DENEY NO : 5 DENEY ADI : KATI-SIVI EKSTRAKSİYONU DENEYİN AMACI Katı-sıvı ekstraksiyon parametrelerinin ekstraksiyon verimine etkilerinin incelenmesi. KURAMSAL TEMELLER Leaching yani katı-sıvı ekstraksiyonu, kristallendirme ve adsorpsiyon gibi katı-sıvı ayırma işlemlerindendir. Katı-sıvı ekstraksiyonu (leaching veya özütleme) işleminde çözünebilen katı madde, bulunduğu inert katı içinden, uygun bir çözücü yardımıyla çözündürülerek alınması işlemidir. Çözünmüş madde daha sonra kristallendirme veya buharlaştırma gibi yöntemler ile ürün olarak elde edilir. Kimya mühendisliğinde biyolojik, anorganik ve organik maddelerin üretiminde yaygın olarak kullanılan katı-sıvı ekstraksiyonu için günlük yaşamdan verilebilecek en güzel örnek çay veya kahve yapımıdır. Endüstriyel boyutta ise, şeker pancarından şeker, yağlı tohumlardan yağ elde edilmesi katı-sıvı ekstraksiyonuna verilebilecek örneklerdendir [1]. Katı-sıvı ekstraksiyonu, sıvı-sıvı ekstraksiyonuna benzer bir işlem gibi gözükmesine rağmen katı-sıvı ekstraksiyonu daha zor bir süreçtir. Çünkü katı içinde difüzyon sıvı içindeki difüzyondan çok daha yavaştır ve bu yüzden dengeye ulaşması daha zordur [1]. Katı-sıvı ekstraksiyonuna etki eden faktörler üç ana grupta toplanabilir. Çözücü ile madde teması: Katının hazırlanması, kırma, öğütme, parçalara bölme veya yeniden şekillendirme olarak gerçekleştirilebilir. Çözünmesi istenen madde katı yüzeyinde ise, çözücü ile ekstrakte edilmesi kolaydır. Çözünmesi istenen madde katının içinde ise, katının bir ön işlemden geçirilerek parçacık boyutunun küçültülmesi ile katı-çözücü temas yüzeyi arttırılarak ekstraksiyon verimi yükselir. Kullanılan çözücünün seçimi: Ek-1 de ekstraksiyonda kullanılabilecek çözücülerin genel özellikleri verilmiştir. Ekstraksiyon işlemi için seçilen çözücü istenilen maddeyi çözebilen yapıda olmalıdır. Çözücüde çözünen maddenin doygunluk noktasına bağlı olarak çözücü kapasitesi belirlenir. Ancak çözücü kapasitesi ne olursa olsun, kullanılan çözücü miktarı inert katının miktarına göre seçilmelidir. Çözücü ekstrakte edilen katıdan ve ekstre çözücüden
(çözünen+çözücü) kolayca ayrılabilme özelliğine sahip olmalıdır. Ekstraksiyon işleminden sonra elde edilen üründen kolayca ayrılabilmesi için düşük kaynama noktasına sahip çözücülerin kullanılması tercih edilir. Sıcaklık: Ekstraksiyon işleminde yüksek sıcaklıklarda çalışmak çözünen maddenin çözücüye geçişini hızlandırır. Ekstre edilecek katının yapısına bağlı olarak sıcaklıkla ekstraksiyon verimi artmasına rağmen, yüksek sıcaklıkta bazı bileşenlerin yapısında bozunmalar oluşabilir ve arzu edilmeyen bileşikler de çözünebilir. [2, 5]. DENEY DÜZENEĞİ ve YÖNTEMİ Katı-sıvı ekstraksiyonunda kullanılacak düzenek ve düzeneğin akış şeması Şekil 1. de verilmiştir. Uygun miktarda tartımı bilinen örnek ilk kompartımana yerleştirilir. Uygun çözücü (deneyimiz için saf su) besleme tankına doldurulur. Çözücü, kompartımanların üzerinde bulunan çözelti besleme borularından, ekstraksiyon yapılacak maddenin üzerine damlalar halinde dökülür. Katı-sıvı ekstraktoründe, ekstraksiyon üç bölmeye ayrılan kompartımanlarda katının devamlı olarak dönmesiyle gerçekleşir. Katıdan ekstrat edilen madde ve çözücüden oluşan çözelti 1.kompartımandan alınarak 2.kompartımanın çözücü beslemesine verilir. İkinci kompartımandan alınan çözelti de 3.kompartımana verilir. Kompartımanlar arası geçiş peristaltik pompalar yardımıyla gerçekleşir. Sistem üç basamakta, döner hücre şeklinde dizayn edilmiştir. Her kompartımanın sıcaklığı ve akış hızları ayarlanabilir özelliktedir. Sistemde ölçülen iletkenlik değerlerinden, bağlı olduğu bilgisayar programı yardımı ile her bir kompartımanın konsantrasyon değerleri okunabilir. Ekstraksiyon işleminin sonucunda çözücü ve özütlenen madde (ekstrakt) karışımı boşaltma oluğuna gelir ve buradan alınır. İnert katı madde ise son kompartımanın altından atılır.
Şekil 1.Deney düzeneği ve akış şeması
Deneyler Deney A: Katı Madde Miktarının Ekstraksiyona Etkisi Deneyin bu kısmında sırasıyla 5, 10 ve 15 gram madde kullanılarak katı madde miktarının ekstraksiyona etkisi incelenir. Besleme tankı saf su ile doldurulur. Şekil 2 de görülen deney düzeneği hazırlanır. Bağlantılar kontrol edilir. Suyun akış hızı 5mL/s ve sıcaklığı 25 o C olarak ayarlanır. Sistem açma/kapma düğmesinden açılır. Isıtıcılar açılır, hücrelerin dönüş hızı ayarlanır. Kullanılacak bilgisayar programı ile her 10 saniye için konsantrasyon verileri alınır. Deney B: Akış Hızının Ekstraksiyona Etkisi Deneyin bu kısmında ekstraksiyon yapılacak madde miktarı ve sıcaklık sabit tutularak akış hızının etkisi incelenir. Suyun akış hızı önce 5mL/s, daha sonra 6mL/s ve son olarak 7mL/s olarak ayarlanır. Her bir akış hızında 25 o C sıcaklıktaki çözücü (saf su) ile 5 er gram madde kullanılarak ekstraksiyon işlemi tekrar edilir. Kullanılacak bilgisayar programı ile her 10 saniye için konsantrasyon verileri alınır. Deney C: Sıcaklığın Ekstraksiyona Etkisi Deneyin bu kısmında 5 g lık madde beslemesinde ve 5mL/s akış hızında farklı sıcaklıkların ekstraksiyon üzerine etkisi incelenecektir. Isıtıcının üç kompartımanı da önce 25 C, daha sonra 35 C ve son olarak 45 C sıcaklıklarına getirilip, kullanılacak bilgisayar programı ile her 10 saniye için konsantrasyon verileri alınır.
TARTIŞMA Katı-sıvı ekstraksiyonunda katı/çözücü oranının etkilerini irdeleyiniz. Katı-sıvı ekstraksiyonunda katıya uygulanan ön işlemlerin ekstraksiyon verimine etkilerini anlatınız. Katı-sıvı ekstraksiyonunda uygun çözücü seçiminin önemini belirtiniz. Çözücü seçiminde dikkat edilmesi gereken özellikleri detaylı bir şekilde açıklayınız. Katı-sıvı ekstraksiyonunda çözücü akış hızının ekstraksiyon verimine etkilerini anlatınız. Katı-sıvı ekstraksiyonunda çözücü sıcaklığının etkilerini irdeleyiniz. SORULAR 1. Katı-sıvı ekstraksiyonunda kullanılabilecek ekstraktör tiplerini anlatınız. 2. Ekstraksiyonda ideal kademe sayısının belirlenmesinde kullanılan eşitlikleri çıkarınız 3. Katı-sıvı ekstraksiyonunda katı-çözücü akış tiplerini çizerek anlatınız. 4. Kimya mühendisliği uygulamalarında katı-sıvı ekstraksiyonunun kullanıldığı proseslere örnekler vererek akım şemalarını çiziniz. 5. Kerosen kullanılarak günde 2 ton mumlu kağıt sürekli bir zıt akım ile ideal rafları bulunan bir sistemde ekstrakte edilmektedir. Mumlu kağıdın % 25 i parafin, % 75 i de kağıt hamurudur. Ekstrakte edilen kağıt, keroseni uçurmak için kurutucuda kurutulmaktadır. Buharlaşmadan sonra kalacak ekstrakte edilmemiş maksimum mum miktarı 100 kg kağıt için 0,2 kg olacaktır. Ekstraksiyonda kullanılan kerosen her 100 kg içinde 0,05 kg mum içermektedir. Deneyler göstermiştir ki her 1 kg kağıt hamuru 2 kg kerosen taşımaktadır. Bataryadan çıkan ekstrakt içinde 100 kg kerosende 5 kg mum vardır. Bu koşullar altında kaç kademeye gerek vardır? 6. Soya fasülyesinden yağ eldesinde benzen çözücü olarak kullanılır. 1 kg öğütülmüş soya fasülyesi ( %50 çözünebilen, % 50 inert (katı ) madde içeren) ile 1 kg saf benzen ekstrakte edildiğinde ideal bir ekstraktörü terk eden alt ve üst akımların miktarlarını ve bileşenlerini belirleyiniz. Benzen üst akımı içinde alınan yağ yüzdesini hesaplayınız. Daha önce pilot tesiste yapılan deneylerde dengeye ulaşıldığında, alt akımın % 65 (ağırlıkça) katı içerdiği görülmüştür.
KAYNAKLAR [1] GÜLBARAN E. (1981) Kimya Mühendisliği Ünit Operasyonları Cilt-III Kütle İletimi ve Uygulamaları, İTÜ Mühendislik Mimarlık Fakültesi Yayınları Sayı 137, İstanbul. [2] MCCABE W.L., SMITH J.C. ve HARRIOT P., (2001) Unit Operations of Chemical Engineering (6th Edition), McGraw-Hill, Singapore. [3] SEADER J.D. ve HENLEY E.J. (1998) Separation Process Principles. John Wiley and Sons, USA. [4] TREYBAL R.E. (1980) Mass Transfer Operations. McGraw Hill International Editions, Singapore. [5] WINGARD, M.R. ve PHILIPS, R.C. (1951), The Effects of Temperature on Extraction Rate, J.Am. Oil Chemist Society, 149-152.
EK 1 Çizelge 1. Ekstraksiyonda yaygın olarak kullanılan çözücüler ve özellikleri Çözücü Dielektrik Kaynama Yoğunluk sabiti a noktası ( o C) (g/ml) Yanıcılık b Toksiklik b Uygunluk Hekzan 1,9 68,7 0,65 +++ + Polar bileşikler için zayıf bir çözücüdür; kolay uzaklaştırılır. Benzen 2,3 80,1 0,87 +++ +++ Genel kullanımlar için aşırı toksiktir; emülsiyona meyillidir; toluen daha az toksiktir. Eter 4,3 34,6 0,71 +++ + Özellikle oksijen içeren bileşikler için iyi bir çözücüdür; uzun süreli saklamalarda peroksit oluşumuna meyillidir. Kloroform 4,8 61,7 1,48 - +++ Kolay uzaklaştırılır; toksiktir; emülsiyona meyillidir. Etil asetat 6,0 77,1 0,89 +++ + Polar bileşikler için uygundur; suyu absorplayabilir. Diklorometan 8,9 39,7 1,31 - ++ Genel kullanım için iyi bir çözücüdür; emülsiyon oluşumuna biraz meyillidir. I-Butanol 17,5 117,7 0,81 ++ + Polaritesi çok yüksek bileşenler için son çare olarak kullanılır. a Dielektrik sabiti çözücünün polaritesi hakkında bilgi vermesine rağmen, çözücünün her zaman polar organik bileşikleri çözebileceğini göstermez. b +=en az yanıcı/toksik, +++=en fazla yanıcı/toksik