ULEKSİTİN SO 2 İLE DOYURULMUŞ SULARDA ÇÖZÜNMESİ SONUCU ELDE EDİLEN SÜSPANSİYONLARIN SÜZÜLEBİLİRLİĞİNİN OPTİMİZASYONU

Transkript

1 ULEKSİTİN SO 2 İLE DOYURULMUŞ SULARDA ÇÖZÜNMESİ SONUCU ELDE EDİLEN SÜSPANSİYONLARIN SÜZÜLEBİLİRLİĞİNİN OPTİMİZASYONU Ö. KÜÇÜK, M.M. KOCAKERİM Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, ERZURUM okucuk@atauni.edu.tr ÖZET Bu çalışmada, uleksitin SO 2 ile doyurulmuş sularda 90 o C de çözündürülmesi sonucu elde edilen süspansiyonların Çapraz Akış Mikrofiltrasyon tekniği ile süzülebilirliğinin optimum şartları Taguchi metodu kullanılarak belirlenmiştir. Deneysel parametre olarak transmembran basıncı, çapraz akış hızı ve membran por boyutları seçilmiştir. Sızıntı akışı, kpa transmembran basıncında, 3,8-8,3 L.dak -1 çapraz akış hızında ve çeşitli por boyutlarına sahip membranlar kullanılarak ölçülmüştür. Partikül konsantrasyonu 22,9 g.l -1, sıcaklık 30 o C ve ph 7,33 de sabit tutulmuştur. Sonuç olarak optimum şartların 300 kpa transmembran basıncı, 8,3 L.dk -1 çapraz akış hızı ve 2,5 µm por boyutuna sahip seluloz asetat olarak tespit edilmiştir. Belirlenen bu optimum şartlarda tahmin edilen filtrat hacmi 1540 ml ve deneysel olarak bulunan değer 1572 ml dir. Anahtar Kelimeler: Optimizasyon, Uleksit, Cross-flow filtrasyon, SO 2, Taguchi metodu 1. GİRİŞ Mikrıfiltrasyon bir filtrasyon türü olup iki genel biçime sahiptir. Birincisi çapraz akış ayırmadır. Çapraz akış ayırmada bir akışkan akımı bir mebrana paralel olarak hareket eder. Membranın her iki yüzeyi arasında basınç farkı vardır. Bu basınç farkı akışkanın membran içerisinden geçişine sebep olur. Diğer bir filtrasyon türü de dead-end filtrasayon veya dik filtrasyon olarak adlandırılır. Dead-end filtrasyonda, akışkanın tümü membrandan geçer ve membran gözenek boyutundan büyük olan patiküllerin tamamı membran tarafından engellenir. Çapraz akış mikrofiltrasyon, bir çok uygulama alanlarında kullanılır. Mikrofiltrasyon yaklaşık olarak 0,01 ila 20 µm boyutlu küçük tanecikler ve kolloidler içeren bir süspansiyonun filtre edilmesi olarak tanımlanmıştır. Akışkan hem sıvı hem de gaz olabilir. Çapraz akış mikrofiltrasyon hakkında bir çok araştırma mevcuttur[1-7]. Bununla birlikte, yapılan literatür taramasında çapraz akış mikrofiltrasyonda Taguchi metodunun kullanıldığı bir optimizasyon çalışmasına rastlanılmamıştır. Bu yüzden bu çalışmada, uleksitin SO 2 ile doyurulmuş sularda 90 o C de çözündürülmesi sonucu elde edilen süspansiyonların çapraz akış mikrofiltrasyon ile süzülebilirliğinin optimum şartları Taguchi metodu kullanılarak belirlenmiştir. 2. MATERYAL VE METOD Denemelerde kullanılan uleksit cevheri, Bigadiç yöresindeki kaynaklardan temin edilmiştir. Cevher safsızlıklardan temizlenmeden direkt maden yatağından çıkarıldığı şekliyle alınıp

2 laboratuar boyutunda bir kırıcı ile kırılmış ve öğütücü ile öğütülmüştür. Öğütülen cevherin hem X-ray difraktogramı çekilmiş (şekil 1) ve hem de kimyasal analizleri yapılmış olup cevher in %35.85 B 2 O 3, %15.22 CaO, %6.38 Na 2 O, %29.67 H 2 O, %5.38 MgO ve %7.5 SiO 2 +diğerleri içerdiği tespit edilmiştir. Optimizasyon çalışmalarında, öğütülen bu cevher önce saf su ile ön yıkamaya tabi tutularak içerdiği safsızlıklardan arındırılmıştır. Daha sonra bu mineralden belirli bir miktar alınarak, SO 2 ile doyurulmuş saf suda kaynama noktasında çözündürülmüştür. Çözünme sonucu oluşan Ca(HSO 3 ) 2, Mg(HSO 3 ) 2, reaksiyon (1) ve (2) nin bir sonucu olarak CaSO 3.xH 2 O ve MgSO 3.yH 2 O şeklinde çöktürülmüştür. Optimizasyon deneyleri, bu çöken kısmın optimum filtrasyon özelliklerinin belirlenmesi amacı ile yapılmıştır. Ca + + (1) ısı ( HSO3 ) 2( aq) ( x 1) H 2O CaSO3. xh 2O( k ) SO2( g ) Mg + + (2) ısı ( HSO3 ) 2( aq) ( y 1) H 2O MgSO3. yh 2O( k ) SO2( g ) Süzme çalışmalarında kullanılan çözeltideki katı kısmın X-ray difraktogramı şekil 2 de verilmiştir. Denemelerde kullanılan sistem 20 L kapasiteli bir besleme tankı içermektedir. Çapraz akış mikrofiltrasyon ünitesi 155 cm 2 lik bir süzme alanına sahip ve 2 mm lik akış kesit alanına sahiptir. Fakat bu yüzey alanı deneylerde yüksek akı verdiğinden dolayı bu çalışma için yüzey alanı küçültülmüş ve 9 cm 2 olarak alınmıştır. Deneylerin yapılışı şu şekildedir: Hazırlanan bulamaç tank içerisine ilave edildikten sonra, her deneyde geri devrettirilerek tank içeriğinin iyice karıştırılması sağlanmıştır. Besleme tankındaki sıcaklık, tank içerisine yerleştirilen bir soğutucu yardımı ile sabit tutulmuştur. Sistemdeki istenilen basınç değişiklikleri, giriş ve çıkışta bulunan vanaların daha önceden belirlenmiş pozisyonlarda bırakılmasıyla elde edilmiştir. Arzu edilen koşullar sağlandıktan sonra, geri devir vanası elde edilecek çapraz akış hızına göre kısılarak, sisteme giden vana tamamen açılmıştır. Sisteminden çıkan sızıntı hassas bir teraziye gönderilmiş ve terazinin ölçtüğü miktar bir bilgisayar yardımı ile her 15 saniyede bir kaydedilmiştir. Deneyler 2,5 saat sürmüş ve deney sonunda, bir sonraki deney şartları ayarlanarak, membranın değiştirilmesi için sistem durdurulmuştur. Besleme tankındaki konsantrasyonun değişmemesi için, oluşan kek ve filtrat, besleme tankına geri boşaltılmıştır. Maliyetleri en düşük seviyede tutmak için, en az deney yapma prensibine dayanan yöntemlerden birisi de Japon bilim adamı Genichi Taguchi nin geliştirmiş olduğu Taguchi Yöntemi dir [8]. Bu yöntemin diğer istatistiksel deney tasarım yöntemlerinden farkı; bir deneyi etkileyen parametreleri, kontrol edilebilen ve kontrol edilemeyen olmak üzere iki grupta incelemesi ve çok sayıda parametreyi ikiden fazla seviyede incelemeye imkan sağlamasıdır. Genellikle, ürün veya prosesin her birinin performans karakteristiği nominal değer veya hedef değere sahip olmalıdır. Amaç, bu hedef değer etrafındaki değişebilirliği azaltmaktır. Deneysel çalışma sonunda belirlenecek optimum çalışma şartları, farklı çalışma ortamları veya farklı zamanlarda her zaman aynı veya birbirine çok yakın performans değerini verebilmelidir. Bunun için kullanılacak optimizasyon kriteri, performans değeri etrafındaki değişkenliğin minimum düzeyde tutulmasını kontrol edebilmelidir. Taguchi ye göre, böyle bir optimizasyon kriteri performans istatistiğidir. Performans istatistiği formülleri aşağıdaki gibidir. En büyük en iyi için: SN En küçük en iyi için: SN L S n 1 1 = 10 Log 2 n n= 1 y (3) n 1 2 = 10 Log y n n= 1 (4)

3 2 Hedef değer en iyi: SN N 10Log( y S) = (5) Burada n: tekrar edilen deney sayısı, y:deney sonundaki filtrat hacmidir. Bir proseste, amaç maksimum değere ulaşmak ise, SN L yi maksimum yapan parametre seviyeleri optimumdur. Eğer amaç minimuma ulaşmaksa SN S yi maksimum yapan parametre seviyeleri optimumdur[9]. Taguchi yönteminde belirlenen optimum çalışma şartlarına karşılık gelen deney, rasgele seçilen deney planı tablosunda bulunmayabilir. Bu durumda performans değeri, Y it = µ +X i + e i (6) eşitliği yardımı ile tahmin edilebilir. Burada Y it : i. deneyin tahmin edilen performans değeri, X i : i. deneyde kullanılan parametre seviyelerinin toplam etkinlik boyutu, e i : deneysel hatadır. Deney sonuçları yüzde olarak verilmişse Y it değeri hesaplanmadan önce yüzde değerleri Ωi=-10.Log(y i /(1-y i )) (7) formülü yardımı ile debisel değerine çevrilir. Mevcut çalışmalardaki denemelerde kullanılan parametreler ve seviyeleri Tablo 1 de verilmiştir. Optimizasyon çalışmaları için belirlenen parametre sayısı üç olup bir parametre için 6 seviye, iki parametre içinde 3 faklı seviyenin incelenmesi düşünülerek L 18 (6 1 x3 2 ) Taguchi faktöriyel fraksiyonel deney tasarımı planı belirlenmiş ve deney sonuçları ile birlikte Tablo 2 de verilmiştir. Proses üzerine gürültü faktörünün etkisini belirlemek için, her bir deney farklı zamanlarda aynı şartlar altında iki kez tekrar edilmiştir. Tahmin edilen değer ile bulunan değer arasındaki hata için güven aralığı değerlendirilmelidir. Burada tahmini hata, gözlenen Y i ile deneysel olarak bulunan Y i arasındaki farktır. Tahmini hata için güven aralığı aşağıdaki formüller yardımı ile hesaplanır Se = ± 2 σ e + σ e (8) n0 nr sum of squares due to error σ 2 = e degrees of freedom for error (9) 1 n o 1 1 = + n na i n nb i n nci 1... n (10) Burada, S e iki standart sapmanın güven aralığı, n tasarımdaki deney sayısı, n r doğrulama deneyinin tekrar sayısı and n A i, n B i, n C i,... ise, B, C parametrelerine ait deney sayısıdır. i i Doğrulama deneyi control edilen parametreler arasındaki etkileşimleri ortaya çıkarmak için güçlü bir araçtır. Eğer tahmin edilen değer bu şartlar altında bulunan değere uymazsa o zaman iç etkileşim önemli demektir. Eğer uyarsa iç etkileşim önemsizdir ve bu model doğrudur[10]. A i

4 3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 3.1. Filtrasyon Çözeltinin Hazırlanması Sırasındaki Çözünme Reaksiyonları Çözünme boyunca aşağıdaki reaksiyonlar meydana gelir; SO 2aq) + H 2 O (l) H 2 SO 3(aq) (11) H 2 SO 3(aq) + H 2 O (l) H 3 O + + HSO 3 - (aq) (12) Na 2 O.2CaO.5B 2 O 3.16H 2 O (s) +6H 3 O + 2Na + (aq)+2ca +2 (aq)+10h 3 BO 3(aq) +10H 2 O (13) Buradan, toplam reaksiyon, Na 2 O.2CaO.5B 2 O 3.16H 2 O (s) + 2H 2 O + 6SO 2(g) 2Na + (aq) + 2Ca +2 (aq) + 6HSO 3 - (aq) + 10H 3 BO 3(aq) (14) olur. Uleksitin SO 2 ile doyurulmuş sularda çözünmesi sonucu elde edilen çözelti kaynatıldığı zaman aşağıdaki toplam reaksiyon gerçekleşir.. 2Na + +2Ca +2 +6HSO H 3 BO 3 +(2x-18)H 2 O 2CaSO 3.xH 2 O +2Na + +B 10 O SO 2 (15) Ortamdaki magnezyum da benzer şekilde MgSO 3.yH 2 O oluşturur. Süzme çalışmalarında bu çözelti kullanılmıştır 3.2. İstatistiksel Analiz Elde edilen veriler Minitab R13 paket programı ile analiz edilmiştir. Filtrasyon işlemindeki etkin parametreleri ve parametrelerin güven seviyelerini görmek için varyans analizi yapılmıştır. Performans karakteristikleri ve varyans analizleri ile proses parametrelerinin en uygun kombinasyonları önceden tahmin edilebilir. Varyans analizi sonuçları tablo 3 de verilmiştir. Optimum süzülebilirlik performansını elde edebilmek için en büyük en iyi performans karakteristiği kullanılmıştır. Elde edilen veriler şekil 3 de grafik edilmiştir. Optimum şartlar SN L yi maksimum yapan değerler olup, şekil 3 incelendiğinde, maksimum değerlerin membran tipi ve por boyutu için 5. seviye, çapraz akış hızı için 3. seviye ve transmembran basıncı için ise 2. seviye olduğu görülmektedir. Bundan dolayı bu proses için optimum şartlar 2,5 µm etil asetat membran, 8,3 L.dak -1 çapraz akış hızı ve 300 kpa transmembran basıncıdır ve bu şartlarda tahmin edilen filtrat hacmi 1540 ml olup deneysel olarak bulunan değer ise 1572 ml dir. Eşitlik 8-10 den hesaplanan güven aralığı (S e ) değeri ±302,4 dür. Doğrulama deneylerinden elde edilen filtrat hacmi, eşitlik 8-10 den hesaplanan güven aralığı içerisindedir. Bu durum tahmin edilen değerle deneysel olarak bulunan değer arasında iyi bir uyumun olduğunu, parametrelerin iç etkileşimlerinin önemsiz olduğunu belirtir Sonuç Şekil 3 incelendiğinde SN L değerini maksimum yapan parametre seviyeleri, A 5, B 3 ve C 2 olduğu görülmektedir. Dolayısıyla elde edilen filtrat hacmini maksimum yapan parametre değerleri A 5, B 3 ve C 2 olacaktır. Sonuç olarak, orijinal uleksitin SO 2 ile doyurulmuş sularda çözünmesi sonucu elde edilen süspansiyonların süzülebilirliği istatistiksel olarak analiz edilmiş olup, analiz sonucunda uleksitin süzülebilirliğini maksimum yapan şartlar belirlenmiştir. Optimum şartlar, transmembran basıncı için 300 kpa, çapraz akış hızı için 8,33 L.dak -1 ve membran por boyutu için 2,5 µm por boyutuna sahip selüloz asetat membran olarak tespit edilmiştir. Optimum şartlar

5 altında tahmin edilen filtrat hacmi 1540 ml ve deneysel olarak bulunan değerde 1572 ml dir. Tahmin edilen değerin deneysel değere çok yakın çıkması, parametreler arasında bir iç etkileşimin olmadığını ve modelin parametrelerin etkisini açıklamakta yeterli olduğunu göstermektedir. Bu çalışma, literatürde filtrasyon çalışmalarında taguchi metodunun kullanıldığı böyle bir optimizasyon çalışmasına rastlanılmamış olması dolayısıyla ilktir. KAYNAKLAR [1]. Ould-Dris, A., Jaffrin, M.Y., Si-Hassen, D., Neggaz, Y., Analysis of cake build-up and removal in cross-flow microfiltration of CaCO 3 suspension under varying condition, Journal of Membran Science 175, [2]. Si-Hassen, D, Ould-Dris, A., Jaffrin, M.Y., Benkahla, Y.K., Optimisation of an intermittent cross-flow filtration process of mineral suspensions, Journal of Membran Science 118, [3]. Wiesner M.R., Clark, M.M., Members Associate, ASCE, and Mallevialle, J., Membrane Filtration of Coagulated Suspensions. Env. Eng. Sci., 115, pp [4]. Fradin, B., Field, R.W., Crossflow microfiltration of magnesium hydroxide suspensions: determination of critical fluxes, mesurement and modelling of fouling. Seperation and Purification Technology 16, [5]. Wendy D. Mores, Christopher N. Bowman, Robert H. Davis., Therical and experimental flux maximization of backpulsing. Journal of Membran Science 165, [6]. Martin Rainer, Wilhelm Höflinger, Walter Koch, Elmar Pongratz, Dietmar Oechsle, D-flow simulation and optimization of a cross flow filtration with rotating discs. Separation Purification Technology, 26, [7]. Vyas, H.K., Mawson, A.J., Bennett, R.J., Marshall, A.D., A new method for estimating cake height and porosity during crossdlow filtration of particulate suspensions. Journal of Membran Science, 176, [8]. Taguchi. G., System of Experimental Design. Quality Resources: New York, vol.1. [9]. Montgomery, D.C., Design and Analysis of Experiments, John Wiley & Sons Inc., ABD., 1991 [10]. Phadke, M. S. (1989). Quality Engineering using Robust Design, pp , Prentice Hall: New Jersey. Şekil 1. Uleksit cevherinin X-ray difraktogramı

6 Şekil 2. Süzme çalışmalarında kullanılan çözeltideki katı kısmın X-ray difraktogramı Table 1. Parameters Level A Membran por boyutu (µm) 0,2 0,45 1 0,45 Etil Asetat Mavi bant Siyah bant PTFE PTFE PTFE B Çapraz Akış Hızı (L.dk -1 ) 5,3 6,8 8,3 C Transmembran basıncı (kpa) Table 2. Deney No Parametreler ve seviyeleri Son hacim (ml) Deney(I) Son hacim (ml) Deney(II) Ortalama Son hacim (ml) A B C , , , , , , , , , , , , , , , ,5

7 Table 3. Parametreler Serbestlik Derecesi Kareler Toplamı Kareler Ortalaması A Membran tipi ve por boyutu (µm) ,78 B Çapraz Akış Hızı (L.dk -1 ) ,64 C Transmembran basıncı (kpa) ,79 Hata Toplam F Şekil 3: Parametre seviyelerine göre SN ort değerleri