İKİLİ KARIŞIMLARDAN TEK VE ÇİFT DEĞERLİKLİ İYONLARIN ELEKTRODİYALİZ YÖNTEMİ İLE AYRILMALARI H.KAHVECİ *, Ö.İPEK *, N.KABAY *, M.YÜKSEL *, M.AKÇAY * *Ege Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, 35100 İzmir ÖZET Elektrodiyaliz yöntemi, deniz suyundan tuz elde edilmesi, atık sulardan metal iyonlarının ayrılması, bazı organik bileşiklerin ayrılma ve saflaştırılması, uzay araçlarında kullanım suyu üretimi, bazı bitki kültürü yetiştirme ortamlarındaki sulardan tuz giderimi, vb. alanlarda yaygın bir biçimde kullanılmaktadır. Elektrodiyaliz enerji etkinliği, iyon değiştirici reçinelerle yapılan ayırmalarda uygulanılan rejenerasyon aşamasına gerek duyulmaması ve denetim kolaylığı gibi üstünlükleri nedeniyle tercih edilebilmektedir. Bu çalışmada NaCl ve CaCl 2 tuz çözeltilerinin farklı oranlarda hazırlanan karışımlarından, Na + ve Ca 2+ iyonlarının elektrodiyaliz yöntemi ile ayrılmaları incelenmiştir. İkili karışımlardan, Na + ve Ca 2+ iyonlarının ayırma verimine etki eden parametreler olarak, karışımlardaki katyon derişim oranları, uygulanan gerilim, dolanım debileri ele alınmıştır. Anahtar Kelimeler: Elektrodiyaliz; Desalinasyon; Çift Değerlikli İyonlar; Tek Değerlikli İyonlar 1. GİRİŞ Su hayatı devam ettirebilmeyi ve birçok endüstriyel faaliyeti sürdürebilmeyi sağladığından dünya üzerindeki en önemli doğal kaynaktır. Dünya üzerindeki bazı ülkelerin çektiği kaliteli su sıkıntısı, su arıtımı ve çeşitli kaynaklardan su eldesini sağlayan prosesleri dahada önemli kılmaktadır. Bu proseslerden bir tanesi de birçok avantaja sahip olması nedeniyle elektrodiyaliz yöntemidir. Elektrodiyaliz, iyonların iyon geçirici membranlar içinden potansiyel farkı yardımı ile taşınmasını temel alan bir prosestir. İyonlar üzerindeki elektrik yükleri, iyonların iyon değiştirici membranların içinden geçişini sağlar. Bu işlem için gereken itici güç ise membranların iki ucunda bulunan elektrotların oluşturduğu potansiyel farkıdır. İyon değiştirici membranlar taşıdıkları fonksiyonel grubun yüküne göre artı ya da eksi yüklü iyonları geçirip ters yüklü iyonları geçirmemek amacı ile üretilmişlerdir (Şekil 1.). Bu çalışmada, elektrodiyaliz yöntemi ile ikili karışımlardan tek ve çift değerlikli iyonların ayrılmaları ve ayırma prosesine etki eden karışımlardaki katyon derişim oranları, uygulanan gerilim ve dolaşım debileri gibi parametreler incelenmiştir.
Anyon Değiştirici Membran Katyon Değiştirici Membran Konsantre Çözelti Seyreltik Çözelti Anot Seyreltik Çözelti Konsantre Çözelti Katot A:Anyon Değiştirici Membran K:Katyon Değiştirici Membran Şekil 1. Elektrodiyaliz Prosesinin Ayırma Prensibi. 2. DENEYSEL İkili karışımlardan tek ve çift değerlikli iyonların uzaklaştırılmasında Japonya nın Tokuyama firması tarafından üretilen Tokuyama TS-1-10 model elektrodiyaliz cihazı kullanılmıştır. Etkin alanı 1 dm 2 olan Neosepta CMX ve AMX kodlu mekanik dayanımı yüksek, standart tür iyon değiştirici membranlardan on çift içeren ED hücresi, platinlenmiş Ti anot ve 316 kalite paslanmaz çelik katot elektrotlar ile maksimum 18 V ve 3 A kapasitesinde bir doğru akım güç kaynağı ve kontrol birimine sahiptir. Deneysel çalışmalarda öncelikle NaCl ve CaCl 2 tuzlarının farklı derişimlerdeki karışımlardan Na + ve Ca 2+ iyonlarının ayırma performansları incelenmiştir. Ayrıca hazırlanan herbir karışım için 1.6 ika, 1.0 ika ve 0.5 ikalık değişik debiler uygulanarak, dolanım debisinin ayırma performansına etkisi ve 10 V ve 5 V luk gerilimler uygulanarak gerilimin ayırma performansına etkisi incelenmiştir (Çizelge 1). Çizelge 1. İkili karışımlardan tek ve çift değerlikli iyonların elektrodiyaliz yöntemi ile ayrılmalarına ilişkin incelenen parametreler. Tuz çözeltisi Gerilim (V) Dolanım Debisi () 0.01 N NaCl 5; 10 0,5; 1,0; 1,6 0.0075 N NaCl + 0.0025 N CaCl 2 5; 10 0,5; 1,0; 1,6 0.005 N NaCl + 0.005 N CaCl 2 5; 10 0,5; 1,0; 1,6 0.0025 N NaCl + 0.0075 N CaCl 2 5; 10 0,5; 1,0; 1,6 0.01 N CaCl 2 5; 10 0,5; 1,0; 1,6
Herbir çalışma sırasında belirli sürelerde seyreltik ve derişik bölmelerden örnek alınıp, WTW LF/330 model iletkenlik ölçer yardımıyla iletkenlik, Methrohm 691 model ph metre ile ph ve Varian 10 Plus model atomik absorpsiyon spektrofotometresi kullanılarak metal derişimi ölçümleri yapılmıştır. 3. SONUÇLAR Değişik oranlardaki tuz çözeltilerine 10 V luk gerilim uygulandığında, Na + ve Ca 2+ tuzlarının yüksek oranlarda giderildiği gözlenmiştir. Gerilim değeri 5 V a indirildiğinde ise Ca +2 gideriminde Na + varlığında net bir değişiklik gözlenmemiş çözeltide sadece Ca 2+ olduğunda ise Ca 2+ giderimi azalmıştır. Na + giderimi, Ca 2+ varlığında ya da yokluğunda, büyük oranda düşüş göstermiştir. Aynı zamanda NaCl ün karışım içindeki miktarı azaldığında uygulanan 5 V luk gerilimde (debi: 1 ve 1.6 ika) Na + un giderim yüzdesinin düştüğü tespit edilmiştir. Ca 2+ iyonlarının +2 değerlikli olması Ca 2+ giderim yüzdesinin daha iyi olmasını sağlamıştır. Giderim süreleri incelendiğinde; gerilimi düşürmenin giderim sürelerini uzattığı sonucuna varılmıştır. Ca 2+ iyonlarının +2 değerlikli olması sebebiyle giderim işleminin +1 değerlikli olan Na + iyonlarına göre daha hızlı olduğu tesbit edilmiştir (Şekil 2). Uygulanan dolanım debilerinin, giderim süresine ve giderim miktarına belirgin bir etkisi olmadığı anlaşılmıştır (Çizelge 2). Çizelge 2. NaCl ve CaCl 2 tuzlarının değişik oralardaki karışımları için değişik debi ve gerilim değerlerinde elde edilen Na + ve Ca 2+ giderim yüzdeleri 0.01 N NaCl 0.0075 N NaCl + 0.0025 N CaCl 2 0.0050 N NaCl + 0.0050 N CaCl 2 0.0025 N NaCl + 0.0075 N CaCl 2 0.01 N CaCl 2 1.6 Na + (%) Giderimi 1 0.5 1.6 Ca 2+ (%) Giderimi 1 0.5 10 V 95.0 94.8 93.1 - - - 5 V 75.7 75.8 74.9 - - - 10 V 96.2 96.6 97.2 99.8 99.7 99.0 5 V 80.5 73.1 78.1 99.1 98.5 98.3 10 V 91.7 92.0 90.9 99.3 98.3 97.3 5 V 67.6 69.5 67.1 98.4 97.6 96.1 10 V 91.1 98.2 91.2 95.9 93.9 94.6 5 V 64.2 70.0 80.9 93.4 91.6 89.7 10 V - - - 96.0 90.7 82.9 5 V - - - 78.3 70.3 64.15
0.01 N NaCl 0.0075 N NaCl + 0.0025 N CaCl 2 1.6 1.6 0.005 N NaCl + 0.005 N CaCl 2 0.0025 N NaCl + 0.0075 N CaCl 2 1.6 1.6 0.01 N CaCl 2 1.6 Şekil 2. Farklı oranlardaki tuz karışımlarında konsantre (K) ve seyreltik (S) bölmelerde zamana karşılık C/Co değişimi.
Son olarak özgül güç tüketimleri aşağıdaki denkleme göre hesaplanmıştır: E t 0 idt Özgül Güç Tüketimi = V D Herbir çözelti için, gerilim 5 V dan 10 V a yükseltildiğinde; özgül güç tüketiminin arttığı gözlemlenmiştir (Şekil 3). Şekil 3. Tekli ve ikili karışımlardan tek ve çift değerlikli iyonların ayrılmasında gerilime karşılık özgül güç tüketiminin değişimi. 4. KAYNAKLAR 1. Demircioglu, M., Kabay, N., Ersoz, E., Kurucaovali, I., Safak, C., Gizli, N. (2001): Cost Comparison and Efficiency Modeling in the Electrodialysis of Brine, Desalination, 136, 317-323. 2. Demircioglu, M., Kabay, N., Kurucaovali, I., Ersoz, E. (2002): Demineralization by Electrodialysis (ED)-Separation performance and cost comparison for monovalent salts, Desalination 153,329-333 3. Lee, H.J., Sarfert, F., Strathmann, H., Moon, S.H. (2002): Designing of an electrodialysis desalination plant, Desalination, 142, 267-286. 4. Rautenbach, R. and Albrecht, R.(1989): Membrane Processes, Wiley, New York, pp.344-350. 5. Saracco, G. (1997): Transport properties of monovalent-ion permselective membranes, Chem.Eng.Sci., 52 (1997), 3019-3031. 6. Strathmann, H. (1993): Application of Ion-Exchange Membranes in Industrial Processes, Macromol.Chem.Macromol.Symp., 70/71, 363-377. 7. Strathmann, H. (1992): Electrodialysis.in Membrane Handbook (Eds. Winston Ho, W.S. and Sirkar, K.K), Van Nostrand Reinhold, New York, 218-262. 8. Tokuyama Corp. (1999): Neosepta-Ion Exchange Membranes (information brochure), Tokyo, Japan. 9. Kabay, N., M.Arda, I.Kurucaovali, E.Ersöz, H.Kahveci, M.Can, S.Dal, S.Kopuzlu, M.Haner, M.Demircioğlu, M.Yüksel, (2003): Effect of Feed Characterictics on the Separation Performance of Monovalent and Divalent Salts by Electrodialysis, Desalination, 158, 95-100.
5. TEŞEKKÜR Bu çalışmada Ege Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Komisyonu (2003/MÜH/029 No lu proje) tarafından desteklenmiştir. Deneysel çalışmalardaki katkılarından dolayı diploma proje öğrencileri Kemal Açıkgöz ve Arzu Baştürk e teşekkür ederiz.