Adsorpsiyon kinetiğinin anlaşılması ile etkin adsorbat-adsorban temas süresi yani alıkonma süresi bulunur. Bu olay, adsorpsiyon işleminin hızına etki eden adsorpsiyon basamaklarının anlaşılması için önemli bir adımdır. Bir çözeltide bulunan adsorbatın adsorban tarafından adsorplanması 4 ana basamağı içerebilir[49]:
1. Gaz ya da sıvı fazda bulunan adsorbat molekülleri, adsorbanı kaplayan bir film tabakasına difüze olur. Bu basamak, adsorpsiyon düzeneğinde belirli bir hareketlilik olduğu için çoğunlukla ihmal edilir.
2. Film tabakasına gelen adsorbatın, adsorbanın gözeneklerine difüzyonu. 3. Adsorbatın, adsorbanın gözenek boşluklarında hareket ederek adsorpsiyonun
meydana geleceği yüzeylere difüzyonu (tanecik içi difüzyon). 4. Adsorbatın, adsorbanın gözenek yüzeyinde tutunması (sorpsiyon).
Eğer adsorbanın bulunduğu faz hareketsiz ise 1. basamak en yavaş ve adsorpsiyon hızını belirleyen basamaktır. Bu nedenle eğer akışkan hareket ettirilirse,
yüzey tabakasının kalınlığı azalacağı için adsorpsiyon hızı artacaktır. 4. basamak ölçülemeyecek kadar hızlı olduğundan ve ilk basamakta iyi bir karıştırma olduğunda adsorpsiyon hızını tayin eden basamaklar 2. ve 3. basamaklar olacaktır. 2. basamak adsorpsiyon prosesinin ilk birkaç dakikasında ve 3. basamak ise adsorpsiyon prosesinin geri kalan daha uzun süresinde meydana geldiğinden adsorpsiyon hızını tam olarak etkileyen basamağın 3. basamak olabileceği söylenebilir.
Adsorpsiyon hızını belirlemek için kullanılan eşitlikler şunlardır:
Birinci derece Lagergren eşitliği [50]:
t k lnq ) q ln(qe− t = e − 1 (1.14)
Burada k1, Lagergren adsorpsiyon hız sabiti (dak-1); qt herhangi bir t anında adsorplanan madde miktarı (mol/g); ve t zamandır (dakika ).
Yalancı ikinci dereceden adsorpsiyon hız eşitliği [51]:
e 2 e 2 t q t q k 1 q t + = (1.15)
Burada k2, yalancı ikinci mertebeden adsorpsiyon hız sabitidir (g/mol dak). Yukarıdaki denklemlerde ln(qe-qt) ve t/qt değerleri t değerlerine karşı grafik edildiğinde doğruların eğimlerinden k1 ve k2 değerleri hesaplanabilir. Deneysel veriler yukarıdaki denklemler de kullanılarak en uygun adsorpsiyon izotermi ve adsorpsiyon hız derecesi bulunabilir.
1.8 Kaolinit
Kaolen, bir kil mineralidir. En önemli minerali kaolinittir (Al2Si2O3(OH)4). Diğer mineralleri dikit, nakrit ve halloisiddir. Kaolinit alüminyum hidrosilikat bileşimlidir. Oluşum itibariyle, feldspat içeren granitik veya volkanik kayaçların feldspatlarının bozunarak kaolinit mineraline dönüşmesi sonucu kaolinler oluşmaktadır. Ana kayaç içindeki alkali ve toprak alkali iyonların, çözünür tuzlar şeklinde ortamdan uzaklaşması sonucu Al2O3 içerikli sulu silikatça zengin kayaç kaolinit oluşur.
Türkiye'deki kaolin yataklarının hemen hepsi hidrotermal kökenli yataklardır. Maden Tetkik Arama Genel Müdürlüğünün, yapmış olduğu çalışmalara göre Türkiye’nin kaolin rezervi 100x106 tonun üzerindedir. Ancak bu rezervlerin tamamı işletmeye uygun değildir.
1.8.1 Kaolinit’in Özellikleri
Killer, mineralojik özelliklerine göre çeşitli sınıflara ayrılmıştır. Bu özelliklerin başında kristal yapıları gelmektedir. Kaolinit, bir kil minerali olup, 2 tabakalı ve eş boyutlu özelliğinden dolayı diğer kil minerallerinden ayrılmaktadır.
Çizelge 1.1 Türkiye kaolin rezervleri
Bulunduğu yerler Al2O3
(%)
Kullanım alanı Rezerv
(Ton)
İşletilebilir (Ton)
Balıkesir-Sındırgı 13-33 İnce seramik, karo, refrakter, kağıt 70.000.000 25.000.000
Balıkesir-Ayvalık 15-32 Seramik ve karo fayans 1.000.000 500.000
Balıkesir-İvrindi 20-31 İnce seramik ve karo fayans 970.000 500.000
Balıkesir-Gönen 23-28 Seramik 150.000 50.000
Çanakkale-Çan 17-35 Seramik ve refrakter 5.000.000 2.000.000
Bursa-Kemalpaşa 20-24 Kağıt 1.000.000 1.000.000
İstanbul-Arnavutköy 15-35 Refrakter 800.000 -
TOPLAM 78.920.000 29.050.000
Eskişehir-Mihalıççık 20-33 Seramik ve karo fayans 3.330.380 1.000.000
Bilecik-Söğüt 15-23 Seramik 1.000.000 500.000
Kütahya-Gevrekseydi 20-24 Kağıt 724.924 200.000
Kütahya-Altıntaş 20-31 Seramik, karo, fayans, kağıt 1.206.000 500.000
Kütahya-Emet 20-30 Seramik, karo, fayans 1.070.286 100.000
Kütahya-Simav 20-24 Seramik, karo, fayans 370.000 50.000
Uşak-Karaçayır 11-21 Seramik, karo, fayans 800.000 500.000
TOPLAM 8.501.590 2.850.000
Kayseri-Felahiye 23-34 Seramik ve refrakter 450.000 20.000
Konya-Sağlık 15-30 Karo, fayans ve seramik 607.000 100.000
Nevşehir-Avanos 18-33 Seramik, elektroporselen, karo 1.277.000 100.000
Niğde-Aksaray 15-32 Karo, fayans ve kağıt 1.500.000 1.000.000
TOPLAM 3.834.000 1.220.000
Trabzon-Araklı, Arsin 14-23 Karo, fayans 200.000 50.000
Rize-Ardeşen, Fındıklı 14-23 Karo, fayans 275.000 50.000
Giresun-Bulancak 12-24 Karo, fayans 7.785.000 2.000.000
Ordu-Ulubey 17-23 Kağıt 730.000 100.000
Diğerleri 700.000
TOPLAM 8.990.000 2.900.000
Bu ayrılma kristal yapısı dikkate alınarak yapılan bir mineralojik sınıflandırmadır. Fiziksel özellikleri ve bulunduğu ortam nedeniyle kaolinleşme, orijinal ana kayacın bozunma işleminin yerinde gerçekleşmesiyle oluşan cevherleşmedir. Yani bir kaolin yatağını bir kil yatağından ayıran en önemli fiziksel faktör, cevherleşme ile orijinal kayacın aynı yerde olmasıdır. Kil yatakları ise taşınarak depolanmış yataklardır. Kil yatağında orijinal birincil mineralin başka mineral olması halinde kaolinden ayrılarak halloysit, illitik kil, montmorillonitik kil gibi isimlerle orijinal kaynaktan ayrılmaktadır.
Çizelge1.2 Killerin kristal yapılarına göre sınıflandırması
Tabaka Grup Cins
2 Tabakalı olanlar Kaolinit Grubu a) Eş boyutlu olanlar b) Bir yönde uzamış olanlar
Kaolinit, Dikit Halloysit
3 Tabakalı olanlar Smektit Grubu İllit Grubu
Vermikülit Grubu
Montmorillonit Bediellit, İllit Vermikülit
4 Tabakalı olanlar Klorit Grubu Klorit
Zincir yapısı olanlar Sepiyolit Grubu Sepiyolit Atapulgit Paligorskit
1.8.2 Aktif Sorpsiyon Merkezleri
Kaolinit, sedimentte ve toprakta bol miktarda bulunan minerallerden biri olması, toprağın mekanik stabilitesine katkıda bulunmak için diğer toprak elementleri ile etkileşmesi onun önemini daha da artırmıştır. Kaolinit hava etkisi prosesinin sonucu meydana gelen 1:1 katmanlı bir üründür. Mineralin bir katmanı, bir oktahedral alüminyum tabakası, ve oksijen atomlarının düzlemsel olarak paylaşıldığı ve hidrojen bağlarıyla tekrar oluşmuş ortak bir mineral katmanı olan bir tetrahedral silika tabakası içerir. Bu yapının sonucu olarak, silika/oksijen ve alümina/hidroksil tabakası meydana gelir ve toprakta farklı komponetlerle etkileşir.
Frost, alüminyum hidroksil tabakasının içindeki ve dışındaki hidroksilleri tartıştı. İç hidroksil grupları silika oksit tabakası üzerindeki kenarlarda ve düzlem boyunca paylaşılmış olarak lokalize olurken, dış hidroksil grupları alümina hidroksil tabakasının paylaşılmamış düzlemi boyunca yerleşmiştir. İç hidroksil düzleminin hareketi alümina ve silika arasındaki kimyasal bir bağın sonucu olarak sınırlıdır. Kaolinitin muntazam yapısının sonucu olarak, onun tanecikleri kolay olarak kırılamaz ve ayrılamaz. Bu nedenle, genelde adsorpsiyon olaylarının yapının yüzeyinde ve kenarlarında meydana geldiği ifade edilmektedir [52].
1.8.3 Kaolinit’in Kullanım Alanları
Dünya kaolin tüketiminde finansal ve üretim değerleri bakımından, ilk sırayı kağıt sanayii almaktadır. Kuşe-kaplama kağıtta, kaolinin kalite bakımından avantaj ve üstünlükleri vardır. Seramikte kaolin tüketimi, en çok sıhhı tesisat, porselen ve izalatör sanayiinde olmaktadır. Son yıllarda seramik sektörü dışında, kaolinin en büyük kullanıcısı çimento sektörüdür. Seramik ve çimento sektörü dışında kaolin, boya, lastik ve plastik sanayinde dolgu maddesi olarak da kullanılmaktadır. Tesis türü kaolinler, cam elyafı, kimya sanayi, ilaç sanayi gibi sektörlerde kullanılan ham maddedir.