Klinoptilolit İle Akışkan Yatakta Amonyum Giderimi

Abstract

Amonyum iyonu hem değerli bir bitki besin maddesi olduğu hem de ötrofikasyona yol açtığı için atıksulardan geri kazanım konusunda çalışmalar yapılmaktadır. Ayrıca içme sularından da temizlenmesi gereklidir. İyon değişimi yöntemi bu konuda oldukça popüler olup işlem yoğun bir şekilde sabit dolgulu kolonlarda gerçekleştirilmektedir. Sabit dolgulu kolonlar klasik sistem olmalarına rağmen bazı dezavantajlara da sahiptir. Bunlar arasında tıkanma, akımın düzgün dağılmaması ve kanallaşma ile yüksek besleme hızlarında artan basınç kayıpları en önemlileridir. Bu sebeple sabit dolgulu kolonlarda genellikle 1 mm'den iri tanelerin kullanılması gerekmektedir. Kolon aşağıdan yukarıya doğru beslendiği zaman akışkanlaşma hızının altında çalışma zorunluluğu da gerçek bir kısıtlamadır. Yukarıdan aşağıya doğru besleme durumunda ise daha yüksek hızlara çıkılabilmekle beraber artan basınç kayıpları kısıtlayıcı olmaktadır. Her iki besleme tipinde de kolonları kullanım verimini artırmak için yüksek temas sürelerinde çalıştırmak gerekmektedir. Akışkanlaşmış yataklarda ise tıkanma problemi olmayıp filtre edilmemiş akımlarla çalışmak mümkündür. Ayrıca artan hızlarda basınç kaybı yatak genleşmesi sayesinde artmayıp sabit kalmaktadır. Besleme debilerinin de yüksek olabilmesi ilave bir avantaj olarak düşünülmelidir. Yüksek besleme hızlarından doğan temas süreleri ise çok kısadır. Akışkan yataklarda iyon değişimi ile amonyum gideriminde kolon kullanım verimliliği konusunda yoğunlaşan bu çalışmada iyon değiştirici olarak doğal bir zeolit olan klinoptilolit kullanılmıştır. Doğal zeolit ülkemizde bol bulunan bir mineral olup, sağlığa zararlı etkilerinin olmadığı bildirilmektedir. Ayrıca katyon değişim kapasitesi oldukça yüksektir ve amonyum iyonuna karşı selektiftir. Kullanım sonrası alkali pH'da NaCl çözeltisi ile rejenere edilebilmesi de tekrar kullanım bakımından önemli bir avantaj sağlamaktadır. Salıverme (breakthrough) eğrisinin zaman göre gösterdiği değişimle belirlenebilen kolon kullanım verimliliği esasen salıverme (breakthrough) noktasına kadar geçen sürede kolonda tutulan amonyum miktarı ile tüm kolon doyana kadar tutulan miktarın oranı olarak tanımlanmıştır. Salıverme eğrisinin şekli ve dolayısıyla salıverme noktasının (breakthrough point) hangi sürede başladığı sözkonusu verimi etkilemektedir. Akışkan yataklı kolondaki en önemli bağımsız işletme parametreleri giriş konsantrasyonu, akış hızı, kolondaki zeolit miktarı ve dane boyutudur. Yatak genleşmesi, akışkan yatak yüksekliği, temas süresi ise konsantrasyon dışındaki parametrelere bağlıdır. Bu çalışmada akış hızı ve dane boyutunun kolon kullanım verimine etkisini incelemek ve muhtemel bir "optimal çalışma aralığı" belirlemek üzere deneysel çalışmalar yapılarak salıverme eğrileri elde edilmiştir. Deneylerde amonyum giriş konsantrasyonu evsel atıksudakine benzemesi amaçlanarak yaklaşık olarak 25 mg NH4+ /L olarak seçilmiştir. Dane boyutları olarak 210-250 mikron, 250-355 mikron ve 355-500 mikron aralığında olmak üzere üç farklı boyut aralığı seçilmiştir. Bu boyutlar sabit yatak kullanımına uygun olmayıp akışkanlaşmaya daha uygun olan boyutlardır. Belirtilen boyutlar iki elek arası tabir edilen elenmiş malzemenin boyutlarıdır. Kullanılan klinoptilolit sodyum formuna getirmek için NaCl çözeltisi ile şartlandırma işlemine tabi tutulmuştur. Deneylerde 100 gram klinoptilolit kullanılmıştır. Seçilen tane boyutundaki malzeme akışkanlaşma hızının üzerinde bir hızdan başlayarak deneysel olarak mümkün olan en yüksek hızlara kadar çıkılarak çeşitli sayıda deney gerçekleştirilmiştir. Salıverme eğrileri çıkış noktasındaki amonyum konsantrasyonu iyon selektif prob ile belirlenerek elde edilmiştir. Kolon kullanım verimleri ise bu eğrilerden nümerik integral yöntemiyle MATLAB programı kullanılarak hesaplanmıştır. Her üç tane boyutunda da kolon kullanım verimi ile akış hızı arasında önemli bir ilişki olduğu ortaya çıkmıştır. Beklenilenin aksine minimum akışkanlaşmanın az üzerindeki hızlarda yapılan deneylerde kolon verimi oldukça düşük olmuştur. Hız arttıkça verim de artmış ve belirli bir hızdan sonra tekrar düşme eğilimi göstermiştir. Böylece "en iyi çalışma hızı aralığı" belirlenebilmiştir. Esasen verimin yüksek olduğu bu aralık hızın mutlak değerinden ziyade akışkan yatakta elde edilen porozite ile daha doğru ifade edilebilmektedir. Yatak porozitesinin yaklaşık olarak 0.70 ile 0.84 arasında olduğu durumlarda en iyi verim elde edilmiştir. "En iyi verim" değerleri %50 ile %70 arasındadır. Bu değerler kolondaki malzemenin iyon değişim kapasitesinin yüzde olarak ne kadarının salıverme (breakthrough) noktasına kadar kullanıldığını göstermektedir. Bu değerler sabit yataklı kolonlarda elde edilen değerlerle uyumludur. 210-250 mikron ve 250-355 mikron dane boyutları ile benzer sonuçlar elde edilmesine rağmen daha iri olan 355-500 mikron boyutunda verim çok düşüktür. Ancak bu boyut 100 gram yerine daha fazla miktarda kullanılması durumunda verim yükselecektir. Tek boyut aralığındaki danelerle yapılan deneylerin yanısıra birbiriyle karışmayan boyutlarda (201-250 ve 355-500 mikron) 50 şer gramlık farklı iki boyuttan oluşan klinoptilolit karışımı ile de üç farklı hızda deney yapılmış ve burada da benzer bir "en iyi çalışma hızı aralığı" olduğu görülmüştür. "En iyi çalışma hızı veya porozite aralığı" tabir edilen aralıkta boş yatak temas süreleri 30 saniye ile bir dakika civarındadır ve artmasının veya azalmasının verime belirgin bir etkisi olmamıştır. Yüksek kolon kullanım verimi ve kısa sürede yüksek miktarda su arıtabilme kapasitesi akışkan yatakların iyon değişimi ile su arıtımında kullanımını yaygınlaştıracaktır.

This study is focused on the efficiency of a fluidized bed in exchanging ammonium ion using a natural zeolite (clinoptilolite). An optimum range of efficiency is sought by studying the effect of the major chosen variables, the flow rate and the particle size, on the performance of the fluidized bed ion exchange column. The study mainly involves monodispersed fluidized beds of three different particle size ranges. An ammonuim chloride solution of about 25 mgNH4+/l, have been fed to fluidized bed columns at chosen flow rates and the existing ammonium concentration have been determined resulting in a breakthrough curve for each operating condition. Some experiments have also been performed with segregated fluidized beds to determine the effect of flow rate on their performance. The performance of the fluidized bed is related to the breakthrough curve obtained from experimental data. The ratio of the capacity at breakthrough point to the total column capacity is a good indicator of the efficiency of the column use. This ratio is calculated for each experiment in MATLAB software. It is found for both monodispersed and segregated fluidized beds that the height efficiencies were obtained when the bed voidage , ϵ, remained in the range of 0.70-0.84 for the two particle sizes 210-250 µm and 250-355 µm, the efficiencies within this voidage range were around 0.5-0.7, and this can be considered a good performance when compared with fixed beds. The results of this study indicate that there is an optimum operating range in terms of flow rate. Contact time does not seem to have much influence on the performance since very good results are obtained in fluidized beds with contact times of around 30 seconds to 1 minute. Good performance values coupled with high flow rates mean that higher amounts of waste water can be treated by ion exchange in fluidized beds.