VE ADSORBENT ÇEŞİTLERİ

... konulu sunumlar: "VE ADSORBENT ÇEŞİTLERİ"— Sunum transkripti:

1 VE ADSORBENT ÇEŞİTLERİ
ADSORPSİYON TEORİSİ VE ADSORBENT ÇEŞİTLERİ

2 ADSORPSİYON TANIMLAR İyice öğütülerek toz haline getirilmiş bir katı, kapalı kapta düşük basınçtaki bir gazla birlikte bırakılırsa gaz basıncının dikkate değer oranda azaldığı gözlenir. Bu denemede gazın katı yüzeyinde adsorbe edildiği söylenir. Genel olarak ifade etmek gerekirse; gaz veya sıvı fazında ya da herhangi bir çözeltide bulunan çözünmüş maddelere ait molekül, atom veya iyonların katı bir maddenin yüzeyinde tutunması olayına adsorpsiyon denir.

3 ADSORPSİYON TANIMLAR Katı örgüsü içinde bulunan iyonlar çekim kuvvetlerince dengelenmiştir. Ancak katı yüzeyindeki atomların dengelenmemiş kuvvetleri, çözeltideki maddeleri katı yüzeyine çekerler ve yüzey kuvvetleri dengelenmiş olur. Bu şekilde çözeltideki maddelerin katı yüzeyine adsorpsiyonu gerçekleşir.

4 ADSORPSİYON TANIMLAR Adsorpsiyon, bir yüzey veya ara kesit üzerinde bir maddenin birikmesi ve derişiminin artması olarak tanımlanmaktadır. Tanımda kullanılan ara yüzey bir sıvı ile bir gaz, katı veya bir başka sıvı arasındaki temas yüzeyi olabilir.

5 ADSORPSİYON TANIMLAR Katı yüzeyinde tutunan taneciklerin yüzeyden ayrılmasına Desorpsiyon, Adsorpsiyonda adsorbe eden katı maddeye Adsorplayan, Adsorbent veya Adsorban, Katı yüzeyinde tutunan maddeye Adsorplanan madde veya Adsorbat denir.

6 ADSORPSİYON TARİHÇESİ
1777 yılında Fontana tarafından kalsine edilmiş odun kömürünün, çeşitli gazları kendi hacminin birkaç katı kadar adsorpladığı bulunmuştur. Aynı yıllarda Scheele odun kömürünün ısıtıldığında havayı açığa çıkardığını ve soğutulduğunda ise tekrar adsorpladığını deneysel olarak kaydetmiştir.

7 ADSORPSİYON TARİHÇESİ
1814 yılında Saussure her katının bir tutma gücü olduğunu, bunun da katının açıktaki yüzey alanına bağlı olduğunu buldu. 1843 yılında Hittscherlich, odun kömürünün gözeneklerinin adsorpsiyon olayında büyük bir rolünün olduğunu kesin bir şekilde açıkladı. Adsorpsiyon terimi 1881 yılında Kaiser tarafından önerildi.

8 ADSORPSİYON TARİHÇESİ
Adsorpsiyon ile absorpsiyon terimlerini katı yüzey uygulamalarında birbirinden ayırmak gerekir. Adsorpsiyon katı yüzeye tutunma olarak tanımlanırken, absorpsiyon yüzeyin içine nüfuz etme olarak tanımlanır. Daha geniş anlamda bu iki terim birleştirilmiş ve Sorpsiyon olarak 1909 yılında Mc Bain tarafından önerilmiştir.

9 ADSORPSİYON ÇEŞİTLERİ
Adsorplayan madde yüzeyi ile adsorplanan madde arasındaki çekim kuvvetlerine bağlı olarak gerçekleşen üç tür adsorpsiyon işlemi tanımlanmaktadır:

10 ADSORPSİYON ÇEŞİTLERİ
1- Fiziksel Adsorpsiyon: Fiziksel adsorpsiyon bir yüzeydeki dengelenmemiş Van Der Waals kuvvetleri yardımıyla gerçekleşir. Adsorbe olan molekül katı yüzeyinde belirli bir yere bağlanmamıştır, yüzey üzerinde hareketli bir durumdadır. Düşük sıcaklıklarda gerçekleşir. Adsorbat adsorbanın yüzeyinde birikir ve gevşek bir tabaka oluşturur. Adsorplanan moleküller birden çok tabaka oluşturabilir. Fiziksel adsorpsiyon genellikle tersinirdir.

11 ADSORPSİYON ÇEŞİTLERİ
2- Kimyasal Adsorpsiyon: Adsorplanan madde ile katı yüzey arasındaki fonksiyonel grupların kimyasal etkileşimi ile oluşan adsorpsiyondur (kimyasal bileşiklerin oluşumu). Kimyasal adsorpsiyon, adsorplanan maddenin fonksiyonel gruplarından dolayı oluşur ve adsorban kararlı bir bağ oluşturmak için etkileşir.

12 ADSORPSİYON ÇEŞİTLERİ
2- Kimyasal Adsorpsiyon: Çok nadir olarak geri dönüşümlüdür (tersinmez). Katının tüm yüzeyinde değil yalnızca aktif merkezlerde olur. Kimyasal adsorpsiyon yüksek sıcaklıklarda gerçekleşir. Sıcaklık çok yükselirse fiziksel adsorpsiyon olayı kimyasal adsorpsiyona dönüşebilir. Adsorbe olan maddenin uzaklaştırılması için (rejenerasyon) adsorbanın yüksek sıcaklıklara kadar ısıtılması gibi işlemler uygulanır.

13 ADSORPSİYON ÇEŞİTLERİ
2- Kimyasal Adsorpsiyon: Tek tabakalıdır. Genellikle adsorbat yüzey üzerinde bir molekül kalınlığında sabit bir tabaka oluşturur. The Distribution of Solvents A and B as a Mono-layer on a Silica Gel Surface

14 ADSORPSİYON ÇEŞİTLERİ
3- İyonik Adsorpsiyon (Elektrostatik Adsorpsiyon, Değişim Adsorpsiyonu, Mübadele Adsorpsiyonu): Adsorbat ile yüzey arasındaki elektriksel çekim ile olmaktadır. Adsorplayan ile adsorplananın iyonik güçleri önemlidir. Elektrik yükü fazla olan iyonlar ve küçük çaplı iyonlar daha iyi adsorbe olurlar.

15 ADSORPSİYON ÇEŞİTLERİ
Tüm bu adsorpsiyon çeşitlerine rağmen, bir adsorpsiyon işlemini tek bir adsorpsiyon çeşidi ile açıklamak zordur. Çoğu adsorpsiyon olayında bu üçü birlikte veya ardarda görülür.

16 ADSORPSİYON Etkileyen Faktörler
Adsorpsiyonun büyüklüğü; Ortam pH’ ına, Sıcaklığa, Adsorplanan maddenin tabiatına, Adsorbanın tabiatına, Bulunduğu ortamdaki konsantrasyonuna (adsorplanan madde gaz ise; basıncına), Yüzey yapısına ve genişliğine bağlıdır.

17 ADSORPSİYON Etkileyen Faktörler
1. pH: Hidronyum ve hidroksil iyonları kuvvetle adsorbe olduklarından, diğer iyonların adsorpsiyonu çözelti pH’ından etkilenir. Ayrıca asidik veya bazik bileşiklerin iyonizasyon derecesi de adsorpsiyonu etkiler.

18 ADSORPSİYON Etkileyen Faktörler
2. Sıcaklık: Adsorpsiyon işlemi genellikle ısı veren bir tepkime biçiminde gerçekleşir. Bu nedenle azalan sıcaklık ile adsorpsiyon büyüklüğü artar. Açığa çıkan ısının genellikle fiziksel adsorpsiyonda yoğuşma veya kristalizasyon ısıları mertebesinde, kimyasal adsorpsiyonda ise kimyasal reaksiyon ısısı mertebesinde olduğu bilinmektedir.

19 ADSORPSİYON Etkileyen Faktörler
3. Yüzey alanı: Adsorpsiyon bir yüzey işlemi olduğundan, adsorpsiyon büyüklüğü spesifik yüzey alanı ile orantılıdır. Adsorbentin partikül boyutunun küçük, yüzey alanının geniş ve Gözenekli yapıda olması adsorpsiyonu artırır. Adsorpsiyon için gözenek yapısı, toplam iç yüzeyden daha önemli bir parametredir. Gözeneklerin büyüklükleri, uzaklaştırılacak olan kirliliklerin tanecik çaplarına uygun olmalıdır. Çünkü, karbon ve adsorplanan moleküller arasındaki çekim kuvveti, molekül büyüklüğü gözeneklere yakın olan moleküller arasında daha büyüktür.

20 ADSORPSİYON Etkileyen Faktörler
Gözenek Yapıları Silindir Mürekkep şişesi Sıkışık Yarık

21 ADSORPSİYON Etkileyen Faktörler
Gözenek Yapıları Silica Carbon Zeolite

22 Makro gözenekler (r > 25 nm) Mezo gözenekler (1 < r < 25 nm)
ADSORPSİYON Etkileyen Faktörler Adsorbentler için gözenek büyüklüğü yarıçaplarına göre: Makro gözenekler (r > 25 nm) Mezo gözenekler (1 < r < 25 nm) Mikro gözenekler (0,4 < r < 1 nm) Submikro gözenekler (r < 0,4 nm)

23 Gözenek büyüklüğü ve Yüzey Alanları
ADSORPSİYON Etkileyen Faktörler Gözenek büyüklüğü ve Yüzey Alanları

24 ADSORPSİYON Etkileyen Faktörler
Gözeneklere Dağılma

25 Gözeneklere Dağılma ADSORPSİYON Etkileyen Faktörler
Silindirik gözenek mürekkep şişesi Gözenek ile tamamı dolmuş ve kapanmış partüküller arasındaki açıklık Adsorplanmış tabaka t dp dm

26 ADSORPSİYON Adsorplanma
1. Gaz ya da sıvı fazda bulunan adsorbat, adsorbanı kapsayan bir film tabakası sınırına doğru difüze olur (bulk solution transport). Bu basamak, adsorpsiyon düzeneğinde belirli bir hareketlilik (karıştırma) olduğu için çoğunlukla ihmal edilir. 2. Film tabakasına gelen adsorbat buradaki durgun kısımdan geçerek adsorbanın gözeneklerine doğru ilerler (film mass transfer/boundary layer diffusion). 3. Adsorbanın gözenek boşluklarında hareket ederek adsorbsiyonun meydana geleceği yüzeye doğru ilerler (intraparticle diffusion). 4. Adsorbatın adsorbanın gözenek yüzeyine tutunması meydana gelir (sorpsiyon).

27 ADSORPSİYON Adsorplanma
1) Film difüzyonu: Adsorplanacak olan çözünen moleküller adsorbanın   içine girerek yüzey filmi oluştururlar. 2) Gözenek difüzyonu: Moleküllerin adsorban gözeneklerinde adsorpsiyon merkezine doğru göçünü içerir. 3) Karbon Yüzeylerine Çözünen Moleküllerin Yapışması: Çözünen molekül, adsorbanın gözenek yüzeyine bağlandığında tutunma meydana gelir.

28 ADSORPSİYON Adsorplanma

29 ADSORPSİYON Etkileyen Faktörler
Adsorpsiyon çalışmalarında dikkat edilmesi gereken en önemli faktörler: Sıcaklığın etkisi Çözeltinin ilk pH’sı Başlangıç adsorbat derişimi Çalkalama hızı Çalkalama zamanı

30 ADSORPSİYON DESORPSİYON
Aktif merkez olarak adlandırılan adsorbanın yüzeyi üzerinde yer alan atomlar arasındaki bağ kuvvetleri tamamen doyurulmamıştır. Bu aktif merkezlerde yabancı moleküllerin adsorpsiyonu yer alır. Adsorban üzerinde adsorplanmış bir madde, kendisine oranla daha şiddetle adsorplanan bir madde tarafından yer değiştirir. Yer değiştiren madde karbon tarafından desorplanır veya serbest bırakılır. Bu olay daha çok tercih edilen türlerin adsorpsiyonu boyunca devam eder.

31 ADSORPSİYON DESORPSİYON
Katı faz üzerinde adsorpsiyon ve desorpsiyon işlemleri

32 ADSORPSİYON DESORPSİYON
Adsorpsiyon ve Desorpsyion Desorpsiyon Adsorpsiyon

33 ADSORBENTİN Geri Kazanılması
Adsorbent yüzeyine moleküller adsorplandıkça yeni moleküllerin adsorpsiyonu için daha az yer kalır ve sonuçta adsorbent etkin adsorpsiyon özelliğini kaybeder. Adsorbente etkin adsorpsiyon özelliğini yeniden kazandırma işlemine ‘‘geri kazanım’’ denir.

34 ADSORBENTİN Geri Kazanılması
Yüksek sıcaklıklardaki yapısal bozulmalar sonucunda adsorbentler tersinir olmayan değişimlere uğrarlar. Zamanla ısısal yayılma, büzülme ve nihayet yapının parçalanması nedeniyle az bir miktar adsorbent kaybolur veya oksitlenir. Gittikçe gözenek yapısı bozulur ve safsızlıklar bu yapıda birikir. Böylece adsorbentin adsorplama özelliği azalır. Gözenekler safsızlıklarla dolduğundan dolayı difüzyon azalır ve sonuçta rejenere edilemeyecek duruma gelir. Adsorbentlerin fiziksel gücünün, geri kazanım süreci boyunca dayanabilecek büyüklükte olması gerekir.

35 ADSORPSİYON GENEL UYGULAMA ALANLARI
Günümüzde adsorpsiyon, bir çok doğal fiziksel, kimyasal ve biyolojik işlemde önem taşımaktadır. Ayrıca adsorpsiyon prosesi, atıksulardaki organik ve kimyasal kirleticilerin uygun bir katı yüzey üzerine tutularak giderilmesi işleminde de sıklıkla kullanılmaktadır.

36 ADSORPSİYON GENEL UYGULAMA ALANLARI
Sudaki renk, tat ve koku giderimin yanı sıra çözünmemiş organik ve organik olmayan kirlilikler, klor ve klor bileşikleri, deterjan, petrol, sanayi atıkları, solventler, ağır metaller ve asbest gibi maddeler adsorbsiyon yoluyla sudan uzaklaştırılmaktadır. Sulu şeker çözeltilerinin ve petrol ürünlerinin renginin giderilmesinde kullanılmaktadır. Kum filtreleri ile suların arıtılması; kumun sudaki bakterileri ve suda bulunan yabancı maddeleri adsorplaması esasına dayanmaktadır. Çöktürme işlemlerinde adsorpsiyon olayının önemi büyüktür.

37 ADSORPSİYON GENEL UYGULAMA ALANLARI
Nükleer endüstriden kaynaklanan sıvı atıkların arıtılması işleminde; katı materyal yüzeyine adsorpsiyon teknikleri sıklıkla kullanılmaktadır. Katı-gaz, katı-sıvı adsorpsiyonu gibi sıvı-gaz, sıvı- sıvı adsorpsiyonları da önemlidir. Sıvı-gaz sınırında adsorpsiyon; köpük oluşumu ve stabilizasyonu bakımından çok önemlidir. Köpük; bir gaz veya bir buharın sıvıdaki çözeltisidir. Katıların gazları adsorpsiyonundan gaz maskesi yapımında, vakum yapılmasında, kötü kokuların giderilmesinde, gaz reaksiyonlarının katalizinde yararlanılır.

38 ADSORPSİYON GENEL UYGULAMA ALANLARI
Havada veya suda bulunan kirleticilerin aktif karbon üzerine adsorpsiyonu, kirlenmiş olan havanın veya suyun iyileştirilmesinde sıklıkla kullanılmaktadır. Adsorbsiyon, gaz ayırma işlemlerinde, havanın ve diğer gazların nemini gidermede, endüstriyel gazlardan istenmeyen koku ve safsızlıkların giderilmesinde kullanılmaktadır.

39 ADSORBENT ÇEŞİTLERİ Günümüzde doğal veya sentetik olarak elde edilen birçok maddenin adsorbent olarak değerlendirilmesi hakkında çeşitli çalışmalar mevcuttur. Materyal maliyetini düşürmek için alternatif adsorbent olarak çok çeşitli maddeler üzerinde çalışılmıştır.

40 ADSORBENT ÇEŞİTLERİ 1- DOĞAL ADSORBENT ÇEŞİTLERİ ZEOLİTLER, KLİNOPTİLOLİT, BENTONİT, PERLİT, SEPİYOLİT, PALİGORSKİT, PİRİT, DOLOMİT, İLLİT, HEMATİT, MONTMORİLLONİT, VOLLASTONİT, ANTRASİT, KAOLİN, FELDİSPAT, FOSFOJİPS, KUM, PONZA TAŞI, YÜNLER,

41 ADSORBENT ÇEŞİTLERİ 2- SENTETİK OLARAK ELDE EDİLEN ADSORBENTLER SİLİKA JEL, POLİMERLER, TANİN JELLERİ, ALÜMİNYUM OKSİTLER (ALÜMİNA), ALUNİT ALUM ÇAMURU, BOKSİT ÇAMURU, ARITMA ÇAMURLARI,

42 ADSORBENT ÇEŞİTLERİ 2- SENTETİK OLARAK ELDE EDİLEN ADSORBENTLER SPHAGNUM TURBASI, AKTİF KİL, DİATOME TOPRAĞI, KIRMIZI ÇAMUR, BİYOSORBENTLER, AKTİF KARBONLAR,

43 ADSORBENT ÇEŞİTLERİ 2- SENTETİK OLARAK ELDE EDİLEN ADSORBENTLER AKTİF KARBONLAR; Odun külü, Uçucu kül, Fırın külleri, Odun talaşı, Mangal kömürü, Linyit kömürü, Bitümlü kömür, Turba,

44 ADSORBENT ÇEŞİTLERİ 2- SENTETİK OLARAK ELDE EDİLEN ADSORBENTLER AKTİF KARBONLAR; Petrol koku, Petrol artıkları, Tarımsal ve orman ürünleri atıkları, Mısır koçanı, Talaş, Saman, Ayçiçeği sapları, Fındıkkabuğu,

45 ADSORBENT ÇEŞİTLERİ 2- SENTETİK OLARAK ELDE EDİLEN ADSORBENTLER AKTİF KARBONLAR; Badem kabuğu, Ceviz kabuğu, Hindistan cevizi kabuğu, Pirinç kabuğu, Ağaç kabukları ve kökleri, Zeytin çekirdeği, Kayısı çekirdeği, Şeftali çekirdeği,

46 ADSORBENT ÇEŞİTLERİ 2- SENTETİK OLARAK ELDE EDİLEN ADSORBENTLER AKTİF KARBONLAR; Kahve taneleri, Diğer meyve ile odunsu yapıya sahip kabuklular gibi bitkisel ürünlerin atık maddeleri, Kan, Kemik, Yağ ürünleri

47 1- Doğal Adsorbentler ADSORBENTLER 2) Zeolit
Figure 10 The molecular structure of LTA zeolite, type 4A. A complex molecule called zeolite, a crystalline solid containing silicon, aluminium and oxygen atoms, is also commonly used by industries

48 1- Doğal Adsorbentler ADSORBENTLER 2) Zeolit

49 2-Sentetik Adsorbentler
1) Aktif Karbon- Yüzey Alanı

50 2-Sentetik Adsorbentler
1) Aktif Karbon- Gözenek Yapısı Aktif karbonun gözenek yapısı.

51 2-Sentetik Adsorbentler
1) Aktif Karbon- Gözenek Yapısı  Aktif karbonun gözenek yapısı.

52 2-Sentetik Adsorbentler
1) Aktif Karbon- Gözenek Yapısı Granules after running in industrial reactor The adsorbent surface with PGM (platinum group metals) substances  Aktif karbonun gözenek yapısı.

53 2-Sentetik Adsorbentler
1) Aktif Karbon- Gözenek Yapısı ADSORBENT PARTICLE Scanning electron micrograph image of HyperZ bead and surface prior to introduction of the hydrogel. Shape of the silica surface

54 2-Sentetik Adsorbentler
1) Aktif Karbon- Gözenek Yapısı Figure 1. Cross-section of new Carbon-Loaded Nonwoven Filtration Medium, 50x Magnification.

55 2-Sentetik Adsorbentler
1) Aktif Karbon- Gözenek Yapısı

56 2-Sentetik Adsorbentler
1) Aktif Karbon- Gözenek Yapısı Activated charcoal Aktif karbonun gözenek yapısı.

57 2-Sentetik Adsorbentler
1) Aktif Karbon- Gözenek Yapısı Aktif karbon modeli

58 1. Toz halindeki aktif karbonlar, 2. Granüle aktif karbonlar,
2-Sentetik Adsorbentler 1) Aktif Karbon Aktif karbonlar değişik özelliklere sahip şekillerde üretilebilirler. 1. Toz halindeki aktif karbonlar, 2. Granüle aktif karbonlar, 3. Pelet halindeki aktif karbonlardır.,

59 FREUNDLICH IZOTERMİ Bir adsorbsiyon deneyinin Freundlich Denklemine uyarlılığnı göstermek için bu denklemin logaritmik şekilde yazılması gerekmektedir ; log a = logA + 1/n logC Deney sonucunda loga ile logC arasında çizilen grafiğin bir doğru vermesi adsorbsiyonun Freundlich Denklemine uyarlılığnı gösterir.

60 FREUNDLICH IZOTERMİ Bir adsorbsiyon deneyinin Freundlich Denklemine uyarlılığnı göstermek için bu denklemin logaritmik şekilde yazılması gerekmektedir ; log a = logA + 1/n logC Deney sonucunda loga ile logC arasında çizilen grafiğin bir doğru vermesi adsorbsiyonun Freundlich Denklemine uyarlılığnı gösterir.

61 LANGMUIR IZOTERMİ Atom veya moleküllerin kinetiğine , adsorblayıcı yüzeyinde aktif merkezler tarafından tutulduğunu ve oluşan filmin monomoleküler olduğu kabul edlilir. Sıvılara uygulanan izoterm şu şekildedir : Q = KC . 1 + KC Q = 1 g adsorban tarafından adsorplanan gram miktarı K= Adsorpsiyon denge sabiti C = Denge konsantrasyonudur.

62 LANGMUIR IZOTERMİ Denklem aşağıdaki gibi linener biçimde yazıldığında
C/Qd=1/KQm+C/Qm Absise C, ordinata da C/Qd değerleri konularak çizilen grafiğin bir doğru sergilemesi adsorplanmanın Langmuir denklemine uyarlılığnı göstermektedir.