Ion exchange in natural zeolite packed column

Abstract

Bu çalışmada, Türkiye'de bulunan yataklardan çıkan doğal zeolitlerin denge ve dolgulu kolonda dinamik çalışmaları ile bakır, nikel, kobalt gibi metalleri tutma performansları incelenmiştir. Bunun için kolon yüksekliği, giriş bakır konsantrasyonu ve debi gibi parametrelerin optimum değerleri saptanmıştır. Giriş metal çözeltileri farklı konsantrasyonlarda nitrat tuzlan kullanılarak hazırlanmıştır. Bütün deneyler 29 °C'de gerçekleştirilmiştir. İyon değişimi deneylerinden önce, zeolitler kantitatif olarak karakterize edilip, klinoptilolit miktarları belirlenmiştir, CP1 ve CP2 zeolitlerinin klinoptilolit miktarları sırasıyla %80 ve %64 olarak bulunmuştur. CP1 ve CP2 zeolitlerinin bakır değiştirme kapasiteleri sırasıyla 10 mg Cu2+ / g CP1 ve 8.33 mg Cu2+ / g CP2 olarak hesaplanmıştır. Bunun yanısıra, CP2'nin farklı metaller için iyon değiştirme kapasiteleri 6,64 mg Ni2+ / g and 4.55 mg Co2+ / g olarak bulunmuştur. Optimum parametrelerin ve bu parametrelerin birbirleri ile olan etkileşimlerinin öneminin incelenebilmesi için deneysel tasarım çalışmaları uygulanmıştır. Kolon çalışmalarında kolon boyu, giriş çözelti konsantrasyonu ve akış debisi gibi parametreler incelenmiştir. Öte yandan, iyon değişimi kolonundan çıkan çözeltiler belirli zaman aralıklarında toplanmış, içerdikleri metal konsantrasyonları ICP-OES cihazı kullanılarak belirlenmiştir. Daha sonra, ICP-OES 'den alman bilgiler kullanılarak eşzaman eğrileri oluşturulmuştur. Bu eğriler yardımıyla doğal zeolitlerin breakthrough ve iyon değişimi kapasiteleri hesaplanmıştır. CP2 zeolitinin iyon değiştirme kapasitesi 8.04 mg Cu2+/g CP2 olarak hesaplanmış; denge çalışmalarından elde edilen sonuçla (8.33 mg Cu2+/g CP2) karşılaştırıldığında iki sonucun birbiriyle uyumlu olduğu belirlenmiştir. Ayrıca breakthrough noktalan saptanmıştır. Bununla birlikte, SEM ve EDX cihazlan (Philips XL 30S FEG) kullanılarak kristal yapısı ve kimyasal bileşiminin belirlenmesi amacıyla katı fazın analizi yapılmıştır. İyon değişimi işlemi uygulanan zeolit partikülleri daha sonra 0.2M ve 1.7M NaCl çözeltileri kullanılarak rej enere edilmiş ve her iki deney için de ilk 100 dakikada bakırın yaklaşık %94'ünün geri kazanıldığı görülmüştür. Sistemin dinamik davranışını inceleyebilmek için deneylerden elde edilen verilere daha sonra model denklemler uygulanmıştır. Bu çalışmanın sonucunda eşzaman eğrileri iyi bir şekilde temsil edilmiştir.

Turkish natural clinoptilolites were examined to evaluate their ion exchange performance for the removal of copper, nickel and cobalt ions by performing both batch and packed column experiments. Initial metal solutions were prepared using metal nitrate solutions at various concentrations. All of the experiments were carried out at 29°C. Before performing the ion exchange experiments zeolites were characterized and their clinoptilolite contents were determined quantitatively as 80 and 64 % for zeolites named as CP1 and CP2, respectively. The copper exchange capacities of CP1 and CP2 were determined from equilibrium studies as 10.01 mg (0.32 meq) Cu2+ / g CP1 and 8.33 mg (0.262 meq) Cu2+ / g CP2. Ion exchange capacity of CP2 zeolite was determined as 6.64 mg (0.226 meq) Ni2+ / g and 4.55 mg (0.154 meq) Co2+ / g. The equilibrium behaviour of the system was best described by Langmuir model. Experiments were designed to investigate the optimum parameters and significance of the interactions between these parameters. In column studies, the parameters such as packing height, inlet metal concentration and flow rate were investigated. The concentration of the metals in the sample solutions which were taken from the exit of the ion exchange column at specific time intervals were analyzed by using Optical Emission Spectrometry (ICP-OES). Afterwards, by making use of the data obtained from ICP-OES, breakthrough curves were constructed. By the help of these curves, breakthrough capacity and ion exchange capacity of natural zeolites were calculated. The ion exchange capacity of CP2 zeolite was calculated as 8.04 mg Cu2+/g CP2, which was consistent with the capacity calculated from batch experiments, 8.33 mg Cu2+/g CP2. Also, breakthrough points were determined. Furthermore, solid phase was also analysed for determining its crystal structure and chemical composition using Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive X-Ray (EDX) devices (Philips XL 30S PEG). In addition to these, natural zeolite particles which have been ion exchanged throughout this process were regenerated using 0.2M and 1.7M of NaCl solutions. According to regeneration studies, it was determined that 94 and 95% of copper were recovered within the first 100 minutes for both experiments. After the experiments were performed, model equations were applied to the system in order to be able to investigate the dynamic behavior of the system. As a result of this simulation, breakthrough was well predicted. IV