MEMM4043 metallerin yeniden kazanımı

Transkript

1 metallerin yeniden kazanımı güz yy. Prof. Dr. Gökhan Orhan MF212

2 katot - + Cu + H 2+ SO 2-4 OH- Anot Reaksiyonu Cu - 2e - Cu 2+ E 0 = + 0,334 Anot Reaksiyonu 2H 2 O O 2 + 4H + + 4e - E 0 = 1,229-0,0591pH Katot Reaksiyonu Cu e - Cu E 0 =

3 Rafinasyon ve redüksiyon elektrolizlerinde katot reaksiyonları aynı iken anot reaksiyonları tamamen farklıdır. Rafinasyon elektrolizinde anottan çözünen metal iyonları katotta redüklenirken, redüksiyon elektrolizinde çözünmeyen anotlar (kurşun alaşımları, titanyum, platin, grafit, paslanmaz çelik v.b.) kullanıldığından anot reaksiyonu elektrolitte bulunan bir anyonun veya molekülün oksidasyonu ile sağlanmak zorundadır. Sulu çözeltilerde genellikle anodik reaksiyon; suyun disosiyasyon ürünü olan OH- iyonunun oksidasyonudur. OHiyonunun anodik oksidasyon ürünü ise gaz halinde oksijen deşarjıdır.

4 , bir elektrolit ile temas halinde olan elektrotlara dışarıdan bir elektromotor- kuvveti uygulayarak kimyasal bir reaksiyonun gerçekleştirilmesidir. hücresi iki veya daha çok elektrodun bir elektrolit içine bulunduğu sistemlerdir. Elektrik akımını bir sıvı, katı veya gaz faza ileten ve yüzeylerinde kimyasal reaksiyonların meydana geldiği iletkenler elektrot olarak tanımlanır. Hücrede elektrodlar anodun pozitif, katodun negatif yükleneceği yönde dış akım kaynağına bağlanmıştır, yani elektrolit dışında elektronların hareket yönü anottan katoda, elektrolit içinde ise katottan anoda doğrudur. Devreye akım verildiğinde çözeltide mevcut pozitif yüklü iyonlar (Mez+) elektriksel çekimin etkisiyle katoda yönelirler; buna karşın negatif yüklü iyonlar (X-) ise anoda yönelirler. Bu nedenle elektrolizde katot (-), anot ise (+) olarak işaretlenir.

5 temel ilişkiler Faraday Kanunu : m = A I t n F Nerst Denklemi : E = E n log a i Tafel Bağıntısı : η = a + b log i

6 temel büyüklükler Aşırı Voltaj : konsantrasyon fazla voltajı ( K ), difüzyon voltajı ( D ), reaksiyon voltajı ( R ), aktivasyon voltajı ( A ), kristalizasyon voltajıdır ( Kr ). T = K + D + R + A + Kr +... Parçalanma Voltajı : E P = E Anot + E Katot Hücre Voltajı : E Hücre = E P + T + (I x R )

7 MEMM4043

8 in gerçekleşmesi için, yani örneğin bakır iyonlarının katotta redüklenerek metal halinde kristalize olması için gereken en düşük potansiyale Parçalanma Voltajı denir. Başka bir değişle parçalanma voltajı; anot ve katot polarizasyonları toplamıdır. E p : Parçalanma Voltajı E A : Anot polarizasyonu E K : Katot polarizasyonu E p = E A + E K

9 esnasında ulaşılması gereken hücre potansiyeli bunların toplamına eşittir. E H = E p + T + (I x R) E H : Hücre gerilimi [V] E p : Parçalanma gerilimi [V] T : tüm fazla voltajlar [V] I : Akım miktarı [A] R : Elektrolit direnci [ ]

10 Parçalanma potansiyeli (Ep) sistemden geçen akım miktarından bağımsızken, fazla voltajlar ve elektrolitin direncinden kaynaklanan potansiyel düşüşü (I R) direkt akım şiddetine bağlıdır. Bu nedenle özgün enerji tüketimi şu eşitlikle hesaplanır. W S [ kwh / kg] E H M I t eff. Ws : Spesifik enerji tüketimi kwh/kg, t : Zaman saat

11 Eğer elektrot yüzeyindeki konsantrasyon değişimi lineer kabul edilirse difüzyon yoluyla gerçekleşen kütle transferi 1. Fick Kanunu ile hesaplanabilir dm dt = M z F I η Kütle transferi Faraday kanununu yardımıyla ; dm dt = D q c o - δ N c e er iki kütle transferi bağıntısı, eşitlenip akıma (I) göre çözüldüğünde I = D z F M q η c o - c e δ ve böylece aşağıdaki denklik elde edilir N I = k q Δc δ N

12 Prosesin tamamını ekonomik kılabilmek için sistemin hacim zaman verimi (HZV) yükseltilmelidir ξ i = q L η M z F Burada; : hacim-zaman verimi (HZV), q: spesifik elektrot yüzeyi (m 2 /m 3 ), M: molar ağırlık (kg/mol), z: valans sayısı, F: Faraday sabitidir. i L : limit akım yoğunluğu (A/m 2 ) : akım verimi ( %) Difüzyon kontrollü bir sistemde limit akım yoğunluğu eşitlik ile hesaplanır ve sonuçta HZV için aşağıdaki denklik elde edilir; ξ = q k c

13 Limit Akımının Konsantrasyona Bağlı Değişimi Akım Yoğunluğu [A/m 2 ] c 1 i 1 c 2 i 2 c 3 c 1 > c 2 > c 3 i 3 i 1 > i 2 > i 3 Potansiyel [V]

14 MEMM4043

15 MEMM4043

16 Klasik Hücresi Hacim Zaman Akım Verimi Atıksuların elektrokimyasal olarak işlenmesinde : süresi akım akım verimi

17 1) Yüksek Hacim Zaman Verimi ξ = q k c : hacim-zaman verimi (HZV), q: spesifik elektrot yüzeyi (m 2 /m 3 ), k: şarj transfer katsayısı (cm/s) c: difüzyon tabakası içindeki iyon konsantrasyonu (g/l)

18 2) Yüksek Akımlarda Çalışabilmek I = k q Δc δ N I : Akım (Amper), k: şarj transfer katsayısı (cm/s) q: spesifik elektrot yüzeyi (m 2 /m 3 ), c: konsantrasyonu farkı N : Difüzyon Katsayısı (mm)

19 Özel Hücresi 1 ) Elektrot yüzeyini büyültmek 2 ) Elektrot/elektrolit bağıl hareketini yani konveksiyonu arttırmak ξ = q k c I = k q Δc δ N

20 Elektrot yüzeyi büyültülmüş özel elektroliz hücreleri Partikül Katotlu SYH Swiss Rolle

21 Yüksek konveksiyonlu özel elektroliz hücreleri Kanal Hücresi Eco-Cell

22 Yüksek konveksiyonlu ve büyültülmüş katotlu elektroliz hücreleri Reconwin Hücresi Akışkan Yatak

23 Karar verirken... Atık su miktarı, toplam konsantrasyonu, tehlikeli ve zehirli iyon ve maddelerin konsantrasyonu, İşletmenin olanakları, izin verilebilen maksimum konsantrasyon sınırı... dikkate alınmalıdır.

24 MEMM4043