FENOLÜN SULU ÇÖZELTİSİNİN DAMLAMALI YATAKLI REAKTÖRDE KATALİTİK ISLAK HAVA OKSİDASYONU

Transkript

1 FENOLÜN SULU ÇÖZELTİSİNİN DAMLAMALI YATAKLI REAKTÖRDE KATALİTİK ISLAK HAVA OKSİDASYONU Tamer BEKTAŞ, Ferhan S. ATALAY, Canan URAZ Ege Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümü, İzmir ÖZET Bu çalışmada sulu çözeltideki fenolün damlamalı yataklı bir reaktörde ıslak hava oksidasyonu incelenmektedir. Çalışmanın amacı bir katalizör varlığında sulu fenolçözeltisinin oksijen ile reaksiyonu için gereken optimum reaksiyon koşullarının tespit edilmesidir. Bunun için laboratuar koşullarında hazırlanan reaktör sisteminde fenolün dönüşümüne sabit basınçta sıcaklığın, gaz debisinin, sıvı boşluk hızının, fenolün başlangıç konsantrasyonu ve sabit sıcaklıkta basıncın etkisi incelenmiştir. Katalizör olarak ticari bir katalizör olan bakır kromit kullanılmıştır. Yapılan deneyler sonucu fenolün dönüşümünün sıcaklık, basınç, gaz debisi ve boşluk hızının artması ile arttığı, fenolün başlangıç konsantrasyonunun artması ile azaldığı görülmüştür. Fenolün dönüşümü 4 bar basınçta, 13 o C de % 4 civarına kadar çıkmaktadır. Ayrıca reaksiyon sonrası elde edilen çıkış akımında yapılan analiz sonucu bakıra rastlanmıştır, bu da katalizörün yapısındaki bakırın reaksiyon esnasında sıvı akıma karıştığını göstermektedir. Anahtar Kelimeler Fenol; katalitik ıslak hava oksidasyonu; damlamalı yatak reaktör, bakır kromit. 1. GİRİŞ Birçok endüstriyel proseste üretilen atık sular, genelde toksik ya da direk olarak biyolojik arıtıma verilemeyen organik bileşikler içermektedir. Bu endüstriyel atık sular doğaya bırakılmadan önce mutlaka temizlenmelidir. Dolayısı ile etkili atık su giderimi teknolojilerinin geliştirilmesi bütün dünyada önemli bir konu haline gelmiştir. Islak hava oksidasyonu ya da termal sıvı fazı oksidasyonu, direk olarak biyolojik arıtıma verilemeyen toksik kirleticiler ya da yüksek miktarda organik madde (kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) - g/l) içeren atık suların giderilmesi için çok büyük potansiyele sahiptir [1]. Genelde, bu sulu fazda yanma prosesi yüksek sıcaklık ( K) ve basınçlarda (- bar) oksijen varlığında meydana gelmektedir [2]. Islak hava oksidasyonu proseslerinde, suda çözünmüş olan organik kirleticiler, ya kısmi yanmaya uğrayarak biyolojik arıtıma tabi tutulabilen ara organik maddelere ya da tam yanmaya uğrayarak CO 2, H 2 O ve inorganik tuzlar gibi inorganik maddelere dönüşebilirler [3]. Islak hava oksidasyonu ile karşılaştırıldığında, katalitik ıslak hava oksidasyonu daha az enerji gereksinimine sahiptir. Bir katalizör varlığına bağlı olarak çok daha yüksek oksidasyon hızları elde edilebilir ve sonuçta, katalizörsüz sistemle karşılaştırıldığında aynı miktardaki KOİ nı azaltmak için daha düşük reaksiyon sıcaklığı ve basıncı yeterli olabilmektedir [4]. Katalitik ıslak hava oksidasyonu prosesinde, katalizörsüz sistemlere göre çok daha düşük sıcaklık ve basınçlarda organik maddeler CO 2, ve H 2 O gibi inorganik maddelere dönüştürülmektedir [,6]. Bu çalışmada fenolün sulu çözeltisi içinde damlamalı yatak reaktörde bakır kromit katalizör kullanılarak ıslak hava oksidasyonu incelenmektedir.

2 2. DENEYSEL Bu çalışmada katalizör olarak Engelhard firmasından elde edilen bakır kromit (Cu-3) kullanılmıştır. Bu katalizörün kimyasal kompozisyonu ağırlıkça %67-77 bakır oksit, %-3 bakır kromit ve %1-3 sentetik grafitten oluşmaktadır. Katalizör 1/8 inç çapında pelet şeklindedir. Laboratuar ölçülerinde hazırlanmış reaktör sistemi, piston pompa, reaktör, soğutucu ve ürün toplama tankından oluşmaktadır.fenolün sulu çözeltisi piston pompa ile reaktöre tepeden verilmektedir. Reaktant olarak kullanılan oksijen saf olarak reaktöre yine tepeden verilmektedir. Reaktör 3 kısımdan oluşmaktadır. Dağıtıcı kısmı (sıvı ve gazın karşılaştığı yer) inert malzemenin konduğu kısım ve katalizörün yerleştirildiği kısım. Fenolün reaktöre geliş hattında bir ön ısıtma ve reaktörün etrafında da bir ısıtma sistemi vardır. Isıtma işlemi reaktörün etrafına sarılmış resistans telleri ile gerçekleştirilmektedir. Reaktördeki sıcaklık PID kontrol cihazı ile kontrol edilmektedir. Reaktörün çıkışında bir iğne vana bulunmaktadır. Bu vana ile reaktör içindeki basınç ve reaktörden geçen oksijenin debisi kontrol edilmektedir. Reaktörden çıkan akım soğutucunun içinden geçtikten sonra toplama tankında biriktirilmektedir. Reaktörden çıkan akımdan eşit zaman aralıklarında örnek alınmakta ve bu örneğin analizi Jasco Model 78 UV/VIS Spektrofotometrede yapılarak akımdaki fenol miktarı tespit edilmektedir. Reaktör deney sistemi aşağıdaki gibidir. TC Rotametre Ön Isıtıcı Oksijen PID Fenol Manometre TC Isılçift İğne vana Piston pompa Soğutucu Şekil 1: Reaktör sistemi. Reaksiyon esnasında sıvı akıma bakırın karışıp karışmadığını tespit etmek için, her deney sononda çıkış akımından örnek alınmış ve bu örneğin bakır analizi Varian Spectra AA-Plus atomik absorpsiyon Spektrometre cihazında yapılmıştır. Tablo 1 de yapılan deneylerdeki reaksiyon şartları verilmektedir. Fenolün dönüşümü aşağıdaki bağıntıdan bulunmuştur; Boşaltım vanası X Fenol (C = Fenol, C - C Fenol, Fenol,t ) x

3 3. SONUÇLAR Sulu çözeltideki fenolün ıslak hava oksidasyonu damlamalı reaktörde değişik reaksiyon şartlarında denenmiştir.ilk olarak sabit basınçta sıcaklık değişiminin fenol dönüşümüne etkisini bulmak için 4 bar basınçta 1, 1 ve 13 o C sıcaklıkta denemeler yapılmıştır. Şekil 2 de değişen sıcaklıklarda zamana göre fenolün dönüşümü gösterilmektedir. Bu denemeler sonucu dönüşümün 1 o C de % 23 civarında, diğer sıcaklıklarda % 4 civarında olduğu görülmektedir. Dolayısı ile sabit basınçta dönüşüm sıcaklık ile artmaktadır. Tablo 1: Yapılan deneylerdeki reaksiyon şartları. Deney No P (Bar) T ( o C) Q Oksijen. (ml/dak.) Boşluk hızı (g kat.s/mol) C Fenol, (mg/l) T=1 C T=1 C T=13 C Şekil 2: Sabit basınç, oksijen debisi, boşluk hızı ve fenol başlangıç konsantrasyonunda sıcaklığın dönüşüme etkisi. İkinci grup deneylerde sabit basınç ve sıcaklıkta oksijenin debisi değiştirilmiştir. Deneylerden elde edilen sonuçlara göre oksijen debisi arttıkça dönüşümün arttığı görülmüştür. Bu da yüksek dönüşüm için yüksek oksijen debisinin olması gerektiğini göstermektedir. Bu deneylerle ilgili sonuçlar Şekil 3 te verilmektedir. Şekil 4 te boşluk hızı değişiminin fenolün dönüşümüne olan etkisi görülmektedir. Boşluk hızlarını elde etmek için reaktöre yapılan katalizör yüklemesi sabit tutulup fenol çözeltisinin debisi değiştirilmiştir. Deneylerden elde edilen sonuçlar karşılaştırıldığında boşluk hızının g kat. s/mol (sıvı debisi 1. ml/dak.) olduğu durumda dönüşümün düşük, diğer

4 değerlerde ise birbirine yakın olduğu görülmektedir. Dolayısı ile bu deney sisteminde sabit katalizör yüklemesinde sıvı debisi.-1 ml/dak. arasında olmalıdır Oks. Debi=333 ml/dak. Oks. Debi=268 ml/dak. Oks. Debi=9 ml/dak. Şekil 3: Sabit basınç, sıcaklık, boşluk hızı ve fenol başlangıç konsantrasyonunda oksijen debisinin dönüşüme etkisi. 4, 4, 3, 3, 2,,,,,, 3 Boşluk hızı=272.3 g kat. s/mol Boşluk hızı= g kat. s/mol Boşluk hızı= g kat. s/mol Şekil 4: Sabit basınç, sıcaklık, oksijen debisi ve fenol başlangıç konsantrasyonunda boşluk hızının dönüşüme etkisi. Dördüncü grup deneylerde ise diğer parametreler sabit tutulup fenolün başlangıç konsantrasyonu değiştirilmiştir. Şekil ten de anlaşılacağı üzere En yüksek dönüşüm en düşük başlangıç konsantrasyonunda elde edilmiştir. Bir diğer değiştirilen parametre ise basınç olmuştur. 4 ve bar basınçta yapılan deneyler sonucu bar basınçtaki dönüşümün 4 bar basınçtakine göre az bir farkla yüksek olduğu görülmüştür. Basınç değişiminin dönüşüme olan etkisi Şekil 6 da gösterilmektedir. Basıncın etkisinin daha net gözlenebilmesi için daha yüksek basınç değerlerinde denemeler yapılmalıdır. Her deneyden sonra yapılan bakır analizinde sıvı akımda bakır tespit edilmiştir. Bakır miktarları Tablo 2 de verilmektedir.

5 mg/l mg/l mg/l Şekil : Sabit basınç, sıcaklık, oksijen debisi ve boşluk hızında fenolün başlangıç konsantrasyonunun dönüşüme etkisi P= 4 bar P= bar Şekil 6: Sabit sıcaklık, oksijen debisi, boşluk hızı ve fenol başlangıç konsantrasyonunda basıncın dönüşüme etkisi. Tablo 2: Deneylere göre sıvı akımdaki bakır miktarları. Deney No Bakır miktarı (ppm) SEMBOLLER C Fenol, Başlangıçtaki fenol konsantrasyonu, mg/l C Fenol,t Herhangi bir zamandaki fenol konsantrasyonu, mg/l P basınç, bar T Sıcaklık, o C Q Oksijen Oksijenin debisi, ml/dak. X Fenol Fenol dönüşümü.

6 . KAYNAKLAR 1. Fortuny A., Bengoa C., Font J., Castells F. and Fabregat A.; Water pollution abatement by catalytic wet air oxidation in a trickle bed reactor ; Catalysis Today, Vol:3, Issue:1, October 1999, pages: Levec J., Pintar A., Catalytic oxidation of aqeous solutions of organics. An effective method for removal of toxic pollutants from waste waters ; Catalysis Today, Vol:24, 199, pages: Miro C., Alejandre A., Fortuny A., Bengoa C., Font J. and Fabregat A.; Aqueous phase catalytic oxidation of phenol in a trickle bed reactor: effect of ph ; Water Research, Vol:33, Issue:4, March 1999, pages: Pintar A., Bercic G., Levec J., Catalytic liquid phase oxidation of aqueous phenol solutions in a trickle bed reactor, Chemical Eng. Sci., Vol: 2, 1997, pages: Lin S. S., Chen C. L., Chang D. J., Chen C. C., Catalytic wet air oxidation of phenol by various CeO 2 catalysts, Water Research, Vol: 36, 2, pages: Luck F., Wet air oxidation: past, present and future, Catalysis Today, Vol: 3, 1999, pages: