UÇUCU ORGANİK BİLEŞİKLERİN ZEOLİTTEKİ DİFÜZYON VE ADSORPSİYONUNUN İNCELENMESİ

Transkript

1 UÇUCU ORGNİK BİLEŞİKLERİN ZEOLİTTEKİ DİFÜZYON VE DSORPSİYONUNUN İNCELENMESİ Cevdet KOSMN, Mehmet KLENDER Fırat Üverstes Mühedslk Fakültes Kmya Mühedslğ Bölümü-ELZIĞ ÖZET Bu çalışmada metaol, aseto, beze ve tolue gb uçucu orgak bleşkler gözeekl yapıya sahp ola Zeolt 4 dak damk davraışı tek pelet momet tekğ le celemştr. Bu amaçla br taraflı tek pelet adsorpsyo hücres kullaılmıştır. Damk tek pelet hücres deeyler toplam gözeekllğ 0.49 peletler kullaılarak 1 atm basıçta C sıcaklık aralığıda yürütülmüştür. Deeysel çalışmalarda kullaıla zleycler zeolt peletdek sıfırıcı mometler değerledrlmes le tersr adsorpladığı görülmüştür. Deeylerde kullaıla zleycler zeolt peletdek adsorpsyo dege sabtler ve etk dfüzyo katsayıları brc mutlak ve kc merkez mometler değerledrlmes le hesaplamıştır. Kullaıla zeolt peletde zleycler adsorpsyo dege sabtler sıcaklıkla azalmıştır. Elde edle adsorpsyo ısısı değerler zleycler Zeolt 4 dak adsorpsyouu fzksel olduğuu göstermektedr. Etk dfüzyo katsayıları se sıcaklıkla artmıştır. ahtar Kelme: dsorpsyo, Uçucu Orgak Bleşkler, Dfüzyo, Zeolt 4, Momet Tekğ. 1. GİRİŞ Fosl yakıtlar, edüstryel ve evsel çözücüler, tarımsal etklkler, petrol raferler, petrol stasyoları gb brçok kayakta oluşa uçucu orgak bleşkler (UOB) ya drekt gaz halde ya da sıvı ve katı fazda buharlaşma yoluyla havaya verlmektedr. UOB başta küresel ısıma olmak üzere salar üzerde toksk ve kaseroje, btkler üzerde se zehrl alalar oluşturmak suretyle so derece zararlı etks yapmaktadırlar. yrıca bu bleşkler atmosferdek su buharı, yağmur ve rüzgarı etksyle su ve toprağa da geçerek büyük ölçüde krllğe sebep olurlar [1-3]. Uçucu orgak maddeler gderlmesde ve ger kazaılmasıda e etk metotları başıda yüksek yüzey alaıa sahp gözeekl katıları kullaıldığı adsorpsyo prosesler gelmektedr. dsorpsyo proseslerde kullaıla gözeekl katılar, aktf karbo, zeolt, aktf alüma, slkajel ve kldr. Zeoltler, alüma ve slkajel gb katılar hdroflk özellğe sahp olup su buharı ve alkollere karşı daha etk adsorplama eğlm gösterrke, hdrofobk özellğe sahp aktf karbou se aromatk ve halojel orgak uçucu bleşklere karşı adsorplama eğlm daha yüksektr. Uçucu orgak maddeler adsorplayıcı gözeeklerdek taşıımı ve adsorpsyouu etkleye başlıca faktörler adsorplayıcı madde toplam yüzey alaı, gözeek boyutu ve dağılımı gb yüzey özellkler, adsorplaa moleküller fzksel özellkler ve adsorplayıcı gözeeklerdek dfüzyo ve adsorpsyo mekazmasıdır. Zeoltler sahp oldukları gözeek boyut dağılımı özellklerde ve yüksek sıcaklıklarda adsorbet özellkler kaybetmemelerde dolayı dğer adsorbetlere göre daha fazla terch edlmektedr [4-7]. Bu çalışmada metaol, aseto, beze ve tolue gb uçucu orgak bleşkler zeolt 4 dak damk davraışıı br taraflı tek pelet adsorpsyo hücres tekğ le araştırılması ve çeştl sıcaklıklardak dfüzyo katsayılarıı ve adsorpsyo dege sabtler belrlemes amaçlamıştır.

2 1.1. Kuramsal Br taraflı tek pelet adsorpsyo hücres Şekl 1 de görülmektedr. dsorpsyo hücres üst bölmesde taşıyıcı gaz (N 2 ) geçrlmektedr. Hücre, üst bölmede tam br karışmaı oluşacağı şeklde dzay edlmştr. İzleyc olarak kullaıla uçucu orgak bleşkler üst bölmeye ejekte edlr ve çıkış akımı üzere yerleştrle uygu br dedektörle (TCD) dedekte edlr. Gözeekl pelet çersde zleyc ç kütle koruumu aşağıdak eştlkle fade edlr: C C 2 ε p = De ρ 2 p t z N (1) Burada N zleyc katı yüzeye adsorplama hızı olup değşk adsorpsyo mekazmaları ç türetlmş eştlkler lteratürde verlmştr [8-10]. Sstemdek ölü hacm etks hesaplamak ç gerekl ola eştlkler se zleyc ç hücre üzerdek boşluktak kütle koruumu yasasıda buluablr: C FC + De = Vt z z=0 dc dt (2) Eşt. 1 ve 2 sıır şartlarıı göz öüde buludurulması le Laplace alaıdak çözümü lteratürde verlmş olup geel çözüm aşağıdak gbdr [10-11]: Coτ C = (3) De ( ml) tah ( ml) + sτ + 1 FL Burada m, tersr, tersmez, dege ve ert adsorpsyo olmak üzere lteratürde farklı adsorpsyo mekazmaları ç taımlamıştır [10]. τ se zleyc üst bölmedek kalış süresdr. Hücre üst bölmes çıkışıda ölçüle cevap pk momet fadeler aşağıda verle. momet fades taımıda yararlaarak türetlmştr. m d C = t C (t)dt = ( 1) lm (4) s 0 0 ds Taşıyıcı gaz İzleyc TCD L V t z=0 PELET z=l Şekl 1. Br taraflı tek pelet adsorpsyo hücres

3 Eğer gözeekl katıda zleyc adsorpsyou çok hızlıysa, bu durumda gözeeklerde gaz faz kosatrasyou ve adsorplaa zleyc arasıda dege adsorpsyouu olduğu varsayılablr. Böylece tersr adsorpsyo ç türetle eştlkler dege adsorpsyoua drger. Sıfırıcı momet ç pelet üzer açık ve kapalı olduğu durumlardak mometler oraı, brc mutlak ve kc merkez mometler ç se mometler farkı düzeltlmş momet olarak adladırılır ve dege adsorpsyou ç düzeltlmş sıfırıcı, brc mutlak ve kc merkez momet fadeler aşağıdak şeklde elde edlr. mo m oc = mot =1 (5) L µ 1 c = ( ε p + ρ p K ) F (6) µ 2c 2V t 2L = 1+ + F L( p p K ) De 2 µ ε + ρ 3 (7) 1c Deeysel momet değerler elde edle pk alalarıı sayısal metotla hesaplamasıyla elde edlr. Eşt. 6 da blmeye tek parametre adsorpsyo dege sabt olduğu görülmektedr. 1/F e karşı brc mutlak momet fadeler grafğe geçrlrse elde edlecek doğruu eğmde adsorpsyo dege sabt buluablr. Eşt. 7 de se blmeye parametre etk dfüzyo katsayısıdır. F-(µ 2c /µ 2 1c) grafğ eğmde de etk dfüzyo katsayısı kolaylıkla hesaplaablr. 2. MTERYL VE METOT Yapıla çalışmada uçucu orgak bleşkler zeolt peletdek damk davraışı tek pelet momet tekğ le celemştr. Bu amaçla br taraflı tek pelet adsorpsyo hücres kullaılmıştır. Deeylerde adsorbet olarak cros marka Zeolt 4 (<50 mkro) ve uçucu orgak bleşk olarak tolue (Merck, %99 saflıkta), beze (Merck, %99 saflıkta), metaol (Carlo Erba, %99.9 saflıkta) ve aseto (Redel, %99 saflıkta) kullaılmıştır. Paslamaz çelkte yapılmış tek taraflı br adsorpsyo hücres kullaıldığı deeysel çalışmalarda zeolt pelet 13.5 mm çapıda ve 3 mm uzuluğudak paslamaz çelkte yapılmış halka şekldek sldrk kalıba toz haldek katı öreğ preslemesyle hazırlamıştır. Zeolt 4 pelet fzksel özellkler Tablo 1 de verlmştr. Hazırlaa pelet kalıbı adsorpsyo hücrese yerleştrldkte sora sızdırmayı ölemek amacıyla pelet kalıbıı her k tarafıa teflo cotalar komuştur. dsorpsyo hücres deeyler gerçekleştrldğ gaz kromatografs (SRI 1860) fırııa yerleştrlp sstemde taşıyıcı gaz (N 2 ) geçrlmştr. Sstem degeye ulaşmasıda sora hücre grşde 0.5 µl hacmde uçucu orgak bleşk (zleyc) pulse olarak ejekte edlmş ve tepk pkler br kaydedc yardımıyla kaydedlmştr. Toplam 1 atmosfer basıç altıda yürütüle deeyler cm 3 /dk aralığıda 7 ayrı taşıyıcı gaz akış hızıda; zleycler kayama oktaları göz öüde buludurularak beze ve tolue ç C, metaol ç C ve aseto ç C sıcaklıklarıda gerçekleştrlmştr. Tablo 1. Deeysel çalışmalarda kullaıla zeolt pelet fzksel özellkler Nüfuz ede cva hacm, cm 3 /g 0.63 Katı yoğuluğu, ρ s, g/cm Görüür yoğuluk, ρ p, g/cm Gözeekllk, ε p 0.49 Ortalama gözeek çapı, d, µm 2.33

4 4. SONUÇLR VE TRTIŞM Çalışıla zleycler zeolt peletdek adsorpsyouu tersr olup olmadığı sıfırıcı momet aalz yapılarak belrlemştr. Pelet üzer kapalı (m 0t ) ve açık (m 0 ) olduğu durumdak sıfırıcı mometler brbre yakı olması tersr adsorpsyou meydaa geldğ gösterr. Şekl 2 de beze ç taşıyıcı gaz akış hızıa (F, cm 3 /s) karşı elde edle sıfırıcı momet değşmler verlmştr. Bu şeklde de görüldüğü gb beze zeolt peletde tersr olarak adsorpladığı alaşılmaktadır. Bezer durum dğer zleycler adsorpsyouda da gözlemştr. Tersr adsorpsyoda adsorpsyo parametreler brc mutlak momet fadesde yer almaktadır. seto ç taşıyıcı gaz akış hızıa karşılık çzle, pelet üzer kapalı (µ 1t ), açık (µ 1 ) ve bu k durum arasıdak fark (µ 1c ) ola düzeltlmş brc mutlak momet değerler Şekl 3 te verlmştr. Brc mutlak momet değerler çok düşük olması adsorpsyo olayıı ayı zamada çok hızlı gerçekleştğ göstermektedr. Bu edele tersr adsorpsyo ç türetle eştlkler dege adsorpsyou eştlklere drger. Daha öcek bölümde verle Eşt. 6 ya göre 1/F-(µ 1c ) grafğ çzlrse elde edlecek doğruu eğmde adsorpsyo dege sabt hesaplamak mümküdür. Zeolt peletde zleycler ç hesaplaa adsorpsyo dege sabtler Tablo 2 de verlmştr Sıfırıcı momet, mo F, cm 3 /s Şekl 2. Zeolt 4 da beze ç sıfırıcı mometler (T=30 C) 10 Brc mutlak momet, F, cm 3 /s Şekl 3. Zeolt 4 da aseto ç brc mutlak momet eğrler (T=40 C)

5 Tablo 2. Deeysel çalışmalarda kullaıla uçucu orgak bleşkler zeolt 4 dak adsorpsyo dege sabtler ρ p K İzleyc 30 C 40 C 50 C 60 C 70 C Beze Tolue Metaol seto Tablo 2 de görüldüğü gb çalışıla uçucu orgak bleşkler tümüü zeolttek adsorpsyou, bekleldğ gb sıcaklıkla azalmaktadır. Elde edle souçlarda Zeolt 4 da e y adsorplaa bleşğ metaol olduğu görülmektedr. Tablo 2 de verle souçlarda çalışıla zleycler zeolt 4 dak adsorpsyouu zleycler dpol mometde daha çok molekül yapısı, büyüklüğü ve polarte değerler br foksyou ola ksetrk faktörüyle uyumlu olduğu görülmektedr. yrıca lteratürde zeoltler alkoller daha y adsorpladıkları fade edlmektedr. Bu durum da elde edle souçlarla uyum çersdedr [2, 5-7]. Deeysel çalışmalarda kullaıla zleycler çalışıla zeolt peletdek adsorpsyo ısıları Va t Hoff eştlğ yardımıyla hesaplamıştır. Va t Hoff eştlğ gereğce l (ρ p K )-1/T grafğ çzlerek elde edle doğruları eğmde adsorpsyo ısıları bulumuştur. Bu şeklde elde edle doğruları eğmde hesaplaa adsorpsyo ısıları Tablo 3 te verlmştr. Tablo 3 tek değerler tüm zleycler zeoltte fzksel olarak adsorpladığıı göstermektedr. İzleyc pelet çersdek etk dfüzyo katsayısı kc merkez momet ç türetle teork fade çersde yer almaktadır (Eşt. 7). Eşt. 7 de görüldüğü gb, taşıyıcı gaz akış hızıa karşı µ 2c /µ 1c 2 fades grafğe geçrlrse doğruu eğmde etk dfüzyo katsayısı buluablr. Bu şeklde elde edle grafkler eğmde çalışıla zleycler ç etk dfüzyo katsayıları hesaplamış ve Tablo 4 te verlmştr. Bekleldğ gb sıcaklık artışıyla tüm zleycler etk dfüzyo katsayıları artmaktadır. Tablo 3. Deeysel çalışmalarda kullaıla uçucu orgak bleşkler Zeolt 4 dak adsorpsyo ısıları dsorpsyo ısısı, - H İzleyc Kcal/gmol Beze Tolue Metaol seto Tablo 4. Deeysel çalışmalarda kullaıla uçucu orgak bleşkler zeolt 4 dak etk dfüzyo katsayıları D e (cm 2 /s) İzleyc 30 C 40 C 50 C 60 C 70 C Beze Tolue Metaol seto

6 5. SEMBOLLER : Pelet kest alaı, cm 2 S g : Spesfk yüzey alaı, m 2 /g C : İzley üst bölmedek kosatrasyou, kmol/m 3 t : Zama, s C : İzleyc pelet gözeeklerdek T : Sıcaklık, C kosatrasyou, kmol/ m 3 V t : Üst bölme hacm, cm 3 C o : İzleyc üst bölmedek başlagıç z : Pelet çersdek dfüzyo kosatrasyou, kmol/ m 3 yöüdek koordat, m D e : Etk dfüzyo sabt, cm 2 /s Yua Harfler F : Taşıyıcı faz akış hızı, cm 3 /s ε p : Toplam gözeekllk K : dsorpsyo dege sabt, cm 3 /g µ 1 : Brc mutlak momet, s L : Pelet uzuluğu, cm µ 2 : İkc merkez momet, s 2 m : Momet fades geel taımı ρ p : Pelet görüür yoğuluğu, m ot : Üst bölme ç sıfırıcı momet g/cm 3 N : İzleyc katı yüzeye adsorpsyo τ : İzleyc üst bölmede, hızı mol/g alıkoma süres,s 6. KYNYKLR 1. Gaya,., Thompso, R.W., Dekewzc Jr., R., Lqud ad Vapor Phase dsorpto of Chlorated Volatle Orgac Compouds o Hydrophobc Molecular Seves, Mcroporous ad mesoporous materals, 40, , Varol, N., Uçucu Orgak Bleşkler Neml Toprakta Damk Davraışı, Yüksek Lsas Tez, Gaz Ü. Fe Blmler Esttüsü, kara, 130 s, Özta, Y., 1985, Çevre Krlemes, Karadez Ü. Basımev, o:94, Trabzo, 176 s. 4. Pres, J., Carvalho,., Carvalho, M.B., dsorpto of Volatle Orgac Compouds Y Zeoltes ad Pllared Clays, Mcroporous ad Mesoporous Materals, 43, , Ruthve, D.M., Prcples of dsorpto ad dsorpto Processes, Wley, New York, 433 s, Sakuth, M., Meyer, J., Gmehlg, J., Measuremet ad Predcto of Bary dsorpto Equlbra of Vapors o Dealumated Y-Zeoltes, Chem. Eg. ad Processg, 37, , Srvastava, N.C., Eames, I.W., Revew of dsorbets ad dsorbates Sold-Vapour dsorpto Heat Pump Systems, ppled Thermal Eg., 18, , Cabbar, H.C., Doğu, G., Doğu, T., McCoy, B.J., Smth, J.M., alyss of Dffuso ad Sorpto of Chlorated Hydrocarbos Sol by Sgle Pellet Momet Techque, Evro. Sc. Techol, 28, , Doğu, G., Smth, J.M., Rate Parameters from Dyamc Expermets wth Sgle Catalyst Pellets, Chem. Eg. Sc., 31, , Doğu, T., Yaşyerl, N., Doğu, G., McCoy, B.J., Smth, J.M., Oe-Sded Sgle-Pellet Techque for dsorpto ad İtrapartcle Dffuso, IChE J., 42, 2, , Yaşyerl, N., Doğu, G., Doğu, T., McCoy, B.J., Pulse-Respose Study for the Humdty Effect o Sorpto of Ethyl Bromde o Clays, IChE J., 45 (2), , 1999.