı sülfat iyonları, bisülfata dönüştürülür. Çözeltideki diğer anyonlar da reçineye bağlanır.

İYON DEĞİŞTİRME SİSTEMLERİ Prosesin en büyük avantajı, reçinenin sadece suyla çalkalamak suretiyle rejenere edilmesidir. Böylece, HSO4-, SO4-2 a dönüşür.

İYON DEĞİŞTİRME SİSTEMLERİ Bu prosesin uygulanmasında, karşı akım iyon değiştirme sistemleri kullanılır. Bu sistemlerde, reaktörün çıkış ucuna sürekli taze reçine ilave edilirken, giriş ucundan da aynı miktar reçine dışarı alınır. Karşı akım sistemleri, akış ve iyon konsantrasyonu yüksek olduğu zaman, sabit yataklı sistemlere göre daha avantajlıdır. Karşı akım sistemlerinde, daha az sayıda ve büyüklükte reaktör ihtiyacı vardır. Bu yüzden sabit yataklı sistemlerden % 20 – 30 daha ucuzdur.

İYON DEĞİŞTİRİCİ SİSTEMLERİN HESAP VE TEŞKİLİ Su ve atıksu arıtımına uygulanan iki çeşit iyon değiştirme yöntemi vardır; kesikli yöntem ve kolon yöntemi. Kesikli yöntemde, suyun belli bir hacmine, belirli miktarda reçine ilave edilir ve denge kuruluncaya kadar karıştırılır. Bu yöntemin başarılı olabilmesi için, reçineden çıkan iyonların, aynı zamanda çözeltiden de uzaklaştırılması gerekir. Mesela, değiştirme sırasında reçineden hidrojen çıkıyorsa, hidroksit ile birleşip su vermelidir veya hidroksit çıkıyorsa, hidrojen ile birleşip su teşkil etmelidir. Reçineden açığa çıkan iyon çökerek, çözeltiden ayrılıyorsa, kesikli sistem gene başarılı bir şekilde çalıştırılabilir.

İYON DEĞİŞTİRİCİ SİSTEMLERİN HESAP VE TEŞKİLİ Kolon yöntemi, daha çok tercih edilmekte ve kullanılmaktadır. Bu yöntemin en bilinen şekli, sabit paket yatak uygulamasıdır. Bu sistemin kullanılabilmesi için, suda askıda katı madde olmamalıdır. Şayet suda katı tanecikler bulunursa, aşırı yük kayıpları meydana gelir. Bu hususla ilgili olarak, reçinenin tane büyüklüğü de önemli bir faktördür. Suda hiç askıda katı madde olmasa bile, küçük çaplı reçineden meydana gelen bir yatakta, yük kaybı fazla olur. Kolon sistemleri a) Akışkan yataklı b)Sabit yataklı olmak üzere iki şekilde uygulanır.

Akışkan Yataklı İyon Değiştirici Kolonun Projelendirilmesi İyon değişimi, temel olarak 3 adımda meydana gelir; birincisi, değişecek iyonun, iyon değiştirici taneyi çevreleyen sıvı film içinden geçmesidir. İkinci adım, iyonların reçinenin gözeneklerine difüzlenmesi ve üçüncü adım, fonksiyonel grup üzerinde değişim olayının gerçekleşmesidir. Genellikle son adım çok hızlı olduğundan ihmal edilebilir. Diğer adımlar, kütle transfer terimi K., kütle transferinin etkili alanı a ve reçinenin birim hacmi V ye bağlıdır. Reçine yatağının farklı derinlikleri (dD) için değişme hızı, birim alan (Fm) başına,

Akışkan Yataklı İyon Değiştirici Kolonun Projelendirilmesi = = şeklinde yazılabilir. Birçok uygulamada akış hızını, birim zaman başına hacim olarak, konsantrasyonu birim hacimda miliekivalent olarak (meq) olarak ifade etmek uygun olmaktadır. Böylece denklem şöyle yazılır; =

Akışkan Yataklı İyon Değiştirici Kolonun Projelendirilmesi Burada, Q= Debi ( m3/saat ) C= Değişecek iyonun konsantrasyonu (meq/L) Ce= Reçine ile dengedeki çözeltide değişen iyonun konsantrasyonu (meq /L) m= Kolondaki reçinenin kütlesi (g) k= Transfer katsayısı ( meq / saat . m2) α= birim hacim yatakta reçinenin yüzey alanı (m-1) ρp= Reçinenin yoğunluğu (g/ml) ρl= Sıvının yoğunluğu (g/ml)

Akışkan Yataklı İyon Değiştirici Kolonun Projelendirilmesi denklem, c1 ve c2 iyon konsantrasyonları arasında integre edilirse, reçinenin kütlesi; şeklinde ifade edilebilir.

Akışkan Yataklı İyon Değiştirici Kolonun Projelendirilmesi Örnek 7.1. Atık suyunda 20 meq / l Cd+2 ihtiva eden bir endüstriyel sudan, kadmiyum geri kazanımı için, iyon değiştirme işlemi uygulanmaktadır. Suyun debisi 37850 litre / saat dir. Suyun arıtılması için karşı akım prensibiyle çalışan bir kolon projelendirilmek istenmektedir. Bu sistemde, reçine kolonun üzerinden sürekli olarak ilave edilirken, atıksu reçinenin içinden yukarı doğru hareket eder. Kadmiyumun, atıksudan %99 oranında uzaklaştırılması istenmektedir. Kolonun üzerinden ilave edilen reçine, kolonun dibine çöktükçe, sürekli olarak rejenere etmek için dışarı alınırken, reçine ile temas eden su da kolonun tepesinden deşarj edilir. Buna göre aşağıdakileri hesaplayınız.

Akışkan Yataklı İyon Değiştirici Kolonun Projelendirilmesi 1-Kolon reçine ilavesinin minimum hızı nedir? 2- %20 lik emniyet faktörü dikkate alındığında reçine ilavesinin dizayn hızı ne olur? 3- Sudan arzu edilen seviyede kadmiyum uzaklaştırılmasını sağlamak için, herhangi bir zamanda kolondaki reçinenin sabit durum miktarı ne olacaktır? Kadmiyumun değiştirme reaksiyonu için, kütle transfer hızı faktörü; =

Akışkan Yataklı İyon Değiştirici Kolonun Projelendirilmesi Rejenerasyondan sonra kullanılan reçine 0.30 meq / g kadmiyum ihtiva etmektedir. Yani rejenerasyon tam olmamaktadır. Reçine ile çözelti arasında, deneysel olarak bulunan denge dağılımı Şekil 7.2 de verilmiştir. Çözüm: Kadmiyumun giriş konsantrasyonu,

Akışkan Yataklı İyon Değiştirici Kolonun Projelendirilmesi Şekil 7.2. Kadmiyumun değişim izotermi

Akışkan Yataklı İyon Değiştirici Kolonun Projelendirilmesi %99 gidermeyle çıkış konsantrasyonu, Kadmiyumun gerekli uzaklaştırma hızı; Rejenere edilmiş reçine, kadmiyum ihtiva etmektedir. Son derece uzun bir kolonda minimumu reçine ihtiyacı için, bu kalıntı değeri , arıtmadan sonra çözeltide kalan kadmiyumun, kabul edilebilir maksimum konsantrasyonu ile dengede bulunacaktır, yani Bu iki değerin Şekil 7.2 de doğru üzerinde kesiştiği nokta gösterilmiştir.

Akışkan Yataklı İyon Değiştirici Kolonun Projelendirilmesi Gene minimum reçine ihtiyacı ve son derece uzun bir kolon için, Şekil 7.2 de işletme doğrusu üzerindeki diğer bir nokta, ilk konsantrasyon ve tam değişime tekabül eden denge değeri a karşılık gelen noktadır. Böylece minimum reçine oranı,

Akışkan Yataklı İyon Değiştirici Kolonun Projelendirilmesi %20 lik emniyet faktörü dikkate alınırsa, Son bulunan bu değer için, ile dengeye tekabül eden değeri, kadmiyum balansı yapılarak bulunur.

Akışkan Yataklı İyon Değiştirici Kolonun Projelendirilmesi noktası, işletme doğrusu üzerinde ikinci bir nokta olarak işaretlenmiştir Herhangi bir zamanda kolonda bulunması gereken reçine miktarı, ( 7.10 ) ve (7.11 ) denklemlerinden hesaplanabilir. İşletme doğrusu üzerindeki değeri için, aynı denge değiştirme kapasiteleri qe ye tekabül eden değerleri, Şekil 7.2 den bulunmuş ve Tablo 7.1 de verilmiştir. Ayrıca ( 7.11 ) denklemindeki değerleri de hesaplanıp, aynı tabloda gösterilmiştir.

Akışkan Yataklı İyon Değiştirici Kolonun Projelendirilmesi

Akışkan Yataklı İyon Değiştirici Kolonun Projelendirilmesi Tablodaki değerlerle, c ile 1/c-ce arasında bir grafik çizilmiştir. Bu eğri, grafik üzerinde integre edilirse 5.72 değeri bulunur.

Sabit yataklı iyon değiştirici kolon Bir kuyu suyunun sertliği 275 mgCaCO3/L den 150 mgCaCO3/L a düşürülecektir. Kuyudan su 2650 L /dak lık bir debi ile pompalanmaktadır.Sudaki demir miktarı çok azdır. 1. IR-120 SAC reçinesi için aşağıda verilen tablodan bir reçine seçiniz. Rejenerasyon tuz miktarı 240 kg NaCl/m3 reçine seçilirse, sertlik giderme kapasitesi 1.24 eq CaCO3/L reçine olur.

Sabit yataklı iyon değiştirici kolon Suyun tamamı yumuşatılmayacak ve bir kısmı bypass edilecektir. Bypass edilecek suyun oranını hesaplayınız. Farzedelim ki reçine içinden geçen suyun sertliği 0 a düşmektedir. Aslında genellikle bu değer 5 mgCaCO3/L civarına düşer.

Bypass oranının hesaplanması Bypass akımı, şekilde E noktası ile gösterilen yumuşatılmış ve yumuşatılmamış suyun karıştırıldığı nokta için sertlik denge eşitliği yazılarak hesaplanabilir: E noktasındaki sertlik için kütle denkliği; QB . CB + QF. Ci = QP . CP (1) E noktasındaki debi denkliği; QB + QF = QP (2)

Bypass oranının hesaplanması Burada, QB = Bypass debisi QF = Kolon besleme veya çıkış debisi QP = Toplam debi CB = Yumuşatılmamış bypass suyunun sertliği , 275 mgCaCO3/L Ci = Kolon çıkışındaki yumuşatılmış suyun sertliği 0 mgCaCO3/L CP = Karışım suyunun seçilen sertliği,150 mgCaCO3/L

Bypass oranının hesaplanması Ci = 0 olduğundan, (1)denkleminden QB . CB = QP . CP (3) (4) Kolondan geçecek suyun fraksiyonu; (5) Yani suyun %45 i kolondan geçirilerek yumuşatılacak, %55 ise yumuşatılmayacaktır

Akış hızının bulunması 3. Servis debisini (SD) seçiniz ve buna göre suyun kolondaki akış hızını Hesaplayınız İyon değiştirme proseslerinde genel olarak kabul edilen SD, 0.134-0.669 arasındadır. 76 cm derinlikteki yatak genellikle minimum, 3.67 m derinlik ise maksimum bir değerdir. Yatak temas süresi (YTS) gerekli reçinenin hacmini belirler. YTS 1.5-7.5 dak. arasında değişir. YTS nin resiproku servis debisini (SD) verir. YTS ve SD aşağıda gösterildiği gibi ifade edilebilir: (6)

Akış hızının bulunması (7) Burada, QF kolona giren suyun debisi (L/dak) ve VR yataktaki reçine hacmidir. SD, 0.334 (L/dak.L reçine) seçilirse, (8) Reçine yatağın yüksekliği 0.762 m seçilirse, v = SD x Yatak yüksekliği v = ( 334 L/dak. m3 reçine) (0.762 m) v = 255 L/dak.m2 = 0.255 m3/dak.m2 v = 0.255 m/dak.

Servis süresi ve yatak hacminin bulunması 4.Servis süresini (tH) ve yatak hacmini (VR) bulunuz Kırılma noktasına kadar servis süresi ve yatak hacmi, sertlikle ilgili bir kütle denkliği yazarak hesaplanabilir. Bu denklik yazılırken çıkış sertlik değeri 0 kabul edilecektir. Sudan uzaklaşan sertlik ekivalenti = Reçine üzerinde tutulan sertlik ekivalenti QF . CB . tH = VF . CB = qH . VR (8)

Servis süresi ve yatak hacminin bulunması Burada, qH = Reçinenin sertlik kapasitesi (eq/L) CB = Ham suyun sertliği (eq/L) VR = Reçine yatağın hacmi QF . tH = VF ( tH zamanında kolona beslenen suyun hacmi) (10) Burada, BVH = Kırılma hacmi

Servis süresi ve yatak hacminin bulunması qH = 1.24 eq CaCO3/L reçine CB = 275 mg CaCO3 / L su 275 / 50000 = 0.0055 eq CaCO3/L su Bu sonuca göre 1 hacim reçine 225 hacim suyu yumuşatır.vKırılma zamanı; tH =YTS x BVH (11) tH = 3 dak. x 225 = 675 dak.= 11.2 saat Şayet akış hızı arttırılarak YTS azaltılırsa, servis süresi (tH) orantılı olarak azalır.

Reçine hacminin bulunması 5. Gerekli reçine hacmini (VR) bulunuz Seçilen en önemli parametre servis debisi (SD) dir. Çünkü bu parametre gerekli reçine hacmini belirler; (12) QF = 2650 L/dak ve SD = 0.334 L/dak. L reçine

Kolon sayısı ve bekleme süresinin bulunması Kolon sayısını belirleyiniz ve rejenerasyon sırasındaki minimum bekleme süresini bulunuz İyon değiştirici sistemin güvenilir bir şekilde çalışabilmesi için en az iki kolon kullanılmalıdır.Kolonlardan biri çalışırken diğeri rejenerasyon durumunda veya bekleme durumunda bulunur. Rejenere edilen bir kolonun servis dışında kalış süresi (ts), servis süresini (tH) aşmamalıdır. Servis dışında kalış süresi; ts=tBW+tR+tSR+tFR (13)

Kolon sayısı ve bekleme süresinin bulunması Burada, tBW = Geri yıkama süresi (5 -15 dak) tR = Rejenerasyon süresi (30 - 60 dak) tSR = Yavaş çalkalama süresi (10 -30 dak) tFR = Hızlı çalkalama süresi (5 -15 dak) Servis dışında kalma süresi, geri yıkama, rejenerasyon ve çalkalama için gerekli maksimum süreleri toplamı kadar, yani 2 saat olmalıdır. Bu süre işlemin sürekliliğini etkilemez.Çünkü, servis süresi 11 saatten fazladır.

Kolonların boyutlandırılması 7. Kolonları boyutlandırınız Yukarıda reçine yatağın yüksekliği 76.2 cm seçilmişti. Geri yıkama esnasında yatağın %100 genişlediği kabul edilirse, kolon yüksekliği 152.4 cm olur. Buna göre yatak çapı; VR= 3.57 m3 ve h = 0.762 m olduğundan, Sistemde 3 kolon kullanılırsa 2 si sürekli serviste 1 tanesi servis dışında bulunur. Bu şekilde daha esnek bir dizayn yapılmış olur. Bu durumda toplam 3.57 m3 reçine hacmi iki kolona eşit olarak bölünür:

Kolonların boyutlandırılması Su akımı paralel bağlı 2 adet 1.785 m3 reçine arasında bölünecektir.3 kolondan bir tanesi herhangi bir zaman aralığında rejenerasyonda olacaktır.

Rejenerasyon atıksuyunun hacim ve bileşiminin bulunması 8. Rejenerasyon suyunun hacim ve bileşimini hesaplayınız Rejenerasyon sırasında açığa çıkan atıksu, rejenerasyon çözeltisi ile yavaş çalkalama sularını kapsar. Bu atık çözeltiler son deşarj için bir yerde depolanmalıdır. Rejenerasyon sırasında açığa çıkan atıksu hacmi reçine yatağın büyüklüğüne bağlıdır. Aşağıdaki hesaplar yatak hacmi cinsinden yapılmıştır. Daha önce ifade edildiği gibi rejenerasyon seviyesi 240 kg NaCl /m3 reçine , olarak seçilmişti. Rejenerasyonda %10 luk NaCl kullanılmış olsun. Bu çözeltinin yoğunluğu 1.07 g/cm3 dür. Buna göre yatak hacmi cinsinden rejenerasyon çözeltisi hacmi:

Rejenerasyon atıksuyunun hacim ve bileşiminin bulunması Tuz ilavesini takiben çalkalama yapılır. 1 yatak hacmine, 2 hacim çalkalama suyu ilave edilir. Böylece toplam atıksu ; 2.25 + 2 = 4.25 yatak hacmi olur. Bu örnekte atıksu miktarı, arıtılmış suyun (4.25/225 )x 100 = %1.9 u kadar olmaktadır. 1 yatak hacmi = 1 L olarak seçilirse rejenerasyon atıksuyu hacmi 1 L yatak için 4.25 L olur. Kolonda kullanılan reçine hacmi 3.57 m3 = 3750 L olduğundan atıksu hacmi; 3570 x 4.25 = 15172 L = 15.172 m3 olur.

Rejenerasyon atıksuyunun hacim ve bileşiminin bulunması Rejenerasyon çözeltisini hazırlamak için kullanılan sudaki az miktardaki iyon gözardı edilirse atık tuz çözeltisi konsantrasyonu eq/L olarak aşağıdaki gibi hesaplanır; Atıksuyun iyon konsantrasyonu = Sertlik konsantrasyonu + Aşırı tuz konsantrasyonu Atıksu sertlik konsantrasyonu = Giderilen sertlik eq / Harcanan rejenerant hacmi Verilen tablodan reçinenin m3 ü başına 240 kg NaCl kullanılmaktadır. Bu seviyede 1 L reçine sudan 1.24 eq sertlik uzaklaştırır. Atık sertlik konsantrasyonu = 1.24 eq CaCO3 / 4.25 L = 0.29 eq/L = 0.29 x 50000 = 14500 mg CaCO3 /L

Rejenerasyon atıksuyunun hacim ve bileşiminin bulunması Tablodan aşırı NaCl konsantrayonu da aşağıdaki gibi hesaplanabilir; Aşırı tuz kons.= (Kullanılan NaCl eq. - Giderilen sertlik eq.) / Rejenerant hacmi Aşırı tuz kons = [(1.24 x 3.3) – 1.24] / 4.25 = 0.67 eq NaCl /L = 0.67 x 58.5 = 39.195 g = 39195 mg NaCl /L Rejenerasyon atıksuyunun toplam katyon konsantrasyonu 0.96 eq/L dir. Bunun 0.29 eq/L si sertlik , 0.67 eq/L si NaCl dür. Atıksudaki başlıca katyonlar Ca+2, Mg+2, Na+ anyon ise Cl- dür.

Ödev sorusu Bir kuyu suyunun sertliği 425 mgCaCO3/L den 50 mgCaCO3/L a düşürülecektir. Kuyudan su 3500 L/dak lık bir debi ile pompalanmaktadır.Sudaki demir miktarı çok azdır. IR-120 SAC reçinesi için bazı özellikler aşağıda verilmiştir. Yumuşatma işleminde 6 no lu iyon değiştirici kullanılmaktadır.

Ödev sorusu 1.Suyun tamamı yumuşatılmayacaktır. Bypass edilecek suyun oranını hesaplayınız. 2. SD, 0.35 (L/dak.L reçine) ve reçine yatağın yüksekliği 1.0 m olduğuna göre suyun kolondaki akış hızını hesaplayınız 3. Servis süresini (tH) ve yatak hacmini (VR) bulunuz 4. Gerekli reçine hacmini (VR) bulunuz 5. Kolon sayısını belirleyiniz ve rejenerasyon sırasındaki minimum bekleme süresini bulunuz 6. Kolonu boyutlandırınız 7. Rejenerasyon suyunun hacim ve bileşimini hesaplayınız. Rejenerasyonda %10 luk NaCl çözeltisi kullanılmaktadır. Bu çözeltinin yoğunluğu 1.07 g/cm3 dür.