Laboratuvar Föyü - Çevre Mühendisliği Bölümü

Bülent Ecevit Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi
Çevre Mühendisliği Bölümü
ENV 313 Fiziko –Kimyasal Süreçler Laboratuvarı
Deney Föyü
Hazırlayanlar
Arş. Gör. Candan ERYILMAZ
Arş. Gör. Gülçin DEMİREL
Arş. Gör. Eren KARAKAVUZ
Arş. Gör. Ali Kemal TOPALOĞLU
Ders Sorumlusu
Doç. Dr. Ayten GENÇ
Eylül 2015
ZONGULDAK
İÇİNDEKİLER
1. DENEY PROGRAMI ................................................................................................................................. 3
2. LABORATUAR ÇALIŞMALARININ DEĞERLENDİRİLMESİ .......................................................................... 4
3. DENEY RAPORU YAZIM KILAVUZU ......................................................................................................... 5
3.1.
Deney Raporu ..................................................................................................................................... 5
3.2.
Deney Notunun Hesaplanması ........................................................................................................... 6
4. DENEYLER ............................................................................................................................................... 7
4.1.
ÇAMUR ŞARTLANDIRMA VE SUSUZLAŞTIRMA ................................................................................... 7
4.1.1. Deneyin Amacı .......................................................................................................................... 7
4.1.2 Kullanılan Malzemeler .............................................................................................................. 7
4.1.3. Teori .......................................................................................................................................... 7
4.1.4. Deneyin Yapılışı......................................................................................................................... 9
4.1.5. Hesaplamalar ..........................................................................................................................10
4.1.6. Değerlendirme………………………………………………………………………………………………………………….…10
4.2.
HAVALANDIRMA ...............................................................................................................................11
4.2.1. Deneyin Amacı ........................................................................................................................11
4.2.2. Kullanılan Malzemeler ............................................................................................................11
4.2.3. Teori ........................................................................................................................................12
4.2.4. Deneyin Yapılışı.......................................................................................................................14
4.2.5. Hesaplamalar……………………………………………………………………………………………………………………..15
4.2.6. Değerlendirme……………………………………………………………………………………………………………………17
4.3.
KİREÇ İLE SERTLİK GİDERME .............................................................................................................18
4.3.1. Deneyin Amacı ........................................................................................................................18
4.3.2. Kullanılan Malzemeler ............................................................................................................18
4.3.3. Teori ........................................................................................................................................18
4.3.4. Deneyin Yapılışı.......................................................................................................................20
4.3.5. Hesaplamalar.…………………………………………………………………………………………………………………….22
4.3.6. Değerlendirme…………………………………………………………………………………………………………………….22
4.4.
DÖNER BUHARLAŞTIRICI (ROTARY EVOPORATOR)……………………………………………………………………….23
4.4.1. Deneyin Amacı ........................................................................................................................23
4.4.2. Kullanılan Malzemeler ............................................................................................................23
4.4.3. Teori ........................................................................................................................................23
4.4.4. Deneyin Yapılışı.......................................................................................................................26
1
4.4.5. Hesaplamalar...………………………………………………………………………………………………………………….27
4.4.6. Değerlendirme……………………………………………………………………………………………………………………27
4.5. ADSORPSİYON ......................................................................................................................................29
4.5.1. Deneyin Amacı .......................................................................................................................29
4.5.2. Kullanılan Malzemeler ...........................................................................................................29
4.5.3. Teori .......................................................................................................................................29
4.5.4. Deneyin Yapılışı ......................................................................................................................33
4.5.5. Hesaplamalar .........................................................................................................................33
4.5.6. Değerlendirme .......................................................................................................................34
4.6. ELEK ANALİZİ ........................................................................................................................................35
4.6.1. Deneyin Amacı .......................................................................................................................35
4.6.2. Kullanılan Malzemeler ...........................................................................................................35
4.6.3. Teori .......................................................................................................................................35
4.6.4. Deneyin Yapılışı ......................................................................................................................37
4.6.5. Hesaplamalar.. .......................................................................................................................39
4.6.6. Değerlendirme……………………………………………………………………………………………………………………39
4.7. MODEL ÇÖKELME TANKI ......................................................................................................................40
4.7.1. Deneyin Amacı .......................................................................................................................40
4.7.2. Kullanılan Malzemeler ...........................................................................................................40
4.7.3. Teori .......................................................................................................................................40
4.7.4. Deneyin Yapılışı ......................................................................................................................41
4.7.5. Hesaplamalar .........................................................................................................................42
4.7.6. Değerlendirme ........................................................................................................................43
4.8. İYON DEĞİŞİMİ .....................................................................................................................................44
4.8.1. Deneyin Amacı .......................................................................................................................44
4.8.2. Kullanılan Malzemeler ...........................................................................................................44
4.8.3. Teori .......................................................................................................................................44
4.8.5. Hesaplamalar ...................................................................... Hata! Yer işareti tanımlanmamış.
4.8.6. Değerlendirme……….……………………………………………………………………………………………………………45
2
1. DENEY PROGRAMI
I. ÖĞRETİM Gruplar
Tarih
1
2
3
4
5
6
7
8
20.10.2015
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D8
27.10.2015
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D8
D1
03.11.2015
D3
D4
D5
D6
D7
D8
D1
D2
10.11.2015
D4
D5
D6
D7
D8
D1
D2
D3
17.11.2015
D5
D6
D7
D8
D1
D2
D3
D4
24.11.2015
D6
D7
D8
D1
D2
D3
D4
D5
01.12.2015
D7
D8
D1
D2
D3
D4
D5
D6
08.12.2015
D8
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
2.ÖĞRETİM Gruplar
Tarih
1
2
3
4
5
6
7
8
21.10.2015
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D8
28.10.2015
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D8
D1
04.11.2015
D3
D4
D5
D6
D7
D8
D1
D2
11.11.2015
D4
D5
D6
D7
D8
D1
D2
D3
18.11.2015
D5
D6
D7
D8
D1
D2
D3
D4
25.11.2015
D6
D7
D8
D1
D2
D3
D4
D5
02.12.2015
D7
D8
D1
D2
D3
D4
D5
D6
09.12.2015
D8
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D8
Kireç ile sertlik giderimi
Çökelme kolonları
Adsorpsiyon
Elek Analizi
Çamur Şartlandırma ve susuzlaştırma
Havalandırma
Model Çökelme tankı
İyon değişimi
3
2. LABORATUAR ÇALIŞMALARININ DEĞERLENDİRİLMESİ
CEV303 Temel İşlemler, CEV313 Fiziko-Kimyasal Prosesler ve ENV313 Physico-chemical
Processes derslerini alan öğrenciler bu laboratuar föyünde yer alan deneyleri yapmak
zorundadırlar. Öğrenciler yapmadıkları veya raporlarını sunmadıkları deneylerden not olarak
“Sıfır” alacaklardır. Deneylerden birisinden “Sıfır” notu alındığında laboratuar notu da “Sıfır”
olarak kabul edilecektir. Bu durumda öğrenciler yukarıda bahsi geçen derslerden Arasınav ve
Final notları ne olursa olsun “Başarısız” olarak kabul edilecektir. Öğrencilerin belirlenen
tarihlerde deneylere katılamamaları sadece raporlu olmaları halinde değerlendirmeye
alınacaktır.
Her bir öğrenci için:
Deney Notu = Quiz (%10) + Sözlü (%20) + Rapor (%70)
Laboratuvar Notu= Deney Notları Toplamı/Deney Sayısı
• Quiz: Deney öncesi konu hakkında sorular içeren 10 dakikalık yazılı sınavdır.
• Sözlü: Deney esnasında konuyla ilgili öğrencilere sorular sorulur. Öğrencilerin verdikleri
cevaplara göre sözlü değerlendirmedir.
• Rapor: Öğrenciler deneyde yapmış oldukları çalışmaları içeren ve yazım kurallarına uygun
olarak hazırlanmış grup raporunu deneyler yapıldıktan bir hafta sonra sunmalıdırlar. El
yazısı raporlar kabul edilmeyecektir. Rapor tesliminden bir hafta sonra rapor
değerlendirmeleri gruplara bildirilir.
4
3. DENEY RAPORU YAZIM KILAVUZU
Deney raporu yazılırken, rapordaki bilgilerin tam ve eksiksiz olmasına; eksik veya yanlış ya da
fazla veya tekrar bilgilerin yer almamasına; imlâ kurallarına uyulmasına ve kurulan cümlelerde
geniş zaman edilgen yüklemlerin kullanılmasına dikkat edilmelidir.
3.1. Deney Raporu
Bir deney için hazırlanacak rapor aşağıdaki formatta sunulmalıdır:
KAPAK SAYFASI:
DERSİN İSMİ :
GRUP NO :
DENEY NO :
DENEY İSMİ :
DENEY TARİHİ :
ÖĞRENCİ NO :
ÖĞRENCİ İSMİ :
1. DENEYİN AMACI:
Bu başlık altına kısa, sade ve net bir biçimde deneyin amacı yazılır.
2. DENEYİN ANLAM VE ÖNEMİ:
Bu bölümde deneyin anlam ve önemi üzerinde durulur, Çevre Mühendisliğindeki kullanım
amaçlarından, faydalarından ve diğer gerekli temel bilgilerden bahsedilir. Bu bölüme yazılanlar
konunun temelini teşkil etmeli, fazla, gereksiz ve tekrar bilgilerden kaçınılmalı, sade ve net bir
şekilde yazılmalıdır. Bu bölüme deney hakkında bilinmesi gereken temel bilgiler de yazılabilir.
3. DENEY DÜZENEĞİ:
3.1 Kullanılan araç ve gereçler
Deneyde kullanılan cihazların isimleri yazılır.
3.2 Kullanılan kimyasallar
5
Deneyde kullanılan kimyasallar formülleri ile birlikte verilir.
4. DENEYİN YAPILIŞI:
Bu bölümde deneyin yapılışı anlatılır. Deney esnasında izlenen adımlar ve ölçülen parametreler
yazılır.
5. HESAPLAMALAR:
Bu bölüme gerekirse deney esnasında yapılan, yapılmasına ihtiyaç duyulan hesaplamalar ve
grafikler verilerek açıklamalarda bulunulur.
6. DEĞERLENDİRME:
Deney sonucunda elde edilen verilerin değerlendirilmesi bu bölümde yapılır. Yapılan deney ve
çıkan sonuçlar değerlendirilir. Sebep-sonuç açıklamasında bulunulur. Deney yapılırken
kafalarda oluşan soruların cevapları aranır ve yazılır.
7.KAYNAKLAR
Kaynaklar metin içerisinde kullanıldığı yerde (Yazar soyadı, tarih) şeklinde belirtilmeli ve
aşağıdaki düzene göre raporun sonunda kaynaklar bölümünde verilmelidir.
Yazarın soyadı, Adının ilk harfi, (yıl), “Makalenin adı”, Kitabın/derginin adı, Sayı (cilt), Sayfa
no, Yayınevinin adı, Ülke/şehir adı.
3.2. Deney Notunun Hesaplanması
Deney raporlarının değerlendirilmesinde aşağıdaki puanlama sistemi kullanılacaktır.
KATEGORİ
PUAN
1. Deney raporunun formata uygun olarak yazılması
10
2. Teori
10
3. Deneyin yapılışı
20
4. Hesaplamalar
30
5. Sonuçların yorumlanması
20
6. Kaynaklar
10
TOPLAM
100
6
4. DENEYLER
4.1. ÇAMUR ŞARTLANDIRMA VE SUSUZLAŞTIRMA
4.1.1. Deneyin Amacı
Demir klorür (FeCl3) dozajlaması yapılarak atıksu çamurlarının şartlandırılması. Vakum
filtrasyon işlemi ile atıksu çamurlarının susuzlaştırılması.
4.1.2. Kullanılan Malzemeler
Kimyasallar
• Demir Klorür (FeCl3)
• Atık Çamur
Cihazlar
• Vakum Pompası
• Buchner Hunisi
• Mezür
• Beher
• Filtre Kağıdı (Ø= 110 µm, D = 3,8 cm)
• Etüv
• Hassas Terazi
• Kronometre
4.1.3. Teori
Ön çökeltici, ikinci çökeltici ve çamur yoğunlaştırıcıdan gelen atık çamurlar, yüksek su içeriğine
ve dolayısıyla büyük çamur hacmine sahiptirler. Atık çamurun uzaklaştırılması sırasında
hacminin azaltılmadan depolanması veya bertaraf edilmesi bu süreçlerde artan maliyete, enerji
kaybına ve çamurun kontrolünün azalmasına neden olacaktır. Bu nedenlerden dolayı atık
çamurların konsantre hale getirilerek hacminin azaltılması gerekmektedir. Çamur susuzlaştırma
işlemi su ve atıksu arıtımında önemli bir süreçtir.
Çamur susuzlaştırmak için kullanılan yöntemler fiziksel susuzlaştırma ve mekanik
susuzlaştırma olmak üzere ikiye ayrılır. Fiziksel susuzlaştırma yöntemleri kurutma yatakları ve
çamur lagünleridir. Kurutma yatakları ve çamur lagünleri inşa ve işletme kolaylığı nedeniyle
7
tercih edilebilir fakat bu yöntemlerin en büyük dezavantajları inşa edildikleri yerin iklimine,
bilhassa yağış ve nem durumuna fazlaca bağımlı olmalarıdır. Ayrıca geniş araziye ihtiyaç
duymaktadırlar. Mekanik yöntemler arasında vakum filtrasyon, pres filtre, yatay bant filtre ve
santrifüjler sayılabilir. Mekanik yöntemler makine, teçhizat ve operatör gerektiren yöntemlerdir.
En büyük artıları hızlı ve etkili susuzlaştırma yapmalarıdır. Dezavantajları ise fiziksel
yöntemlere nazaran daha fazla yatırım, işletme ve bakım maliyetleri gerektirmeleridir. Mekanik
yöntemler fiziksel yöntemlere göre daha çok tercih edilirler.
Taze çamurların susuzlaştırılması zordur, bu nedenle susuzlaştırma işlemi yapılmadan
önce uygun bir kimyasalla şartlandırılması gereklidir. Poli-elektrolit, alum, kireç, demir klorür
şartlandırma işleminde en çok tercih edilen kimyasallardır. Şartlandırma, kimyasal madde
kullanılarak çamurun susuzlaştırılma özelliğinin artırılmasıdır, başka bir deyişle katılar ile çamur
sıvısı arasındaki spesifik direnci (bağlanma kuvvetlerini) azaltır. Spesifik direnç laboratuar
ortamında vakum filtrasyon deneyi ile belirlenebilir (Şekil 4.1). Deneylerden elde edilen veriler
sonucunda spesifik direnç;
(4.1)
denklemiyle hesaplanabilir. Bu eşitlikte:
R : Özgül direnç (m/kg)
∆P: Vakum basıncı (1 mmHg = 133,322 N/m2)
A : Filtre kağıdı alanı (m2)
-4
µ : Filtratın viskositesi (11x10 N-sn/m2)
w : Filtre üzerinde kalan çamurun kuru ağırlığının, filtrat hacmine oranı (kg/m3)
m : t/V’ye karşılık V grafiğinin eğimi (sn/m6)
Şartlandırmada kullanılan kimyasalın uygun dozajı da yine bu deney sayesinde saptanabilir.
Vakum Filtrasyon deneyinde kullanılan düzenek aşağıda görülebilmektedir.
8
Şekil 4. 1 Çamur Susuzlaştırma Deney Düzeneği
4.1.4. Deneyin Yapılışı
-
1 L % 7’lük çamur içeren atıksu hazırlanır. 1 dakika karıştırılır ve 2 dakika çökelmeye
bırakılır, üstte kalan atıksudan 100 mL bir behere alınır.
-
Sabit tartıma getirilmiş 2 adet filtre kağıdı tartılır ve değerler kaydedilir. Filtre kağıtları
numaralandırılır.
-
Şekil 4.1’de yer alan deney düzeneğine filtre kağıdı yerleştirilir.
-
Behere alınan 100 mL atıksu iyice karıştırılır ve buchner hunisine yerleştirilir.
-
Vakum pompası çalıştırılarak vakum işlemi başlatılır. Vakumlama işlemi ile birlikte
kronometre de başlatılır. Her 10 mL’de zaman okunur.
-
Filtrasyon işlemi bittiğinde zaman okunur, pompa kapatılır ve su hacmi ölçülür.
-
Filtre kağıdı yerinden çıkartılarak etüvde 105 0C’de 1 saat kurumaya bırakılır. 1 saat
sonunda desikatöre alınır ve soğutulur. Bu işlemden sonra ağırlığı tartılır.
-
Deney düzeneğine diğer filtre kağıdı yerleştirilir.
-
Beherdeki atıksu karıştırılarak 100 mL örnek alınır.
-
Örneğin üzerine 100 mg/L derişimindeki FeCl3 çözeltisinden 20 mL eklenir, 1 dakika
karıştırılır ve birinci örneğe yapılan işlemler bu örneğe de uygulanır.
9
4.1.5. Hesaplamalar
-
Tablo 4.1 yardımıyla y ekseninde t/V ve x ekseninde V olacak şekilde grafik çizilir.
Grafiğin eğimi hesaplanır.
-
Her bir numunenin spesifik direnci (R) hesaplanır. Tablo 4.2 doldurulur.
Tablo 4.1 İlk numune için deneysel veriler (Hacim – Zaman ilişkisi)
V (mL)
t (sn)
Tablo 4.2 FeCl3 eklenmiş numune için deneysel veriler (Hacim-Zaman ilişkisi)
V (mL)
t (sn)
Tablo 4.3 Demir klorür derişimi Spesifik Direnç ilişkisi
Örnek No
1
2
FeCl3 (mL)
R (m/kg)
4.1.6. Değerlendirme
- Yaptığınız deneylerde en iyi doğruyu hangi numunede elde ettiniz? Neden?
- Kullanmış olduğunuz deney düzeneği ile en uygun (optimum) FeCl3 dozajını hesaplamak
istediğinizde nasıl bir yöntem izlerdiniz ve deneyin yapılışı kısmına neler eklerdiniz?
10
4.2. HAVALANDIRMA
4.2.1. Deneyin Amacı
Suların absorbsiyon katsayısı ve oksijenlenme kapasitesinin belirlenmesi.
4.2.2. Kullanılan Malzemeler
Kimyasallar
• Çeşme Suyu
• Sodyum Sülfit Çözeltisi (1/100lük)
• Cobalt(II)Klorür
Cihazlar
• Havalandırma düzeneği
• Sıcaklık Probu
• Çözünmüş Oksijen Probu
Şekil 4. 2 Havalandırma Deney Düzeneği
11
4.2.3. Teori
Havalandırma su ve atıksu arıtımında suya oksijen kazandırmadır. Su ortamında oksijenden
başka, metan, CO2, H2S gibi gazlar da çözünür ve bu gazlar suyun tadını bozar. Bu yüzden suda
bulunmaları istenmez ve çeşitli havalandırma sistemleri ile su ortamından uzaklaştırılırlar.
a) Gaz Transferi ve Havalandırmanın Teorik Esasları
Sıvı faz içinde gaz fazının iletilmesine gaz transferi denir. İki faz arasında gaz transferinin
gerçekleşebilmesi için gaz fazına basınç uygulanması gereklidir. Su ve atıksulara çeşitli
amaçlarla hava (demir mangan giderimi, aerobik arıtma), CO2 (sertlik giderimi, karbonat
dengesi), O3 (dezenfeksiyon) ve Cl2 (dezenfeksiyon) gibi gazlar transfer edilir. Havalandırma
esnasında, gaz fazının etkin kuvveti basınç; sıvı fazın ise konsantrasyon gradyantıdır. Gaz-sıvı
ara yüzeyindeki konsantrasyon doyma değerine eşittir. Birçok atıksu arıtma prosesinde olduğu
gibi, oksijen ve karbondioksit gibi az çözünen gazlar için transfer işlemini yönlendiren sıvı
fazdır. Bu durumda konsantrasyon gradyantı önem kazanmaktadır. Böylece:
Birim zamanda kütle transferi=KL.a.(Cs-C)
(4.2)
Burada,
KL: Sıvı film katsayısı
a: Birim hacimdeki transfer için temas alanı [(Yüzey Alanı, A)/(Hacim, V)]
Sıvı film katsayısı KL sıvının difüzyon katsayısı (D) ile film kalınlığına (Y) bağlı bir
parametredir:
KL=D/Y
(4.3)
Ayrıca “a” değeri damlacıkların yüzey alanı (A) ve hacmine (V) bağlı olarak tanımladığında:
a= A/V
(4.4)
elde edilir. Damlacıklar küçüldükçe “a” değeri büyür ve gaz transferi artar. Pratikte “a” değerini
ölçmek mümkün değildir. Bunun yerine birim zaman için toplam katsayı (KL.a) deneysel olarak
bulunur.
12
Su ve atıksuların arıtılmasında gaz transferi demek suya hava, C02, O3, Cl2 v.b gazlarının
verilmesi demektir. Bu gazlar su ortamına verilirken önemli olan husus, bu gazların su ortamında
çözünürlüklerinin arttırılmasıdır. Gazların sudaki çözünürlüğünü bir çok faktör etkilemektedir.
Gazların sudaki çözünürlüğünü çözünen gazların cinsi, gazların gaz fazındaki kısmi basıncı veya
derişimi, suyun sıcaklığı ve sudaki mevcut safsızlıklar gibi faktörler etkilemektedir.
b) Gazların cinsinin çözünürlüğe etkisi
Bazı gazlar suda moleküler olarak çözünürler ve su ile reaksiyona girmezler. Örneğin 02, 03, H2,
N2,CH4 gibi gazlar su ile reaksiyona girmeden moleküler çözünen gazlardır. Bazı gazlar ise belli
oranda su ile reaksiyona girerek ortamın pH değerine göre hem iyonik hem de moleküler olarak
çözünürler (NH3, H2S ve CO2)
c) Çözünürlüğe gaz derişiminin etkisi
Gaz ortamındaki gaz derişimi, gazın kısmi basıncı veya mol sayısı ile doğru orantılıdır. Gazların
basıncı artıkça hacmi azalmakta, dolayısıyla çözünürlüğü artmaktadır. Gazlar su ortamı ile
karşılaştıklarında gaz ortamında bulunan gaz belli oranda suda çözülür ve aralarında dinamik bir
denge oluşur. Herhangi bir nedenle denge bozulursa yeniden denge oluşuncaya kadar çözünme
devam eder. Her gazın aynı sıcaklıkta belli bir çözünürlüğü vardır.
Bu değere doygunluk derişimi denir (Cs).
d) Sıcaklığın çözünürlüğe etkisi
Isınan maddelerde hacim genişlemesi olur. Su ortamı ısıtılırsa hem su hem de su ortamında
çözünmüş halde bulunan gaz genleşir. Ancak gazın genleşmesi suyun genleşmesinden daha
fazla olduğundan su içinden uzaklaşmak ister. Bu yapıda gazların sıcaklıkta çözünürlüğünün
azaldığını göstermektedir.
Havalandırma atıksu ve içme suyu uygulamalarında çokça kullanılan bir süreçtir. Ayrıca aktif
çamur, havalandırma lagünleri ve aerobik süreçler sırasında biyolojik kütlenin oksijen ihtiyacının
karşılanması için havalandırma işlemi en önemli basamaklardan biridir.
Sprey/jet havalandırıcılar, kabarcıklı havalandırıcılar, mekanik
havalandırıcılar,
yüzey
havalandırıcılar, kademeli havalandırıcılar, düşümlü havalandırıcılar, havalandırma işlemi için
kullanılan araçlardır. 1 atmosfer basınçta havayla denge halindeki saf sudaki doygunluk
13
oksijen derişimleri ve sıcaklık düzeltme faktörleri Tablo 4.3’de sunulmuştur.
Tablo 4.4 Çözünmüş oksijenin sıcaklık ile değişimi
O2 Derişimi (mg/L)
Sıcaklık düzeltme faktörü (F)
0
Sıcaklık ( C)
0
14.63
1,219
2
13,84
1,172
4
13,11
1,126
6
12,45
1,083
8
11.84
1,040
10
11,28
1,000
12
10,77
0,961
14
10,29
0,924
16
9,86
0,888
18
9,46
0,853
20
9,08
0,820
22
8,74
0,788
24
8,42
0,758
26
8,12
0,728
28
7,84
0,700
30
7,57
0,673
4.2.4. Deneyin Yapılışı
-
Tankı 2L çeşme suyu ile doldurunuz. Çözünmüş oksijen probunu suyun içine
yerleştirerek suyun çözünmüş oksijen derişimini belirleyiniz.
-
Tankın içerisine 20 ml Sodyum Sülfit çözeltisi ekleyiniz ve çözünmüş oksijen
derişimini yeniden ölçünüz. (Çözünmüş oksijen probunun göstergesinde yanıp sönen
mg/l ifadesi sabitlenene kadar bekleyiniz ve her ölçümden sonra probu saf su ile
yıkayarak kurulayınız, ikinci ölçüme kadar bekletme kabında saklayınız)
-
Çözünmüş oksijen derişimi >0,7 mg/l ise bir miktar daha sodyum sülfit çözeltisi
ekleyerek çözünmüş oksijen derişimini kontrol ediniz.
-
Çözünmüş oksijen probunu tanktan çıkararak pedallı karıştırıcıyı ve havalandırma
pompasını en yüksek ayarda çalıştırınız.
14
-
25 dk sonunda havalandırma pompasını kapatarak 5 dk karıştırma işlemine devam
ediniz. 5 dakikalık sürenin sonunda pedallı karıştırıcıyı da kapatarak çözünmüş
oksijen probunu tanka yerleştiriniz ve suyun çözünmüş oksijen derişimini kaydediniz.
-
2 saat süresince her her 30 dakikada 1 kez bu işlemi tekrarlayınız. Sonuçlarınızı Tablo
4.4’e kaydediniz.
4.2.5. Hesaplamalar
Tablo 4.5. Zamana bağlı olarak çözünmüş oksijen ölçümleri
Zaman(dak)
0
0
30
60
90
120
O2 (mg/L)
Sıcaklık (ºC)
-
Zamana karşılık konsantrasyonuna bağlı çözünmüş oksijen doygunluk değerlerinin
grafiğini çiziniz.
-
Gaz transfer katsayısını hesaplayınız
a) Zamana karşılık konsantrasyonuna bağlı çözünmüş oksijen doygunluk değerlerinin grafiğini
çiziniz.
b) Gaz transfer katsayısını hesaplayınız
Tablo 4.6. Gaz transfer katsayısının hesaplanması
t (dk)
C
-In(
15
)
(4.5)
Burada:
Cs: Gazın doygunluk değeri, mg/L
C: Gaz konsantrasyonu, mg/L
Denklem (4.6) logaritması alındığında:
(4.6)
elde edilir ve t’ye karşılık In(
) grafiği çizilirse eğiminden toplam gaz transfer katsayısı
hesaplanır (Şekil 4.3).
Şekil 4. 3 Zamana karşılık Ln(
− Oksijenlenme kapasitesini hesaplayınız
Hacmi belirli bir reaktördeki oksijenlenme kapasitesi,
Oc=(KLa). Cs. V
16
) grafiği
4.2.6. Değerlendirme
1. Bir su haznesi 300 m3 hacminde olup, yüzeyden bir mekanik havalandırıcıyla
Havalandırılmaktadır. Oksijen alma kapasitesini tayin etmek için hazne 10°C sıcaklığında temiz
su ile doldurulmuştur. Test standart normal şartlar altında yapılmıştır. (Deniz seviyesinde, 101.3
kPa basınç altında). Aşağıda verilen ölçme neticelerine göre; Kütle transfer katsayısını bulunuz?
Ölçümler
Zaman (dakika)
O2 konsantrasyonu (g/m3)
0
2.0
1
3.85
2
5.33
3
6.51
4
7.46
5
8.22
2. Yukarıdaki verileri kullanarak 10 dakika sonraki O2 konsantrasyonunu bulunuz ve sistemin
oksijen alma kapasitesini bulunuz?
17
4.3. KİREÇ İLE SERTLİK GİDERME
4.3.1. Deneyin Amacı
Su numunelerinin yumuşatılması için uygun kireç miktarlarının belirlenmesi ve sertliğin
giderilmesi.
4.3.2. Kullanılan Malzemeler
Kimyasallar
• Kireç
Cihazlar
• Pedallı Karıştırıcı
4.3.3. Teori
Sertlik su içerisinde çözünmüş (+2) değerlikli iyonların yani Ca+2, Mg+2,, Sr+2,, Fe+2, ve Mn
+2,
konsantrasyonunun bir sonucudur. Bu katyonlara karşılık suda bazı anyonlar da bulunması
gerekir. Sularda sertliğe neden olan bu anyonlar ise HCO3-, SO4-2, Cl-, NO3- ve SiO3
-2
anyonlarıdır. Diğer bir ifade ile sularda sertlik çok değerlikli katyonların eşdeğer toplamıdır.
Sertlik,
kalsiyum
ve
magnezyum
iyonlarının,
kalsiyum
karbonat
cinsinden
toplam
konsantrasyonları olarak ifade edilir.
Sertlik Çeşitleri,
• Kalsiyum ve Magnezyum Sertliği (Toplam Sertlik)
Toplam Sertlik= Kalsiyum Sertliği + Magnezyum Sertliği
Kireç soda yönteminde harcanacak reaktifi hesaplamak için kullanılır. Kalsiyum ve magnezyum
iyonlarının derişiminin belirlenmesi ile bulunabilir.
• Karbonat ve karbonat olmayan sertlik
Toplam sertliğin sudaki karbonat ve bikarbonat iyonlarına karşı gelen kısmı karbonat sertliği
olarak bilinir. Bu iyonlar aynı zamanda alkaliniteyi de belirler. Bu sebeple,
Alkalinite< Toplam Sertlik ise
Karbonat sertliği (geçici sertlik) (mg/L CaCO3) = Alkalinite
Alkalinite ≥ Toplam Sertlik ise,
18
Karbonat sertliği (geçici sertlik) (mg/L CaCO3)= Toplam sertlik
Karbonat sertliğine ihtiyaç duyulması nedeni kireç ile yumuşatma esnasında gerekli kireç
miktarının belirlenmesidir.
Ca+2 + 2HCO3 + Ca(OH)2
2CaCO3 + 2H2O
• Yalancı Sertlik
Sodyum iyonlarının sabunun iyonlaşmasını ve dolayısıyla köpürmeyi engellemesi olayıdır.
Bu işlemde Ca+2 ve Mg+2 iyonları çözünmeyen
Kireç Soda yöntemi ile sertlik giderimi:
bileşikler haline getirilerek çöktürülmektedir. Karbonat sertliği (geçici sertlik) kireç ilavesi ile
CaCO3 veya Mg(OH)2 nin çöktürülmesiyle aşağıda verilen reaksiyonlar uyarınca giderilebilir.
Karbondioksitin giderilmesi
CO2+ Ca(OH)2
CaCO3 + H2O
Karbonat sertliğinin giderilmesi
Ca(HCO3)2+Ca(OH)2
2CaCO3
Mg(HCO3)2+Ca(OH)2
+ H2O
CaCO3
MgCO3 + Ca(OH)2
CaCO3
+ MgCO3
+ 2H2O
+ Mg(OH)2
Magnezyum sülfattan kaynaklanan karbonat olmayan magnezyum sertliği ise aşırı kireç
eklenmesi ile giderilebilir.
Mg SO4 + Ca(OH)2
CaSO4 + Mg(OH)2
Kalsiyum iyonundan kaynaklanan karbonat olmayan yani kalıcı sertlik ise soda ilavesi
sonucunda ortaya çıkan CaCO3 ün çöktürülmesi ile giderilebilir.
CaSO4+Na2CO3
CaCO3
+Na2SO4
Kalsiyum karbonatı çöktürmek için pH’ın 9,5 civarına, magnezyum hidroksiti çöktürmek için ise
PH ın 10,8 civarına çekilmesi gerekmektedir. Bu işlem 1,25 meq/L aşırı kireç ilavesi ile
gerçekleştirilebilir. Toplam gerekli kireç miktarı (meq/L), karbondioksit, karbonat sertliği,
magnezyum iyonu derişimi ve 1,25 meq/L aşırı kireç miktarlarının toplanması ile elde edilir.
Gerekli olan soda miktarı ise meq/L cinsinden karbonat olmayan sertlik kadardır.
19
4.3.4. Deneyin Yapılışı
Gerekli kireç ve soda miktarları hesaplandıktan sonra hızlı ve yavaş karıştırma işlemleri ile su
yumuşatılacaktır.
1. Gerekli Kireç Miktarının Hesaplanması
Suyu yumuşatmak için gerekli kireç miktarı:
CO2 derişimi+ Karbonat sertliği+ magnezyum iyon derişimi+ aşırı kireç miktarlarının meq/ l
cinsinden toplamıdır.
Gerekli kireç miktarının belirlenebilmesi için aşağıdaki tablo doldurulmalıdır.
Tablo 4.7.
Deney verileri
CO2 derişimi
Hesaplamalar
Titrant
Sarfiyat (ml)
mg/L
meq/L
-
-
-
-
Toplam Sertlik
0,005 M EDTA
15,2
Kalsiyum
0,005 M EDTA
10,6
0,05 M H2SO4
1
Sertliği
Alkalinite
Mg sertliği
Aşırı Kireç
Gerekli Kireç
Miktarı
Yukarıdaki tablonun doldurulabilmesi için toplam sertlik, alkalinite ve kalsiyum sertliği
deneyleri yapılmıştır. Tüm deneyler için 50 ml numune kullanılmıştır. Titrasyonda harcanan
titrant hacimleri tabloda verilmiştir.
Toplam Sertliğin Hesaplanması
•
Numunenin molaritesi hesaplanır
M1 x V1 = M2 x V2
•
Buradan mg CaCO3/L ye geçilmelidir.
20
• Meq/L ye çevrilmelidir
CaCO3 eşdeğer ağırlığı= 100 /2 (Tesir değerliği) = 50 mg/meq
Buradan toplam sertlik meq/L cinsinden hesaplanır.
Alkalinitenin Hesaplanması
Toplam sertlik hesaplamasındaki adımlar takip edilerek alkalinite verisi kullanılarak meq/L
olarak hesaplanmalıdır. Burada titrant olarak H2SO4 kullanıldığına dikkat edilmelidir.
M1 x V1 = M2 X V2 ile mg/l CaCO3 cinsinden hesaplanır. meq/L ye çevrilir.
Kalsiyum Sertliği
Hesaplamalar toplam sertlikteki gibi hesaplanmalıdır.
Karbonat Sertliği
Karbonat sertliğinin belirlenmesi için alkalinite ve toplam sertlik deneyleri yapılmalıdır. Daha
önce de belirtildiği gibi,
Alkalinite< Toplam Sertlik ise;
Karbonat sertliği (geçici sertlik) (mg/L CaCO3) = Alkalinite
Alkalinite ≥ Toplam Sertlik ise;
Karbonat sertliği (geçici sertlik) (mg/L CaCO3)= Toplam sertlik dir.
Magnezyum İyon Derişimi
Toplam Sertlik= Kalsiyum Sertliği + Magnezyum Sertliği
Suyun kalsiyum sertliği belirlenir ve toplam sertlikten çıkartılarak magnezyum sertliği
hesaplanır.
21
Aşırı Kireç
1,25 meq/ L olarak direk ilave edilir.
Gerekli kireç miktarı hesaplanır. Kireç olarak CaO kullanılmaktadır. Meq /l cinsinden
hesaplanan kireç miktarı mg/ l’ ye çevirilir.
CaO = 50/2= 28 mg/meq
2. Sertliğin Giderilmesi
-1000 ml lik 4 adet behere su numunesi doldurulur.
-Beherlere sırasıyla gerekli kireç miktarının %30, %60, %90 ve %100 ünü içeren kireç miktarı
%10 luk kireç çözeltisinden eklenir.
-Beherler 3 dk hızlı ve 20 dk yavaş karıştırılır.
- Karıştırma işlemi sonunda numuneler süzülerek toplam sertlik deneyi yapılır belirlenir.
4.3.5. Hesaplamalar
1. Numunenin toplam sertlik, kalsiyum sertliği, mg sertliği ve alkalinite hesaplamaları verilecek.
2. Deneyler esnasında elde edilen sertlik giderme verimleri:
(4.7)
kullanılarak elde edilebilir.
Burada;
S0: Başlangıçtaki sertlik değeri (mg/L CaCO3)
S1: Kireç-soda ilavesinden sonraki sertlik değeri (mg/L CaCO3)
4.3.6. Değerlendirme
1. Yaptığınız deneyin sonuçlarını kullanarak günlük debisi 3500 m3/gün olan bir endüstri
kuruluşu için %85 saflıktaki gerekli kireç miktarlarını hesaplayınız.
2. Kireç soda yöntemi ile yumuşlatmada pHın önemi nedir bilgi veriniz?
22
4.4. DÖNER BUHARLAŞTIRICI (ROTARY EVAPORATOR)
4.4.1. Deneyin Amacı
Numunedeki farklı kaynama noktalarına sahip maddelerin ayrılmasında kullanılan Rotary
Evaporator cihazının sıcaklık ve dönme hızının bu maddelerin ayrılmasındaki etkisinin
incelenmesi.
4.4.2. Kullanılan Malzemeler
Kimyasallar
• Nacl
• Saf su
Cihazlar
• Rotary Evaporator
• İletkenlik Probu
4.4.3. Teori
Düşük basınç altında farklı kaynama noktalarına sahip maddeler döner buharlaştırıcı
yardımıyla ayrılmaktadır. Bu maddeler organik maddeler olabilir bunun yanı sıra seyreltik
toryum, uranyum gibi nükleer atık çözeltileri buharlaştırma yöntemi ile deriştirilerek tekrar
kullanıma hazırlanmaktadır.
Döner buharlaştırıcı vakumda çalışılacağı için koruma gözlüğü, eldiven ve önlük mutlaka
giyilmelidir. Şekil 4.4’te döner buharlaştırıcı deney düzeneği sunulmuştur. Çözücüsü
uzaklaştırılacak karışım, hacmine uygun dibi yuvarlak bir balona konulur (Balon sağlam
olmalıdır ve püskürmelere karşı önlem olarak en fazla yarısına kadar doldurulmalıdır). Balon
bir sıkıştırma klempi ile motor ünitesine tutturulur (klemp sağlam olmalıdır ve balonun
ağırlığını taşımalıdır). Soğutucunun suyu açılır. Su banyosu istenilen sıcaklığa ayarlanır ve
balon otomotik/mekanik asansör ile istenilen miktarda su banyosuna daldırılır. Döndürme
motoru istenilen hıza ayarlanır. Vakum ünitesi (eğer gerekiyorsa) çalıştırılır, yavaş ve
dikkatli bir şekilde sistem havaya kapatılarak istenilen miktarda (örneğin bulunduğu
balondaki kaynama şiddeti göz önünde bulundurularak) vakum sağlanır. Bu esnada çözücü
buharlaşır ve soğutucudan geçerek yoğunlaşır, toplama balonunda birikmeye başlar.
23
Çözücünün tamamının uzaklaştığından emin olunduğunda vakum kapatılır ve içeride oluşan
vakumu dışarı atmak için yoğunlaştırıcı üzerindeki vana açılır. Daha sonra buharlaştırılacak
sıvının balonu su banyosundan çıkarılır. Sistemin sıcaklığı ve rotary kapatılır. Daha sonra
balon sistemden çıkarılır.
Şekil4. 4 Döner Buharlaştırıcı
Döner buharlaştırıcının ana parçaları:
a) Elektrikli su banyosu: örnek çözeltiyi istenilen sıcaklığa ısıtmak ve buharlaşma sırasında
soğumasını yada donmasını engellemek için,
b) Motor: örneği istenilen hızda döndürerek homojen ısıtmayı sağlamak ve aşırı ısınmayı
önlemek için,
c) Soğutucu: buharlaşan çözücünün yoğunlaştırılarak toplama kapında toplanması için,
d) Vakum Ünitesi: vakum uygulayarak yüksek kaynama noktalı çözücünün daha düşük
sıcaklıklarda kolayca uzaklaşmasını sağlamak için, (vakum pompası)
e) Mekanik asansör: örneğin bulunduğu balonu su banyosuna daldırmak ya da
uzaklaştırmak için,
f) Toplama balonu: yoğunlaşan çözücünün toplanması için kullanılır.
24
Döner buharlaştırıcı aslında basit ve pratik vakumda damıtma düzeneği olarak düşünülebilir. Dış
basınç, vakum pompası ile düşürülerek, yüksek sıcaklılara gerek duyulmadan, düşük
sıcaklıklarda, uzaklaştırılması istenen organik çözücü uzaklaştırılmış olur (Eter gibi çok düşük
kaynama noktasına sahip çözücülerde vakum uygulanmaz).
Döner buharlaştırıcıyı kullanırken dikkat edilmesi gereken hususlar:
•
Kullanılan balonlar çatlaksız ve sağlam olmalıdır.
•
Klemp çatlaksız ve sağlam olmalıdır, metal klempler daha güvenilirdir.
•
Toplama balonu işleme başlamadan önce mutlaka boşaltılmalıdır.
•
Her şey sistem havaya açıkken ayarlanmalı ve daha sonra dikkatli ve yavaşça havaya
kapatılarak vakum açılmalıdır. İşlem sonlandırılırken önce yavaş ve dikkatlice hava
verilmeli, basınç dengelenmeli ve ardından vakum kapatılmalıdır.
•
Genellikle n-hekzan, etilasetat, vb. gibi düşük kaynama noktalı çözücülerin
uzaklaştırılmasında kullanılır. Daha yüksek kaynama noktalı; su (100
o
C),
dimetilformamid (DMF, 153 °C), dimetilsülfoksit (DMSO, 189 °C) gibi çözücüler,
oldukça kuvvetli bir vakum ünitesi ile ancak çok düşük basınçlara inilebiliyorsa
uzaklaştırılabilir ve pratikte pek kullanılmaz. Örneğin, DMF ve DMSO, basınç 760
torr’dan 5 torr’a düşürülürse 50 °C’de kaynar.)
•
Çok düşük kaynama noktalı çözücülerin uzaklaştırılmasında ise dikkatli olunmalıdır.
Dietileter’in kaynama noktası çok düşüktür ve çabuk buharlaşır. Bu nedenle vakum
uygulamak tehlikelidir. Su banyosunda hafif bir ısıtma ile vakum olmaksızın
kolaylıkla uzaklaştırılabilir. Ayrıca eterli çözeltiler peroksit içerebilirler ve bu da
patlamaya sebebiyet verebilir. Organik asitler, nitro içeren bileşikler gibi kararsız
bileşiklerin uzaklaştırılmasında da patlamalar söz konusudur. Çalışılırken son derece
bilinçli ve dikkatli olunmalı ve mutlaka koruma gözlüğü kullanılmalıdır.)
•
Banyo sıcaklığı çözücünün kaynama noktasının altında bir sıcaklığa ayarlanmalıdır
(unutulmamalıdır ki vakum ile kaynama noktası düşecektir). Asla çözücünün
kaynama noktasının üzerinde bir sıcaklığa çıkılmamalıdır.
•
Buharlaşma sırasında balon içeriği mutlaka gözlem altında tutulmalıdır, çok şiddetli
kaynamalar püskürme ve hatta patlamalara neden olabilir. Şiddetli kaynama
gözlenmesi durumunda sisteme kontrollu bir şekilde hava verilerek engellenmelidir.
25
•
Püskürme ile soğutucu ve toplama balonu kirlenirse kullanıcı tarafından mutlaka
hemen temizlenmelidir.
•
Su banyosu açık bırakılmamalı, eğer bırakılacaksa soğutucuya su buharı girmemesi
için ağzı bir kağıt mendil ile kapatılmalıdır, zira su bir diğer kullanıcı için sorun
yaratabilir.
•
Su banyosu için saf su kullanılmalıdır. Banyonun kireç ile kaplanması banyonun
verimini düşürür, temizlenmesi çok güçtür ve cihaza zarar verir.
4.4.4. Deneyin Yapılışı
a) Tuz çözeltisi hazırlanır ve iletkenlik değeri okunur (Eo).
b) Su banyosuna yeterli miktarda su konulur.
c) Tuz çözeltisi buharlaştırılacak sıvı balonunun içerisine konur ve cihazdaki yerine takılır.
d) Balon otomotik/mekanik asansör ile istenilen miktarda su banyosuna daldırılır.
e) Soğutma suyu açılır ve su banyosunun sıcaklığı 25ºC’ye ayarlanır ve dönme hızı kapalı
olarak deneye başlanılır.
f) Vakum ünitesi çalıştırılır ve zamanla çözücü buharlaşır ve soğutucudan geçerek
yoğunlaşır, toplama balonunda birikmeye başlar. Aynı zamanda sıvı balonundaki tuz
konsantrasyonu zamanla artacaktır.
g) T zaman sonra vakum kapatılır ve içeride oluşan vakumu dışarı atmak için yoğunlaştırıcı
üzerindeki vana açılır.
h) Balon su banyosundan çıkarılır ve T zaman sonrası iletkenlik değeri ölçülür (ECT1).
i) Balona yeniden aynı özellikteki tuz çözeltisi konur ve yukarıdaki basamaklar aynı şekilde
a)’dan d)’ye kadar tekrarlanır.
j) Soğutma suyu açılır ve su banyosunun sıcaklığı 25ºC’ye ve dönme hızı 100 rpm’e
ayarlanarak deneye başlanılır.
k) Vakum ünitesi çalıştırılır ve zamanla çözücü buharlaşır ve soğutucudan geçerek
yoğunlaşır, toplama balonunda birikmeye başlar.
l) T zaman sonra vakum kapatılır ve içeride oluşan vakumu dışarı atmak için yoğunlaştırıcı
üzerindeki vana açılır.
m) Balon su banyosundan çıkarılır ve T zaman sonrası iletkenlik değeri ölçülür (ECT2).
n) Balona yeniden aynı özellikteki tuz çözeltisi konur ve yukarıdaki basamaklar aynı şekilde
a)’dan d)’ye kadar tekrarlanır.
26
o) Soğutma suyu açılır ve su banyosunun sıcaklığı 80ºC’ye ve dönme hızı kapalı olarak
deney yapılır.
p) T zaman sonra cihaz kapatılarak iletkenlik değeri okunur (ECT3).
q) Yeni tuz çöz çözeltisi hazırlanarak su banyosunun sıcaklığı 80ºC’ye ve dönme hızı 100
rpm’e ayarlanarak deney tekrarlanır.
r)
T zaman sonra cihaz kapatılarak iletkenlik değeri okunur (ECT3).
4.4.5 Hesaplamalar
Deney esnasında yapılan ölçümler aşağıdaki tabloya kaydedilmelidir.
Tablo 4.8. Farklı ortam şartlarında ölçülen iletkenlik değerleri
Sıcaklık
(ºC)
İletkenlik Değeri
µS/cm
Dönme Hızı
(rpm)
4.4.6. Değerlendirme
-
25ºC’deki İletkenlik değerlerinin grafiğini çiziniz ve yorumlayınız.
-
Sıcaklık ve dönme hızına göre iletkenliğin nasıl değiştiğini yorumlayınız.
-
Döner buharlaştırıcıyı deniz suyundan saf su elde etmek için kullanmış olsaydınız verimi
artırmak için neler önerirdiniz?
-
Bir deney öğrencisi Dönel buharlaştırıcı cihazının verimini gözlemlemek için 0,01N’lik
1litre KCl çözeltisi hazırlayacaktır. Bu işlem için kaç gram tuz gerekmektedir.
-
Bir endüstri firması organik bileşiğin %80’nini geri kazanmak için dönel buharlaştırıcı
cihazını kullanmaktadır. Dönel buharlaştırıcıyla geri kazanmak için 4 tane yöntem vardır.
Maliyet analizi yaparak en uygun yöntemi bulunuz? (1KWatt enerji için 0.4TL
harcanmaktadır.)
27
Deney No
Dönme Hızı
Sıcaklık
1
-
50
2
100rpm
3
4
Harcanan
Verim
Çalışma saati
0,6Kwatt/h
%60
10
50
1Kwatt/h
%85
8
-
90
0,9Kwatt/h
%80
9
100rpm
90
1,8Kwatt/h
%95
6
Elektrik
28
4.5. ADSORPSİYON
4.5.1. Deneyin Amacı
Aktif karbon kullanarak adsorpsiyon yöntemiyle atıksulardan boyar madde giderimi
gerçekleştirmek.
4.5.2. Kullanılan Malzemeler
Kimyasallar
•
Boyar madde içeren atıksu (10 mg/L metilen mavisi)
•
Aktif karbon
Cihazlar
•
Manyetik karıştırıcı düzeneği
•
Spektrofotometre (650 nm)
•
50 mL Erlenmayer
•
Kronometre
•
Filtrasyon düzeneği
4.5.3. Teori
Adsorpsiyon, maddelerin adsorban katısının veya sıvının yüzeyine toplanmasıdır. Yüzeye
tutunan madde “adsorbat”, bunları adsorplayan katı ya da sıvı “adsorbent” olarak isimlendirilir.
Adsorpsiyon fiziksel ve kimyasal adsorpsiyon olmak üzere ikiye ayrılır. Fiziksel adsorpsiyonda
etkileşim zayıf bağlar ve çekim kuvvetleri sonucu meydana gelir. Fiziksel adsorpsiyonda etkili
olan kuvvet Van Der Waals kuvvetleridir. Kimyasal adsorpsiyon ise adsorbat ile absorbent
arasında kimyasal reaksiyon oluşması, elektron alış verişi olması sonucunda meydana gelir.
Fiziksel adsorpsiyonda bağ kuvvetleri moleküller arasında olurken kimyasal adsorpsiyonda
moleküller içindedir. Fiziksel adsorpsiyonun kimyasal adsorpsiyona karşı en büyük üstünlüğü
tersinir olmasıdır. Yani fiziksel adsorbent rejenere edilip yeniden kullanılabilirken kimyasal
adsorbent rejenere edilebilirliği etkileşimde olduğu adsorbata göre değişir.
Fiziksel adsorpsiyonda etkileşim hızlı gerçekleşirken kimyasal adsorpsiyonda etkileşim hızı
sıcaklığa bağlı olarak değişir. Adsorpsiyonda, adsorbentin özellikleri, yüzey etkileşimleri,
adsorbat ve çözücünün özellikleri ve sistemin özellikleri önemli etkenlerdir. Aktif karbon,
29
kitosin, zeolitler, killer, bazı endüstriyel atıklar ve tarımsal atıklar adsorbent olarak kullanabilen
materyallerdir.
Bunların arasında aktif karbon en çok kullanılan adsorbenttir. Aktif karbon, yapısında ağırlıklı
olarak karbon atomu bulunan (%85 – %95) gözenekli yüzeye sahip, tabakalı yapıda ve insan
sağlığı için zararsız bir maddedir (Şekil 4.5).
Şekil4. 5 Aktif karbonun yüzey yapısı
Ahşap, talaş, meyve çekirdekleri, hindistan cevizi kabuğu, kömür ve linyit aktif karbon
üretiminde kullanılan maddelerdir. Aktif karbonun gözeneklerinin alanı yüzey alanın kat ve kat
fazlasıdır ve adsorpsiyon işleminin büyük bir çoğunluğu bu gözeneklerde gerçekleşmektedir.
Aktif karbon toz veya granül şeklinde ticari olarak satılmaktadır. Adsorpsiyon işlemi sırasında
sistem dengeye geldiği anda, adsorban maddenin birim kütlesinin adsorpladığı kirletici madde
miktarı, sıcaklık, derişim, basınç veya denge basıncının bir fonksiyonudur. Sıcaklığın sabit
tutulduğu durumlarda bu fonksiyon aşağıdaki denkleme eşittir;
(4.9)
Burada;
x : adsorplanan kirletici kütlesi
m: adsorbentin kütlesi
X: kütle oranı (birim adsorbent kütlesi başına düşen adsorplanan kirletici kütlesi)
30
Bu fonksiyon sayesinde elde edilen eğrilere adsorpsiyon izotermi adı verilir. Bu izotermler için
önerilen bazı matematiksel modeller vardır. Bunlardan bazıları Freundlich, Langmuir, Polonyi,
Sylgin-Frumkin, Hill, Temkin, Fowler ve BET (Brunauer, Emmett, Teller) izotermleridir.
Freundlich ve Langmuir izotermleri diğer izotermlere göre daha çok kullanılmaktadır.
a) Langmuir İzotermi
Langmuir İzotermi aşağıdaki denklemle ifade edilir;
(4.10)
Burada;
a: adsorbentin maksimum adsorplama kapasitesi (sabit)
Ce: sistem dengedeyken çözeltide kalan kirletici derişimi
K : Langmuir adsorpsiyon sabiti
Bu denklem gerekli düzeltmeler yapılıp dorusallaştırılırsa aşağıdaki denklem elde edilir;
(4.11)
Bu denkleme göre y ekseninde
ve x ekseninde Ce değerleri olacak şekilde grafik çizilirse,
grafiğin eğimi değerini, eğrinin y eksenini kestiği nokta ise
değerini verir.
Şekil4. 6 Langmuir izoterm sabitlerinin bulunması
31
b) Freundlich İzotermi
Freundlich izorterm denklemi:
(4.12)
Burada;
K: Freundlich sabiti
Ce: sistem dengedeyken çözeltide kalan kirletici derişimi
n: sabittir ( n > 1 )
Eğer bu denklemin logaritması alınıp doğrusallaştırılırsa aşağıdaki denklem elde edilir.
(4.13)
y ekseninde
ve x ekseninde Log Ce değerleri olacak şekilde grafik çizilirse, grafiğin
eğimi 1/n değerini, eğrinin y eksenini kestiği nokta ise Log K değerini verir.
Şekil4. 7 Freundlich izoterm sabitlerinin bulunması
32
4.5.4. Deneyin Yapılışı
-
5 adet 50 mL 10 mg/L metilen mavisi içeren atıksu erlenlere alınır.
-
0.20, 0.13, 0.10, 0.07 ve 0.05 g aktif karbonlar tartılır.
-
50 mL’lik atıksular manyetik karıştırıcılara yerleştirilir ve sırasıyla içlerine tartılan aktif
karbonlar eklenir.
-
Her bir erlene bir adet balık atılır ve manyetik karıştırıcılar çalıştırılır.
-
Her bir numuneden 15 dakikada bir 5 mL örnek alınır, örnek alınmadan 1 dakika önce
karıştırıcı durdurularak aktif karbonun çökmesi beklenir, alınan numunelerin 650nm
dalga boyunda spektrofotometrede ölçümleri yapılır.
-
Elde edilen sonuçlar ilgili çizelgelere kaydedilir.
-
Bu işlem 90 dakika sürdürülür.
-
Numuneler 90. dakika sonunda denge derişimine ulaşamadıkları için 120, 150 ve 180.
dakika örnekleri için boyarmadde derişim sonuçları deneyin sorumlu asistanı tarafından
verilecektir.
4.5.5. Hesaplama
Tablo 4.9 Kalibrasyon Eğrisi
Derişim (mg/L)
Absorbans (abs.)
Tablo 4.10 Deneysel veriler
Zaman (dk)
Absorbans (abs.)
Derişim (mg/L)
33
Tablo 4.11 Freundlich ve Langmuir izotermleri sabitlerinin hesaplanması
Langmuir İzotermi
Eğrinin Denklemi
R2
Freundlich İzotermi
K
a
Eğrinin Denklemi
R2
K
n
4.5.6. Değerlendirme
-
Tablo 4.8 yardımı ile kalibrasyon eğrisini çiziniz, Tablo 4.9’u kullanarak her bir örnek
için X değerlerini hesaplayınız.
-
Deneylerde aktif karbon yerine başka hangi adsorbentler kullanılabilir, deney sonucu elde
ettiğiniz veriler hangi izoterme daha uygundur?
34
4.6. ELEK ANALİZİ
4.6.1. Deneyin Amacı
Eleme işlemi ile farklı boyut gruplarında bulunan tane miktarını belirleyerek, granülometri eğrisi
yardımıyla malzemeye ait karakteristik çapların tespit edilmesi.
4.6.2. Kullanılan Malzemeler
Cihazlar
•
Değişik elek açıklıklarına sahip elekler
•
Otomatik sallama makinesi
•
Terazi
•
Numune Kabı
•
Kum
4.6.3. Teori
Eleme katı bir malzeme karışımını elekler kullanarak farklı boyutlardaki bileşenlerine ayırma
işlemidir. Eleme işleminde kullanılan elekler büyüklüklerine göre sınıflandırılırken “meş
numarası” kavramı kullanılır. Meş numarası bir elekte birim alan (inç2 veya mm2) başına düşen
delik sayısını göstermektedir.
Doğada bulunan veya işlenmiş malzemelerde farklı boyut dağılımına ve şekillere sahip taneler
bulunmaktadır. Parçacıkların boyut analizi, farklı boyut gruplarında bulunan tane miktarının
belirlenmesiyle birlikte sonraki işlemler içinde önem teşkil etmektedir. Boyut dağılımını
belirlemek için birçok farklı yöntem mevcuttur.
Bu yöntemlerin içinde en çok tercih edileni uygulanabilirliğinin kolay olması nedeniyle elek
analizidir (Şekil 4.8). Çakıl ve kum boyutundaki iri yapılı taneciklerde elek analiz tercih edilir.
Silt ve kil boyutundaki ince taneli yapılarda ise hidrometre analizi uygulanmaktadır.
Akarsulardaki tanelerin biçimi küresel olmadığı için tane büyüklüğünü temsil eden karakteristik
bir çap tanımlanması gerekir. Bu çap çeşitli şekillerde seçilebilir:
a) Elek çapı: Tanenin geçebildiği en küçük elek açıklığıdır. Kum ve daha iri tanelerin çapı
çoğu zaman elek analizi ile ölçüldüğü için elek çapı ile belirtilir.
b) Çökelme çapı: Aynı akışkanda söz konusu tane ile aynı çökelme hızı ile çökelen, aynı
yoğunluktaki küresel tanenin çapıdır. Standart çökelme çapı 24 °C’deki suda ölçülür. Silt ve
35
killer için elek analizi yapılamadığından çap çökelme deneyiyle (ya da mikroskobik analizle)
belirlenir ve çökelme çapı kullanılır. Hidrolik bakımdan en anlamlı çaptır.
Şekil4. 8 Parça Boyut Dağılımını Belirleme Yöntemleri
c) Nominal çap: Tane ile aynı hacimdeki kürenin çapıdır. Sediment yığınlarının hacminin
belirlenmesinde kullanılır. Nominal çap elek çapından biraz büyüktür, 0.2-20 mm arasındaki
taneler için iki çap arasındaki oran 1.1 kadardır.
Aşağıdaki tabloda partiküllerin çaplarına göre sınıflandırılması sunulmuştur.
4.11 Tanelerin büyüklerine göre sınıflandırılması
Adı
D Tane Çapı (mm)
Kaya
>250
İri Taş
60-250
Çakıl
2-60
Kaba Kum
0.5-2
Orta Kum
0.25-0.5
İnce Kum
0.06-0.25
Silt
0.004-0.06
Kil
<0.004
Farklı büyüklükte taneler bir arada bulunduğunda tane büyüklerinin dağılımını bilmek
gerekir. Bu dağılım granülometri eğrisi yardımıyla belirlenebilmektedir (Şekil 4.9). Bunun için
36
yatay eksende tane büyüklüğü, düşey eksende belli bir çaptan küçük (ya da büyük) tanelerin
yüzde olarak ağırlığı işaretlenir. Tane büyüklüğü için yatay eksende genellikle logaritmik ölçek
kullanılırken, düşey eksende normal dağılım ölçeği kullanılmaktadır. Bir granülometri
eğrisinden, malzemelerin % 50’sini geçiren çap D50 (medyan çap) kolaylıkla okunabilir.
Şekil4. 9 Granülometri Eğrisi
4.6.4. Deneyin Yapılışı
- Partikül boyut dağılımı incelenecek olan numuneyi tartarak ağırlığını Tablo 4.12’de yer alan
ilk satıra kaydediniz.
- Elekleri numaralarına göre büyükten küçüğe doğru sıralayınız.
- Eleklerin numaralarını, mesh açıklıklarını ve elek ağırlıklarını Tablo 4.12’ye yazınız. Ayrıca
eleklerin en altına yerleştirilen kör eleğin ağırlığını da yazınız.
- Hazırlanan elek setini, elek sallama makinesine yerleştiriniz.
- Tartılan numuneyi en üstteki eleğe koyarak kapağı kapatınız.
- Elek setinin vidalarını sıkıştırınız.
- Eleme işleminin gerçekleşmesi için elek sallama makinesini çalıştırarak yaklaşık 5 dakika
bekleyiniz.
- Elemeden sonra her bir eleği üzerindeki malzeme ile tartarak Tablo 4.12.’ye not ediniz.
- Deney düzeneğini temizleyiniz.
37
4.6.5. Hesaplamalar
- Elek açıklıklarına göre deneyde kullandığınız elekleri yazınız.
- Deney sonuçlarınızı aşağıdaki Tablo 4.13 formatında oluşturunuz.
- Tane boyut aralığı ve % madde miktarı değişimini veren boyut dağılım grafiği granülometri
eğrisini çiziniz.
Tablo 4.12 Deneydeki Ölçümler
MALZEMENİN TOPLAM
AĞIRLIĞI (g)
Elek
Elek
Boş Elek
Elek Üstündeki
Elek ve Elek
No
Açıklı
Ağırlığı
Malzemenin
Üstündeki
ğı
(g)
Malzemenin
Toplam Ağırlığı
(mm)
(g)
Toplam Ağırlığı
(g)
2
1
1
2
0,6
3
0,5
4
0,3
5
0,25
6
0,212
7
0,150
8
0,135
9
0,075
10
SON KÖR
Elekten Geçen
Malzemenin
Toplam Ağırlığı
(g)
Tablo 4.13 Deney Sonuçları
Elek Açıklığı (mm)
Elek üstündeki tutulan
malzemenin ağırlıkça
yüzdesi (%)
2
1
0,6
0,6
0,3
0,25
0,212
0,150
0,135
0,075
KÖR
38
Elekten geçen
malzemenin ağırlıkça
yüzdesi (%)
- Granülometri eğrisinden malzemeye ait karakteristik çaplardan D10, D30, D50 ve D60
değerlerini belirleyiniz.
- Uniformluk ve süreklilik katsayısını hesaplayınız.
(Uniformluk Katsayısı
, Süreklilik Katsayısı
4.6.6. Değerlendirme
- Bir malzemenin boyut analizini yaparken elek açıklıklarının seçiminde nelere dikkat edilmesi
gerekir? Sizin yapmış olduğunuz deneyde elek açıklıklarını değiştirir miydiniz? Neden?
- Hesaplamalarınızda elde ettiğiniz uniformluk ve süreklilik katsayıları kullandığınız
malzemenin partikül boyut dağılımı hakkında ne tür bir bilgi sağlar?
39
4.7. MODEL ÇÖKELME TANKI
4.7.1. Deneyin Amacı
Model çökeltme tankındaki verimin belirlenmesi.
4.7.2. Kullanılan Malzemeler
Kimyasallar
Cihazlar
• Armfield W7 model çökeltme tankı (1000 x 400 x 200 mm),
• Türbidimetre,
• Pipet,
• Numune kabı,
• Model atıksu,
• Kronometre
4.7.3. Teori
Çökeltme, askıda katıların ayrılması için yerçekimiyle çöktürmenin kullanıldığı bir katı
sıvı ayırma yöntemidir. Çöktürme işlemleri çevre mühendisliğinde su ve atıksuların arıtımında
en çok kullanılan işlemlerdir. Su ve atıksu ortamında bulunan tüm kirlilikler nihai olarak katı
madde olarak çöktürülerek ortamdan uzaklaştırılırlar.
Çökelme, suda bulunan katı maddelerin ağırlıkları etkisiyle, su ortamından ayrılma olayı
olmasına rağmen, katı maddeler çökelme esnasında farklılık gösterirler. Taneciklerin derişimi ve
tanecikler arası etkileşim temelinde dört genel sınıfa ayrılabilir. I. tip çökelme, yada serbest
çökelme seyreltik bir çözeltide, yumaklaşmamış, ayrık taneciklerin çökelmesidir. Tanecikler ayrı
birimler şeklinde çökelir ve aralarında görünür bir yumaklaşma yada etkileşme yoktur. Yüzey
sularının kendiliğinden çökelmesi ve kum tutucularda kum taneciklerinin çökelmesi örnek olarak
gösterilebilir. II. tip çökelme, yumaklaşmış taneciklerin çökelmesidir. Çökelme süresince
tanecikler yumaklaşarak boyutları büyür ve daha hızlı çökelir. II. tip çökelmeye örnek olarak,
atıksuların birincil çökelmeleri, kimyasal olarak pıhtılaştırılmış su ve atıksuyun çökelmeleri
gösterilebilir. III. tip çökelme, engelli çökelme olarak da bilinir. Tanecikler arası kuvvetlerin
diğer taneciklerin çökelmesini engellemesi ile oluşan bir çökelme tipidir. Çevre mühendisliği
40
uygulamalarında bu çökelme türüne, biyolojik çökelme (son çöktürme) ve ikincil arıtma
birimlerinde rastlanmaktadır. IV. tip çökelme, birbirlerine değecek kadar yüksek derişimlerde
bulunan taneciklerin çökelmesidir ve sıkışık çökelme olarak da adlandırılır. Hem ayrık hem de
yumaklaşmış tanecikler sıkışık şekilde çökelmekle birlikte yumaklaşmış olanların bu şekilde
çökelmesi ile daha sık karşılaşılır.
İçme
sularının
artımında,
evsel
ve
endüstriyel
atıksularda,
askıda
katıların
çöktürülmesinin sağlanması için farklı tipte çökeltme tankları kullanılmaktadır. Genellikle
betonarme olarak yapılırlar, dairesel, dikdörtgen yada kare kesitli olabilir. Hem su hemde atıksu
arıtımında kullanılan havuzlarda çökeltme ilkeleri aynıdır, donanım ve işletme yöntemleri de
birbirine benzemektedir.
4.7.4. Deneyin Yapılışı
a) Deney perdeli olarak gerçekleştirileceği için, vidaları yardımıyla perde giriş bendinden 5 cm
uzaklıkta, derinlik olarak su yüzeyinden 9 cm aşağıya gelecek konumda sabitlenir.
b) Besleme tankı vanası kapalı, bypass vanasının açık konumda olması kontrol edilir.
c) Besleme tankındaki model atıksuyun karışmasının sağlanması için pompa çalıştırılarak bir
süre beklenir.
d) Drenaj vanası kapatılarak, besleme tankı vanası açılır ve tankın tamamen dolması sağlanır.
e) Tank tamamen dolduktan sonra, tanktaki bekleme süresi 90 dakika olacak şekilde besleme
tankından gelmesi gereken debi miktarı hesaplanır.
f) Hesaplanan debiye göre, besleme tankı vanası ayarlanır ve deney başlatılır.
g) Deneyin başladığı anda besleme tankından ve sonrasında 5, 10, 20, 30, 50, 70 ve 90.
dakikada bir tankın girişten 30, 70 ve 100 cm mesafe uzaklığından numuneler alınıp
türbidimetrede okunur, bulanık değerleri Tablo 4.14 ve Tablo 4.15 ‘ye kaydedilir.
h) Bypass vanası yardımıyla çökeltme tankındaki su besleme tankına alınarak deney
tamamlanır.
41
Şekil4. 10 Deney Düzeneği
1- Besleme tankı,
7- Besleme tankı için akış ölçer,
2- Pompa,
8- Giriş bendi,
3- Bypass,
9- Dikey perde,
4- Besleme tankı vanası,
10- Çökeltme tankı,
5- Musluk suyu için akış ölçer,
11- Drenaj vanası,
6- Musluk suyu vanası,
12- Çıkış bendi,
4.7.5. Hesaplamalar
Tablo 4.14 Perdeli koşullarda deney sonuçları
Zaman, dk
Mesafe, cm
5
10
20
30
0
30
70
100
42
50
70
90
4.7.6. Değerlendirme
−
Perdeli ve perdesiz durum için elde edilen değerler Tablo 4.15’teki şekilde kaydediniz ve
deneyde elde ettiğiniz sonuçlar yardımıyla perdeli durumdaki tank verimini hesaplayınız.
−
Tankın boyutlarından faydalanarak yatay akış hızı ile yüzey yükü değerini hesaplayınız,
perdeli durum için zaman ve mesafeye bağlı olarak bulanıklık değerlerinin değişimini 3boyutlu bir grafik yardımıyla gösteriniz.
43
4.8. İYON DEĞİŞİMİ
4.8.1. Deneyin Amacı
Yumuşatılan suda katyonik reçinenin değişim kapasitesinin belirlenmesi.
4.8.2. Kullanılan Malzemeler
Kimyasallar
•
Katyon reçinesi (Amberjet 1000 NA kuvvetli katyonik reçine)
•
Örneklerin sertliklerinin belirlenmesi için Sertlik Tayininde kullanılan kimyasallar
Cihazlar
•
İyon değişim düzeneği
4.8.3. Teori
Sudaki belirli artı veya eksi yüklü iyonların sudan alınarak yerine aynı yüke sahip başka
iyonların suya verilmesi, böylelikle sudaki iyon dengesinin korunarak belirli iyonların
giderilmesi işlemine iyon değişimi denir. İyon değiştirme ile renk, sertlik, demir ve mangan,
nitrat ve diğer inorganikler, ağır metaller ve organik maddeler giderilebilir.
İyon değiştirici medya katyonik-asit iyon değiştirici veya anyonik-bazik iyon değiştirici olabilir.
Su yumuşatmada en sık kullanılan iyon değiştirici malzemesi zeolit ve reçinedir. Ancak
reçinenin iyon değiştirme kapasitesi zeolite oranla oldukça yüksektir. Sentetik iyon değiştiriciler
4 ana grupta toplanabilir. Bunlar güçlü ve zayıf katyon değiştiricilerle güçlü ve zayıf anyon
değiştiricilerdir. Bazı iyon değiştirme mekanizmaları aşağıda örnek olarak gösterilmiştir.
Sularda sertliğe sebep olan Ca+2 ve Mg+2 iyonlarını gidermek için kullanılan katyonik iyon
değiştiricilerde bu iyonların yerini Na+ iyonu alır. Bu reaksiyon aşağıdaki gibidir.
NaCl Yukarıda görüldüğü üzere Ca+2 ve Mg+2 iyonları reçinede tutulurken suya çözünmüş Na+
iyonları verilmiş olur. Normal bir reçinenin hızı 350 - 470 m/gün (m3 /m2 -gün) seviyelerindedir.
44
Reçine yatağı doygun hale geldiğinde artık Ca+2 ve Mg+2 iyonlarını tutmamaya başlar. Bu
noktada yatağın rejenere edilmesi gerekir. Rejenerasyon malzemesi olarak katyon iyon
değiştiricilerde genellikle NaCl kullanılır. Rejenerasyona kadar geçen sürenin uzunluğu yani
yatağın iyon değiştirme kapasitesi yatağın cinsine bağlıdır. Rejenerasyon esnasında gerçekleşen
reaksiyon aşağıdaki gibi gösterilebilir.
4.8.4. Deneyin Yapılışı
-
Çapı 1,5 cm olan cam kolon içerisine 5 cm yüksekliğinde reçine doldurulur. Reçinenin
dökülmemesi için cam kolonun dibine cam yünü sıkıştırılır.
-
Çeşme suyunun toplam sertliği hesaplanır (sertlik deneyi ile)
-
Musluklu balona çeşme suyu doldurularak 50 ml su kolondan damla damla geçirilir.
-
Kolondan geçen suyun toplam sertliği hesaplanır.
-
Reçinenin iyon değiştirme kapasitesi belirlenir.
4.8.5. Hesaplamalar
Reçine yatağının ıslak hacmi: [ π x R2 /4] x son derinlik
Değişim Kapasitesi: meq CaCO3 kütlesi / ıslak yatak hacmi
Tablo 4.15. Hesaplama Tablosu
Kolon yüksekliği
Kolon Çapı
1,5 cm
Kolon hacmi, (ml)
Başlangıç sertliği (meq/L)
Yumuşatılan su hacmi, (ml)
Yumuşatılan suyun sertliği (meq/L)
Reçine değişim kapasitesi (meq/ml)
45
-
Islak reçine hacmi bilindiğine göre, mili eşdeğer kütle/mL olarak kapasitesi hesaplanır.
Üreticiler tarafından verilen bilgi ile bu sonuç karşılaştırılır. Farklılık varsa, nedeni
açıklanmalıdır.
4.8.6. Değerlendirme
1. İyon değişimi ile amonyak giderimi hakkında bilgi veriniz
2. Sıçrama eğrisi nedir, ne için kullanılır. Hakkında kısaca bilgi veriniz.
46