Türkçe metni rahat izleyebilmeniz için, "browser" ınızın "document encoding" ini "Turkish" olarak değiştirdiniz mi ? ...

İleri ( Üçüncül ) Arıtma Yöntemleri - 4...


İyon Değişimi...

Yazar : Füsun Şengül...


Rahmetle Anıyoruz...


İyon Değiştirici Maddelerin Özellikleri...

İyon değiştirici madde genellikle makromolekülerdir. Molekülünde bir veya daha fazla asit veya bazik radikal içerir. İyon değişimi olayında bu radikaller iyon değiştiricinin tipini gösterir. Asit formülü H - R olarak ifade edilir ve katyon değiştiriciyi gösterir. Bazik formu ise OH - R ile gösterilir ve anyon değiştirici olarak tanımlanır. Asit veya baz olmanın şiddeti çekirdek molekülün yapısına ve onlara bağlanan radikallere ( HCO 2 , HSO 3 , NH 3 OH gibi ) bağlıdır. Eğer iyon değiştirici madde bir tek radikal içeriyor ise, ( HCO 2 veya HSO 3 gibi ) tek fonksiyonludur. Birden fazla radikal içeriyorsa, örneğin ;



şeklinde ise çok fonksiyonludur. İyon değiştirici maddelerin normal koşullarda çözünmez olması gereklidir. İyon değiştirici maddenin maksimum homojinitede ve granüle formda olması gerekir. Perkolasyon sırasında yük kaybı nedeni ile boyutlarının ve homojenliğinin bozulmaması gerekir. İyon değiştirici maddelerin, iyonları veya iyonize haldeki kompleksleri ağırlıklarına ve boyutlarına bakılmaksızın tespit etmesi gerekir. İyon değiştiriciler sadece sıvı faz ile temas halinde fonksiyon yaparlar ve her problemi çözmezler. Cl 2 ve ozon gibi maddeler bazı reçineleri bozar. İyon değiştiriciler geçirilen suda çok fazla miktarda çözünmüş gaz var ise, iyon değiştiricilerin aktivitesini bozabilir. Genel olarak söylemek gerekir ise, laboratuvar sonuçlarının endüstriyel ölçekte su temininde kullanılmasında büyük gayret göstermek gerekir. İyon değiştiriciler sadece iyonları tutarlar. Bu nedenle, süspanse maddelerin, kolloidlerin veya yağlı maddelerin iyon değiştirici kolonlardan geçirilmemeleri gerekir. Eğer suda bu tip bileşenler var ise ön arıtma ile giderilmelidir. İyon değiştirici maddeler 0.3 - 1.2 mm irilikte granüler haldedirler.

Teknik Terimler...

İyon değiştirici maddenin değişim kapasitesi : Birim iyon değiştirici madde hacmi başına ağırlık cinsinden bağlanan iyon miktarıdır.

Kapasite : Eşdeğer g / L reçine birimi ile ifade edilir.

Toplam kapasite : Verilen bir reçine için değiştirilebilecek maksimum iyon miktarıdır.

Yararlanılabilir kapasite : Hidrolik ve kimyasal koşullara bağlı olarak kullanılabilen toplam kapasitedir.

Yatak hacmi : Arıtılan sıvı hacmi / saat . reçine hacmi şeklinde tanımlanır.

Rejenerasyon hızı : Birim iyon değiştirici madde hacmini rejenere etmek için gereken birim reaktif ağırlıdır.

Rejenerasyon verimi : Kullanılan rejenerasyon maddesinin eşdeğer gramının alınacak iyonların miktarına eşdeğer gram cinsinden olan oranıdır.

Sızma : Arıtmadan önce ve sonra sıvıdaki değiştirilecek iyonların konsantrasyonlarının oranıdır.

İyon Değiştirici Tipleri...

İki tip iyon değiştirici vardır ; ( a ) Katyon değiştiriciler ve ( b ) anyon değiştiriciler. Katyon değiştiricilerde molekül, HCO 2 veya HSO 3 tipi asit kökleri içerir ve mineral veya organik katyonları bağlamaya yarar. Bunlar, birbiri ile veya hidrojen iyonu ile yer değiştirirler. Anyon değiştiriciler bazik kökleri içeren iyon değiştiricilerdir. Bunlar, NH 3 OH tipi olabilir. Mineral veya organik anyonları bağlar ve onları birbirleri ile veya hidroksil iyonu ile yer değiştirir.

Katyon Değiştiriciler...

Yeşil kum veya glaukonitler ( doğal zeolitler ) veya sodyum siliko alüminatlar şeklinde kullanılırlar. Organik katyon değiştiriciler iki gruba ayrılır ; ( a ) kuvvetli asit iyon değiştiriciler ( HSO 3 içeren ) ve ( b ) zayıf asit iyon değiştiriciler ( HCO 2 içeren ). Kuvvetli asit iyon değiştiricilerin iki tipi sülfonlanmış karbonlar ve sülfonlanmış polistrien şeklindedir. Günümüzde kullanılan katyon değiştiricilerin büyük kısmı sülfonlanmış polistrien bileşikleridir. Bunlar, stirenin ve divinilbenzenin kopolimenizasyonu ve daha sonra sülfonlanması ile elde edilirler. Özel olarak yapılmış ve makroporöz tipte olan sülfonlanmış polistrienler yüksek " cross - linking " özelliklerine sahiptir. Karboksilik iyon değiştiriciler HCO 2 - R genel formülüne sahiptir. Ca, Mg, Na gibi katyonları yer değiştirirler. Karbonat ve bikarbonatlar ile bağlı katyonlarla yer değiştirirler. Buna karşılık, sülfat, klorür ve nitrat halindeki katyonlar ile yer değiştirmez.

Anyon Değiştiriciler...

Anyon değiştiriciler iki gruba ayrılır. Zayıf veya orta kuvvette bazik anyon değiştiriciler kuvvetli bazik tipler, tuzlardan aşağıdaki reaksiyon uyarınca bazları açığa çıkarır.

OH - R + NaCl <====> Cl - R + NaOH

Zayıf bazik tipler zayıf asitleri bağlamaz ve saf suda tutulmuş iyonlarla hidroliz reaksiyonu verir.

Cl - R + H 2 O <====> OH - R + HCl

Kuvvetli bazik anyon değiştiricilerde quaterner amonyum iyonlarının bulunması bu bileşiklerin en tipik özelliğidir. Molekülün çekirdeği genellikle aromatiktir ve çoğunlukla çapraz bağlı polistiren divinil benzen yapısındadır. Kuvvetli bazik reçineler I ve II olmak üzere iki tiptir. Birinci grup basit quaterner amonyum kökleridir. Tip I'de baziklik kuvvetlidir, kapasite ve rejenerasyon verimi daha düşüktür. Tip II'de baziklik zayıftır, iyon değiştiricinin kapasite ve reaksiyon verimi yüksektir. Fakat, çevrimde büyük bir iyon sızıntısı bulunmaktadır. Makroporoz, isoporoz, makroretiküler olarak tanımlanan yüksek porozitedeki reçineler geniş bir kullanım alanı bulmuştur. Bu reçineler fiziksel kuvvetlere karşı çok dayanıklıdırlar ve daha iyi bir arıtma verimi sağlarlar. Saptanan organik madde miktarı klasik reçinelere kıyasla daha yüksektir. Ancak, rejenerasyonda sızma miktarı daha yüksektir.


İyon Değiştiricilerin Kullanımı...

İçme sularının arıtımında bir proses olarak iyon değiştiriciler yıllardan beri kullanılmaktadır. İyon değiştirici maddeler sabit yataklara konur, yukarıdan aşağıya doğru rejenere edilir. Yeni tiplerinde ise, geri akımla rejenerasyon, süsperposed yataklar, hareketli yatağa sahip iyon değiştiriciler de kullanılmaktadır. İyon değiştiricinin amacı yumuşatma, karbonat giderme ve deiyonizasyondur. Herbir uygulama dikey silindirik tanklarda yapılır. Tankın içinde reçine bulunmaktadır. Su girişi nozıllar ile üst taraftan yapılır. Reçineler granüle maddelerden oluşan sileks, antrasit veya plastik gibi destek maddeleri arasına yerleştirilir. Reçinelerde genişlemeyi sağlamak üzere reçinenin üzerinde yeterli boşluk bırakılır. Boşluk oranı % 30 ila % 100 arasında değişir. İyon değiştirici sistemlerde çeşitli amaçlar için kullanılan el ile kumandalı veya otomatik kontrollu vanalar bulunmaktadır.

Yumuşatma...

Katyon değiştiriciler yumuşatma amacı ile kullanılırlar. Arıtılacak su içindeki tüm tuzlar sodyum tuzlarına dönüştürülür.



Arıtılmış suyun sertliği yok denecek kadar azdır. pH ve alkalinitesi değişmez. Yumuşatma işlemi kireç ile ön arıtmdan sonra da yapılabilir. Bu arıtma işlemi bikarbonatları giderir ve TAC'yi bikarbonat alkalinitesini 2 - 4 Fransız derecesine kadar azaltır. Bu durumda elde edilen su karbonatları içermez ve yumuşak su özelliğindedir.

Karbonat Giderme...

Sülfonik katyon değiştiriciler kullanılarak karbonatlar sudan uzaklaştırılabilir. Tüm katyonlar reçinede tutulur, arıtılmış suda ise anyonlar kalır. Karbonik asit açık havada spreyleme ile giderilebilir. Kalan kuvvetli asitler ise nötralize edilir. Aşağıdaki şekilden görüleceği üzere, bu yöntemde ham sudaki tüm bikarbonatlar hidrolik ve sülfürik aside dönüşür. Elde edilen suyun nötralizasyonu şarttır ve bu su alkali içermemelidir. Sertliği, karbonat içermeyen suyun sertliğine eşdeğerdir. Bu yöntemin olumsuz yanı, asit suyun, bikarbonatlanmış suya orantılı olma gereğidir. Aksi takdirde korozif bir karışım oluşur. Arıtılmış su, orijinal sülfatları ve klorürleri içerir, karbon dioksiti içermez. Reçine, toprak alkali katyonlar için tercih edilen bir maddedir. Elde edilen toplam sertlik TH - TAC değerine eşittir. Eğer TH <= TAC ise sertlik sıfıra kadar düşürülebilir.

Toplam Deiyonizasyon...

Basit sistemde, su akışı katyon değiştiriciden anyon değiştiriciye doğru olur. Katyon değiştiriciden geçtikten sonra tüm katyonlar reçineden tutulur. Tuzların asitleri oluşur. Anyon değiştiriciler bu asitleri tutmak üzere kullanılır. Zayıf bazik reçineler kuvvetli anyonları tutabilir, ancak karbon dioksidi ve silisyum dioksidi tutamaz. Karbon dioksid " degassing " ile giderilmelidir.



Anyon değiştiriciyi rejenere etmek için çok fazla rejenerasyon maddesi kullanımı gerekebilir, bunu önlemek için katyon değiştiriciden sonra " degassing " ( gaz alma ) işlemi uygulanır. Bu işlemden geçen su anyon değiştiriciye verilerek deiyonize edilir.

İyon Değiştiricilerin Tasarımı...

Tasarım için gerekli parametreler ve hesaplamalar aşağıda verilmiştir ;

( a ) Ham suyun TAC değeri ( toplam karbonat alkalinitesi, FS O )
( b ) Suyun kalıcı sertliği ( SAF konsantrasyonu, SO 4 + Cl + NO 3 )
( c ) Toplam SiO 2 olarak silis içeriği ( 1 O = 12 mg / L SiO 2 )
( d ) Toplam CO 2 ( katyon değiştiriciden geçtikten sonra suyun karbonik asit içeriği )
( e ) Rejenerasyon işlemleri arasında iyon değiştiriciden geçen su hacmi ( V, m 3 )
( f ) Çıkan debi ( Q, m 3 / saat )
( g ) Reçinenin iyon değiştirme kapasitesi ( C, FS O / L . L reçine, 1 mili eşdeğer gram = 5 FS O )

Anyon değiştiricinin hacmi :

- Zayıf bazik anyon değiştirici için : V A = [ ( V ) ( SAF ) ] / ( C )
- Kuvvetli bazik anyon değiştirici için : V A = [ ( V ) ( SAF + Toplam CO 2 + Toplam SiO 2 ) ] / ( C )

Katyon değiştiricinin hacmi :

V C = [ ( V + k x V A ) ( SAF + TAC ) ] / ( C )
( Not : Anyon değiştiriciyi çalkalamak için ekstradan kullanılan su k x V A 'dır ve k genellikle 5 - 20 arasında değişir. Eğer, V C veya V A çok küçük ise, ayarlanması gerekir. Bu işlem çevrim hacmi V'nin arttırılması ile yapılır. )

Deiyonizasyon Akım Diyagramları...

Toplam deiyonizasyon için çeşitli seçenekler mevcuttur. Çeşitli seçenekler yüksek saflıkta demineralize su elde etmek veya rejenerasyon maddesinin tüketimini azaltmak üzere geliştirilmiştir. Bu diyagramlarda yer alan terimler aşağıda özetlenmiştir ;

- Cf : Zayıf asit katyon değiştirici
- CF : Kuvvetli asit katyon değiştirici
- Af : Zayıf bazik anyon değiştirici
- AF : Kuvvetli bazik anyon değiştirici
- D : Suyu açık havada püskürtme sureti ile " deaeration " ( gerekli ise )
- LM : Karışık yatak iyon değiştirici


Kuvvetli bazik katyon değiştirici ve zayıf bazik anyon değiştirici içeren sistem.


Kuvvetli asit katyon değiştirici ve kuvvetli bazik anyon değiştirici içeren sistem.


Kuvvetli asit katyon değiştirici zayıf bazik anyon değiştirici ve kuvvetli bazik anyon değiştirici içeren sistem.


Zayıf asit katyon değiştirici ve kuvvetli asit katyon değiştirici içeren sistem.

Katyon Değiştiriciler Üzerinden İki Defa Geçişli Sistemlere Örnekler...

Yukarıda verilen dört kombinasyondan elde edilen suyun kalitesi başlangıç katyon değiştiriciden olan sızıntılara göre belirlenir. Buna bağlı olarak ham suyun bileşimi ve rejenerasyon hızı değişir. Bu tip kullanımlarda elde edilen demineralize suyun kalitesi çoğu su kullanımları için yeterli sıcaklıkta değildir. Bu nedenle, demineralize su başka bir tesiste arıtmaya tabi tutulur. Eğer arıtılmış su sistemden ikinci defa geçerse, içerdiği katyonların büyük bir kısmı tutulur ve çok daha saf hale gelir. Bunun için iki kombinasyon uygulanabilir.


Kuvvetli asit katyon, zayıf bazik anyon, kuvvetli bazik anyon, kuvvetli asit katyon, kuvvetli bazik anyon değiştirici içeren iyon değiştirici sistemi.

Karışık Yatak Uygulaması...

Bu sistem ayrık yatak sisteminden farklıdır. Tek bir kolon içinde hem katyon tipi reçineler hem de anyon tipi reçineler birlikte bulunur. İki reçine başlangıçta komprese hava ile ajitasyon sureti ile karıştırılır. Reçineler bu kolona bu şekilde yerleştirilir. Böylece kolon sonsuz sayıda anyon ve katyon değiştiriciden oluşmuş gibi davranır. Rejenerasyonu yapmak için iki reçine su ile karıştırılır. Anyon reçineler daha hafif olduklarından üstte toplanırlar. Buna karşın daha ağır olan katyon reçineler dibe çökelirler. Reçineler böylece birbirinden ayrıldığında herbiri ayrı ayrı rejenere edilir. Anyon kısmı kostik soda ile ve katyon kısmı kuvvetli asit ile rejenere edilir. Rejenerantın fazlası yıkama sureti ile uzaklaştıtılır. İki reçine daha sonra komprese hava yardımı ile yeniden karıştırılır. Yıkama tamamlanır, kolon yeniden kullanım için hazır hale getirilir. Karışık yatak deiyonizasyonunun ayrık yatak sistemine karşı avantajları şunlardır ; ( a ) Elde edilen su yüksek saflıktadır ve kalitesi iyon değişimi devri boyunca sabit kalır, ( b ) pH hemen hemen nötraldir, ( c ) Çalkalama suyu kullanımı düşüktür ve ( d ) Bazı uygulamalarda ( nükleer sorunlar gibi ), bu metod iyonize ürünlerin tam bir eliminasyonunu sağlar ve iz haldeki formlar ölçülemeyecek şekilde giderilir. Karışık yatak iyon değiştiricilerin olumsuz yanı düşük iyon değişim kapasitesi ve daha karmaşık işletim olarak sayılabilir. Karışık yatak iyon değiştiriciler çoğunlukla bitirme işlemi olarak kullanılır. Kondense su veya nükleer tank suyu kapalı çevrimde deiyonize edilir.



İyon değiştiricilerin karmaşık sistemi tek bir karışık yatakla yerleştirilebilir. Özel uygulamaların akım şeması aşağıdaki gibidir ;

( a ) Katyon değiştirici + Deaeratör + Karışık yatak
( b ) Yumuşatıcı + Karışık yatak
( c ) Katyon değiştirici + Zayıf bazik anyon değiştirici karışık yatak



Su yüksek miktarda silis içeriyorsa ve bu silisin tamamen giderilmesi isteniyorsa aşağıdaki akım şemalarından biri uygulanabilir.





Kimyasal ön arıtmadan sonra katyon değiştirici ile iyon değişimi için uygulanabilecek akım şeması aşağıdaki şekilde verilmiştir.