Adsorpsiyon kolonlarında `break-through` eğrilerinin sayısal çözüm teknikleri ile tahmin edilmesi. Manyetik olarak stabilize edilmiş akışkan yataklardaki uygulamalar ve deneysel veriler ile karşılaştırılması: Ağır metal iyonlarının sorpsiyonu

Abstract

IV ÖZET Bu tezin amacı adsorpsiyon kolonu tasarımında kullanılabilecek, çalışma parametreleri, kolon boyutları ve kullanılan adsorbentin özelliklerine bağlı olarak sistem davranışlarının tahmin edilmesine yönelik bir matematik modelin geliştirilmesidir. Çalışmada, lineer olmayan adsorpsiyon izotermlerinin de sistem davranışına olan etkisinin incelenebildiği bu modelle, adsorpsiyon kolonlarında deneysel olarak elde edilen breakthrough eğrilerinden partiküller için film kütle aktarım ve katı difüzyon katsayılarının hesaplanabileceği gösterilmiştir. Model ile hem yığın sıvı konsantrasyonunun hem de katı konsantrasyonunun kolonda yol ve zamanla değişimini hesaplamak mümkündür. Ayrıca, literatürde basitçözüm için sıkça kullanılan, yerel denge (local equilibrium) kabulünü yapmadan sistem performansının incelenmesinin mümkün olduğu gösterilmiştir. Türetilen matematiksel model, kapalı (implicit) sonlu farklar sayısal analiz teknikleri ile çözülmüştür. Deneylerde adsorpsiyon sıvısı olarak, mükemmel karıştırılan bir rezervuardaki ağır metal iyonu çözeltisi kullanılmıştır. Bu çözelti hem tek geçişli hem de geri döngülü işletme şartlarında, paramanyetik özelliğe sahip sorbent partiküllerle doldurulmuş kolondan geçirilmiş ve sistemin adsorpsiyon performansı incelenmiştir. Sabit yatak, akışkan yatak ve manyetik olarak stabilize edilmiş akışkan sistemlerinde deneyler tekrarlanmıştır. Akış hızı, kolon boy/çap oranı ve besleme konsantrasyonunun kolondaki adsorpsiyon performansına etkisi araştırılmıştır. Ayrıca manyetik olarak stabilize edilmiş akışkan yataklarda manyetik alan şiddetinin adsorpsiyon performansına etkisi incelenmiştir. Manyetik olarak stabilize edilmiş akışkan yataklarda daha yüksek akış hızlarının kullanılabilmesinden dolayı adsorpsiyon performansının artırılabileceği sonucuna varılmıştır. Deneylerde adsorbat olarak Cr+6 (ağır metal iyonu) seçilmiştir. Çözücü buharlaştırma tekniği ile aktif karbon ve manyetit içeren kompozit yapıdaki polivinilbütiral partiküller hazırlanmış ve bunlar adsorbent olarak kullanılmıştır. Farklı aktif karbon ve manyetit oranlarının etkisi araştırılmış ve ağırlıkça % 80 aktif karbon ve %10 manyetit içeren partiküllerin hem adsorpsiyon kapasitesi hem de mekanik dayanım açısından optimum oranlar olduğuna karar verilmiştir. Adsorpsiyon izoterm çalışmaları sonucunda en iyi uyum Langmuir modeli ile elde edilmiştir. Desorpsiyon deneylerinde NaOH çözeltisi kullanılmış ve adsorplanan Cr+Ö iyonunun % 95 dolayında desorbe olduğu gözlenmiştir. Kolon deneylerinde, akış hızının artışı ile film kütle aktarım katsayısı, kf nin önce hızla arttığı daha sonra plato değerlerine ulaştığı bulunmuştur. Interstitial hız 0.23 cm/s ve 1.47 cm/s arasında değiştirilmiş ve bu aralıkta Cr+6 iyonu için en düşük kf değeri 7.5x1 0`3 cm/s, en yüksek kf değeri ise 6.1 xl0~4 cm/s bulunmuştur. Akış hızından bağımsız olduğu düşünülen katı difüzyon katsayısı, D ise 1.7><10`9 cm2/s - 2.0xl0`9 cm2/s aralığında kalmıştır. Bu sonuçlar literatürde benzer çalışmalar için verilen değerlerle uyum içerisindedir. Anahtar Kelimeler: Çözücü buharlaştırılmışı, Adsorpsiyon, Manyetik partiküller, Film kütle aktarım katsayısı, Difüzyon katsayısı, Matematiksel modelleme, Ağır metal iyonu adsorpsiyonu, Dolgulu kolon, Akışkan yatak kolon, Manyetik olarak stabilize edilmiş akışkan yatak kolon.

V ABSTRACT The purpose of this thesis is to develop a mathematical model to be used in the design of adsorption columns. The model predicts the behaviour of adsorption columns depending on the operation parameters, column dimensions and adsorbent properties. This model allows the use of non-linear adsorption isotherms in the investigation of system behaviours and the determination of particle film mass transfer, kf and diffusion coefficient, D values through experimentally found breakthrough curves. Furthermore, the model calculates the change of bulk liquid and solid concentrations both with time and column height. It may also worth to mention that the model is free from the local equilibrium assumption that is frequently used in the literature for the sake of simplicity. The model equations are solved with numerical analysis techniques by employing implicit finite differences method. The experiments are conducted by using heavy metal ion solutions in a perfectly mixed reservoir as adsorption liquid. The solution is pumped through the columns, both in single pass and in recirculated modes, that are filled with paramagnetic adsorbent particles. All experiments are repeated for packed-bed, fluidized-bed and magnetically stabilized fluidized beds. The effects of the flow rate, the column length/diameter ratio and the feed concentration on the column adsorption performance are searched. In addition, the effect of magnetic field on the magnetically stabilized fluidized bed adsorption columns is investigated. It is concluded that the adsorption performance can be improved in magnetically stabilized fluidized bed adsorption columns due to the availability of using higher flow rates. In the experiments Cr+6 (heavy metal ion) is selected as the adsorbate. Composite polyvinylbutyral particles that are containing activated carbon and magnetite powders are prepared by solvent evaporation technique and they are used as adsorbent. The effect of different ratios of activated carbon and magnetite on the particle mechanical strength and on adsorption capacity are searched. It is concluded that the optimum weight % of activated carbon and magnetite are 80 and 10, respectively. Adsorption isotherm studies indicated that Langmuir model satisfactorily represents the equilibrium conditions. Desorption experiments were carried out with NaOH solutions and it is determined that approximately 95 % of the adsorbed Cr+6 ions are desorbed. It is found that the film mass transfer coefficient, kf first steeply increased with the flow rate and later approached to a plateau value. Column interstitial velocity is changed between 0.23 cm/s and 1.47 cm/s and within these range the corresponding limiting kf values for Cr+6 are calculated as 7.5x10` cm/s and 6.1 xlO`4 cm/s, respectively. Solid diffusion coefficient, D which is supposedly independent of the flow rate remained in the range of 1.7x1 0`9 cm2/s - 2.0x1 0`9 cm2/s. These findings are in agreement with those of the literature values. Key Words: Solvent evaporation, Adsorption, Magnetic adsorbents, Film mass transfer coefficient, Diffusion coefficient, Mathematical modelling, Heavy metal ions adsorption, Packed-bed column, Fluidized bed column, Magnetically stabilized fluidized bed column.