Yrd. Doç. Dr. Tamer COŞKUN. Mayıs Davutpaşa - İstanbul

Transkript

1 Yrd. Doç. Dr. Tamer COŞKUN Mayıs 01 Davutpaşa - İstanbul 1

2 İYON DEĞİŞTİRİCİ DİZAYN NOTLARI Sudaki belirli artı veya eksi yüklü iyonların sudan alınarak yerine aynı yüke sahip başka iyonların suya verilmesi, böylelikle sudaki iyon dengesinin korunarak belirli iyonların giderilmesi işlemine iyon değişimi denir. İyon değiştirme ile renk, sertlik, demir ve mangan, nitrat ve diğer inorganikler, ağır metaller ve organik maddeler giderilebilir. İyon değiştirici medya katyonik-asit iyon değiştirici veya anyonik-bazik iyon değiştirici olabilir. Su yumuşatmada en sık kullanılan iyon değiştirici malzemesi zeolit ve reçinedir. Ancak reçinenin iyon değiştirme kapasitesi zeolite oranla oldukça yüksektir. Sentetik iyon değiştiriciler 4 ana grupta toplanabilir. Bunlar güçlü ve zayıf katyon değiştiricilerle güçlü ve zayıf anyon değiştiricilerdir. Bazı iyon değiştirme mekanizmaları aşağıda örnek olarak gösterilmiştir. Güçlü asidik-katyon; R-SO H + Ca + (R-SO ) Ca + H + R-SO Na + Ca + (R-SO ) Ca + Na + Zayıf asidik-katyon; R-COOH + Ca + (R-COO) Ca + H + R-COONa + Ca + (R-COO) Ca + Na + Güçlü bazik-anyon; R-X NOH+ SO 4 - (R-X N) SO 4 + OH - R-X NCl+ SO 4 - (R-X N) SO 4 + Cl - Zayıf bazik-anyon; R-NH OH+ SO 4 - (R-NH ) SO 4 + OH - R-NH Cl+ SO 4 - (R-NH ) SO 4 + Cl - Yukarıdaki reaksiyonlarda R reçineyi, X özel bir grubu temsil etmektedir. Sularda sertliğe sebep olan Ca + ve Mg + iyonlarını gidermek için kullanılan katyonik iyon değiştiricilerde bu iyonların yerini Na + iyonu alır. Bu reaksiyon aşağıdaki gibidir. Na R + Ca (HCO ) Ca NaHCO Mg SO 4 Mg R + Na SO 4 Cl NaCl Yukarıda görüldüğü üzere Ca + ve Mg + iyonları reçinede tutulurken suya çözünmüş Na + iyonları verilmiş olur. Normal bir reçinenin hızı m/gün (m /m -gün) seviyelerindedir.

3 Reçine yatağı doygun hale geldiğinde artık Ca + ve Mg + iyonlarını tutmamaya başlar. Bu noktada yatağın rejenere edilmesi gerekir. Rejenerasyon malzemesi olarak katyon iyon değiştiricilerde genellikle NaCl kullanılır. Rejenerasyona kadar geçen sürenin uzunluğu yani yatağın iyon değiştirme kapasitesi yatağın cinsine bağlıdır. Örneğin zeolit için kapasite 0,05-0,1 eq/kg iken bu değer reçine için -10 eq/kg mertebesindedir. Rejenerasyon esnasında gerçekleşen reaksiyon aşağıdaki gibi gösterilebilir. Ca Ca Mg R + NaCl Na R + Mg Cl İyon değiştirici malzemenin gözenek çap aralığı 0,04-1,0 mm e kadar geniş bir aralıkta olabilir. Genellikle partikül çapı, etkili çap gibi değerler üreticiler tarafından sağlanır. İyon değiştirme meyili yüke ve partikül çapına bağlıdır. İyon değiştirmeye olan meyil yük ile doğru orantılı iken partikül çapı ile ters orantılıdır. Aşağıdaki tablolarda çeşitli anyon ve katyonların seçicilik katsayıları görülebilir: Tablo 1 Bazı Katyonların Seçicilik Ölçüleri (Metcalf ve Eddy, 00) Katyon Seçicilik Katyon Seçicilik Li + 1,0 Co +,7 H + 1, Cu +,8 Na +,0 Cd +,9 NH +,6 Be + 4,0 K +,9 Mn + 4,1 Rb +, Ni +,9 Cs +, Ca + 5, Ag + 8,5 Sr + 6,5 Mg +, Pb + 9,9 Zn +,5 Ba + 11,5 Tablo Bazı Anyonların Seçicilik Ölçüleri (Metcalf ve Eddy, 00) Anyon Seçicilik Anyon Seçicilik - HPO 4 0,01 - BrO 1,0 - CO 0,0 Cl - 1,0 OH - (1. tip) 0,06 CN - 1, F - 0,1 - NO 1, - SO 4 0,15 - HSO 4 1,6 CH COO - 0, Br -,0 - HCO 0,4 - NO,0 4,0 OH - (. tip) 0,5 0,65 I - 18,0 İyon değiştiricilerde dizayn iyon değiştirme dengesine göre yapılır. Bir katyon değiştirici reaksiyonunun genel eşitliği şu şekildedir: nr - A + + B +n R n - B +n + na +

4 burada; R - : reçine A +, B +n : reçinede tutulan iyonları göstermektedir. Bu reaksiyon için denge denklemi şu şekildedir: K A B n n Rn B A n n R A B burada; K A B = K A B : iyonik kuvvetin bir ölçüsü olan seçicilik katsayısıdır. Bu denklemden çeşitli ara işlemlerin sonucunda katyonların iyon değiştirmesi ile ilgili aşağıdaki denkleme ulaşılır: X B n K B C n 1 X n n A n n B C 1 X 1 X B burada; X +n B : katyonun sudaki konsantrasyon oranını n X B : reçine üzerinde tutulan katyonun reçinedeki konsantrasyon oranını n : katyonun değerliğini C : reçinenin toplam iyon değiştirme kapasitesini C : sudaki toplam katyon konsantrasyonu göstermektedir. X +n B : tutulacak katyonun sudaki konsantrasyonu / sudaki toplam katyon konsantrasyonu n X : reçinede tutulan katyonun konsantrasyonu / tutulan toplam katyon konsantrasyonu B Reçinelerin dizaynında yukarıdaki eşitliğin yanı sıra çeşitli dizayn kriterleri bilinmelidir. Bu dizayn kriterleri aşağıda topluca verilmiştir. Dizayn Kriterleri: B Tipik yatak derinlikleri Reçine yatağı çapı Debi İyon değiştirme kapasitesi Geri yıkama suyu miktarı Geri yıkama debisi Tuz debisi Tuz dozajı : 1- m : 0,6,4 m : 0, 0,6 m/dk (m /m -dk) : 50,000-80,000 mgcaco /L (1 1,6 eq/l) : % * yatak hacmi : 0,8 1, m/dk : 0,07 m /dk-m yatak : kg/m yatak hacmi Uygulanan tuz konsantrasyonu : % 10 1 NaCl 4

5 Durulama debisi Durulama hacmi : 0,7 m /dk-m yatak : 7 10 m /m yatak hacmi Dizayn Problemi: 8.0 m /gün debiye sahip bir suda sertlik gidermek amacıyla iyon değiştirme ünitesi tasarlanacaktır. Sudaki bazı katyonların konsantrasyonları aşağıda verilmiştir. Buna göre firmalara ait iyon değiştirici kataloglarından bir iyon değiştirici seçip gerekli hesaplamaları yapınız. Ca + : 50 mg/l Mg + : 1, mg/l K + : 78 mg/l Firma katalogları araştırılarak X firmasına ait Y iyon değiştiricisinde karar kılınmıştır. Seçilen bu iyon değiştiriciye ait bilgiler aşağıda verilmiştir. İyon değiştirici reçine yüksekliği : m İyon değiştirici çapı : m İyon değiştirici toplam yüksekliği : 4 m İyon değiştirme kapasitesi : 1,5 eq/l (bu değer firma kataloğunda verilmezse dizayn kriterlerindeki aralıktan seçilebilir. Sudaki katyonların konsantrasyonları meq/l cinsinden hesaplanmalıdır. Bu değerler aşağıdaki tabloda hesaplanmıştır. Katyon Kons. (mg/l) Mol ağ. (g/mol) Etki değ. Eşd. Ağ. (mg/meq) Kons. (meq/l) Ca ,5 Mg + 1, 4,4 1, 1 K Toplam katyon konsantrasyonu 5,5 Denge durumu yani reçinenin iyon tutma kapasitesinin tamamını kullandığı durumda reçinenin ne kadarının Ca + iyonu ne kadarının Mg + iyonu olduğu yatağın bir çevrim boyunca ne kadar sertlik giderdiğinin belirlenmesi açısından önemlidir. Bundan önce katyonların sudaki oranları bulunmalıdır. X Ca + =,5 / 5,5 = 0,45 n = K A B = 5, /,0 =,6 (5, ve,0 değerleri Tablo 1 den alınmıştır.) X Ca 1,5,6* 1 0,45 1 X 5,5 1 0, 45 Ca 5

6 X = 0,61 Ca X Mg + = 1 / 5,5 = 0,18 n = K A B =, /,0 = 1,65 (, ve,0 değerleri Tablo 1 den alınmıştır.) X Mg 1,5 1,65* 1 0,18 1 X 5,5 1 0, 18 Mg X Mg = 0, Yukarıda hesaplanan değerler denge durumunda reçinenin % 61 inin Ca + iyonu olduğu, % inin Mg + iyonu olduğunu göstermektedir. Bu durumda denge durumuna gelene kadar reçinenin ne kadar Ca + ne kadar Mg + tuttuğu bulunabilir. Y = 1,5 eq/l * 0,61 = 0,9 eq/l = 90 meq/l (Ca + için) Y = 1,5 eq/l * 0, = 0,48 eq/l = 480 meq/l (Mg + için) Dolayısıyla bu reçine bir çevrimde = meq/l sertliğe neden olan katyon tutar. Suyumuzda sertliğe sebep olan katyon miktarı ise,5 + 1,0 =,5 meq/l dir. Dolayısıyla reçine hacmi başına ne kadar su geçeceği hesaplanabilir meq / L 400 m su /m yatak hacmi olarak bulunur.,5meq / L Günde 1 çevrim yapılacaksa her çevrimde hesaplanacak reçine hacminden 8.0 m geçecek demektir. Dolayısıyla gerekli reçine hacmi: su V T 8.0m 0,8m reçine yatak hacmi 400m / m Dizaynda hesaplanan reçine hacminin 1, ile 1,5 kat fazlası alınır. Bu dizaynda 1,5 kat fazlasını alırsak: 0,8 m * 1,5 = 6 m reçine miktarı Seçtiğimiz iyon değiştiricinin 1 tanesindeki reçine miktarı: V * m * 4 6,8 m dür. Çalışan reçine sayısı ise: 6

7 6 4 adet olarak bulunur. 6,8 İyon değiştiricilerdeki debiyi 0,6 m/dk seçecek olursak bir çevrim için gerekli süre bulunabilir. 8.0m / 4a det * 0,6m / m dk * 4 =18,4 saat Geri yıkama suyu miktarını yatak hacminin % 75 i ve geri yıkama debisi 1 m/dk olarak alınırsa, geri yıkama suyu miktarı: 6,8 m * 0,75 = 4,71 m servis suyu (1 kolon için) (günlük) 4,71 m * 4 = 18,84 m toplam servis suyu (günlük) 4,71m * 1m / m dk * 4 1,5dk Günlük olarak uygulanan tuz dozajı 50 kg/m kullanılacak tuz miktarı: yatak hacmi olarak seçilirse 1 günde 50 kg/m * 6 m = kg NaCl olarak bulunur. Bu tuz iyon değiştiriciye % 10 luk çözelti olarak verilirse günlük olarak kullanılan tuz çözeltisi miktarı: 6.500kg %10 *1L / kg L 65m 4 kolonda toplam olarak kullanılan 65 m / 4 adet kolon = 16,5 m 1 kolonda günlük olarak kullanılan çözelti (aynı zamanda) Tuzlama debisi beher m yatak başına 0,07 m /dk olduğuna göre her kolondaki tuzlama çözeltisi debisi: 0,07 m /dk-m * 6,8 m = 0,44 m /dk dır. O halde tuz ile rejenerasyon için gereken süre: 16,5m 0,44m / dk 7,5dk olarak bulunur. Durulama için 10 m /m yatak hacmi kullanılırsa kullanılacak durulama suyu miktarı: 7

8 10 m /m yatak * 6,8 m yatak = 6,8 m (her çevrim için 1 kolondaki miktar) 6,8 m * 4 = 51, m (her çevrim için toplam kullanılan durulama suyu miktarıdır. Durulama suyu debisi beher m durulama suyu debisi: yatak başına 0,7 m /dk olduğuna göre her kolondaki 0,7 m /dk-m * 6,8 m = 1,7 m /dk dır. O halde durulama için gereken süre: 6,8m 1,7m / dk 7dk olarak bulunur. O halde 1 rejenerasyon için gerekli toplam süre : 18,4 saat * 60 dk/saat + 1,5 dk + 7,5 dk + 7 dk = 19,7 saat olarak bulunur. Bulunan bu süre kabul edilen 4 saatlik (1 gün) süreden daha kısa olduğundan 1 günlük çevrim süresi alınması uygundur. Normal işletme periyodunda 4 adet kolon sürekli olarak çalışacaktır. Servis süresi geri yıkama, tuzlama ve durulama için gereken sürelerden çok yüksek olduğundan 1 adet yedek kolon alınması yeterli olmakla birlikte çeşitli literatürlerde gereken kolon sayısının katı kadar kolon bulundurulması ile ilgili bilgilerde mevcuttur. Bu bilgi esas alınırsa seçilen iyon değiştirici türünden 8 adet bulundurulmalıdır. NOT: Genellikle firmaların iyon değiştirici kolon kataloglarında servis, geri yıkama, tuzlama ve durulama süreleri belirtilmektedir. Hesaplarda bu değerler kullanılabilir. Günde 1 rejenerasyon yerine 1 den fazla rejenerasyon yapılabilir. İyon Değiştirici İşletmesi: İyon değiştiricilerde vanalarla işletme, geri yıkama, tuzlama ve durulama işlemlerinin birbirinin ardı sıra yapılması sağlanır. Aşağıda bir iyon değiştiricinin işletme aşamalarında vanaların kullanılması ile ilgili çeşitli resimler bulunmaktadır. 8

9 KONTROL Na bazlı katyonik reçine Kaba Çakıl Orta Dereceli Çakıl Ince Dereceli Çakıl AÇIK KAPALI TUZLAMA FİLTRELENMİŞ SU YUMUŞAK SU TUZ TANKI DURULAMA KONTROL 9

10 AÇIK KAPALI TUZLAMA FİLTRELENMİŞ SU TUZ TANKI DURULAMA DRENAJ KONTROL AÇIK KAPALI TUZLAMA FİLTRELENMİŞ SU TUZ TANKI DRENAJ DURULAMA KONTROL 10

11 AÇIK KAPALI TUZLAMA FİLTRELENMİŞ SU TUZ TANKI DRENAJ DURULAMA KONTROL AÇIK KAPALI TUZLAMA FİLTRELENMİŞ SU TUZ TANKI DRENAJ DURULAMA KONTROL 11

12 AÇIK KAPALI TUZLAMA FİLTRELENMİŞ SU TUZ TANKI DURULAMA KONTROL REFERANSLAR: 1. C.C. Lee & S.D. Lin, Handbook of Environmental Engineering Calculations, McGraw-Hill, U.S./00.. ASCE, AWWA, "Water Treatment Plant Design", rd ed., McGraw-Hill, Metcalf&Eddy Wastewater Engineering Treatment and Reuse, McGraw-Hill, New Delhi/ S.R. Qasim, E.M. Motley, G. Zhu, Water Works Engineering Planning Design and Operations Prentice Hall,