İyon Değişiminin Seçimliliği

Her iyon, her iyonu aynı derece tercih etmez. Bu duruma, iyon seçimliliği denir. Bu seçimler elektrostatik kuvvetlerin ve hidrate iyon çapıyla alakalı olarak değişir. Hidrate iyon çapı düştükçe, iyon seçimliliği artmaktadır (Muller, 1970). Tek değerlikli iyonların seçimi, çok değerlikli iyonların seçimine göre daha basit yapıdadır. Tek değerlikli iyonların seçimine, yalnızca çözeltideki iyonların konsantrasyonu etki eder. Çok değerlikli iyonlar ise, toplam konsantrasyondaki iyon konsantrasyonu ile ilgilenir (Orhun, 2007).

Reçineye bağlı iyonlar, bazı iyonlara karşı daha isteklidir. [-COO] grubunun [-H] iyonuna daha ilgili olduğu gibi. İyonları çapraz bağlanma oranı arttıkça, iyon seçimliliği artar (Speece vd., 1997). Seçimliliği, sıcaklık faktörü de etkiler. Karşıt iyonlar, bağlı iyonlara spesifik olarak tutunurlarsa, ısı etkisi artabilir. Reçinenin iyonik bileşim konsantrasyonu artması, seçimliliğin artmasına yol açar. İnvasion önemli olmadığı durumlarda çözeltinin iyonik şiddetinin etkisi dikkate alınmaz. Derişik çözeltilerde ise, seçimlilik tersine döner. Reçinenin şişmesini azaltan etkiler, su aktifliğini, reçinenin kapasitesini, fonksiyonlu grupların iyonlaşma derecelerini azaltarak ve çapraz bağlanma sayılarını, çözelti konsantrasyonunu arttırarak seçimliliği artırır (Barer, 1980).

3.3. İyon Değiştirme Kapasitesi

İyon değiştiricilerin en önemli kalite unsurlarından biri, değiştirme kapasiteleridir. İyon değişimi aktivitesi azalmaya başladığı zamana kadar, kendi bünyesindeki iyona karşılık, çözeltideki iyonları değiştirebildiğinin bir ölçüsü olarak tanımlanır. Bağlanan iyonun ağırlığı/reçinenin ağırlığı veya hacmi oranından bulunur. Birimi mg/g veya kg/m3’tür. Toplam kapasite, iyon değiştiricinin toplam karşıt iyon sayısından elde edilir. Etkin kapasite ise seçilen koşullarda iyon değişim kolonunda yararlanılabilen kapasitesidir. Kuru ya da şişmiş iyon değiştiricinin ağırlığına veya hacmine göre mi oldukları, birimleri ve koşulları mutlaka belirtilmesi gerekir (Semmans, 1980).

İyon değiştirme kapasitesi, aşağıdaki faktörlere bağlı olarak değişir (Kielland,1935):  Katyon türlerinin cinsi,

 Tane boyutu dağılımı,  Değerlik,

 Sıcaklık,

 Çözeltideki katyon türlerinin konsantrasyonu,  İyon değiştirici malzemenin tabiatı,

 Sıvının, iyon değiştirici yataktan geçiş hızı,  Sıvının, içindeki madensel tuzların miktarı,  Kullanılan rejenerasyon maddesinin miktarı,

24

3.4. İyon Değişim İşlemlerinde Uygulanan Prosesler

İyon değişim işlemlerinde uygulanan prosesler, kesikli ve sürekli olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Kesikli sistemlerde, suyun belli bir hacmine, belirli miktarda reçine ilave edilir ve denge kuruluncaya kadar karıştırılır. Bu yöntemin başarılı olabilmesi için, reçineden çıkan iyonların, aynı zamanda çözeltiden uzaklaştırılması gerekir. Sistemin dengesi sağlandıktan sonra, temiz su değişik boru sistemlerinden ilave edilir. Bu yöntem ekonomik olmadığından pek uygulanmamaktadır (Samatya, 2002).

Sürekli sistemler, kesikli sistemlere göre daha yaygın olarak kullanılırlar. Sürekli çalışan proseslerde, sisteme verilecek olan sıvı maddeler belirlenmiş bir akış hızında sisteme sürekli olarak girer ve reçine ile iyon değişimini tamamlandıktan sonra, ürünler sürekli olarak dışarı alınır. Kesikli sistemlerde tek bir denge varken, sürekli sistemlerde denge sürekli değişmektedir. Çünkü kolona sürekli sıvı girer ve değişen kapasiteyle temasta bulunur. Atık su arıtımında genellikle, atık su ile iyon değiştirici, ters akım prensibine göre çalışmaktadır. Bu proseste, sisteme verilecek suda katı tanecikler bulunmamasına ve küçük çaplı reçineler içeren bir yatak kullanılmamasına dikkat edilmelidir. Aksi taktirde, kolon tıkanmasına ve yük kaybının fazla olmasına sebebiyet verebilir (Altun vd., 2002). Sürekli sistemlerin, bu hareketliliği sağlayabilmeleri için, bir takım donanımlara sahip olmaları gerekir.

3.5. İyon Değişimi Tekniklerin Uygulanması

3.5.1. Yumuşatma

Sudaki karbonat ve magnezyum sertliğini gidermek için uygulanır. Bu işlemlerde, kuvvetli veya hafif asit katyon tipli iyon değiştirici reçineler kullanılmaktadır. Sodyum formlu reçineler yumuşatma işleminde kullanılacak olursa, çözeltideki kalsiyum ve magnezyum iyonlarıyla, reçinedeki sodyum iyonlarının yer değiştirme işlemi, reçinenin kapasitesi tükeninceye kadar devam eder. Reçine rejenere edilerek tekrar kullanılabilir.

Şekil 3.4. Suyun yumuşatılması (URL-5, 2014)

Selüloz içerikli iyon değiştiriciler de yumuşatma alanında çeşitli modifikasyonlardan geçirildikten sonra kullanılabilirler (Ebarnaty, 1999). Suyun yumuşatılma işlemi Şekil 3.4’de gösterilmiştir.

3.5.2. Demineralizasyon

26

Suyun, tüm minerallerinden uzaklaştırılması işlemidir. Su yumuşatılmasından farklı olarak, hem anyon hem de katyon değiştiriciler birlikte kullanılır ve burada kullanılan iyon değiştiriciler, hidrojen ve hidroksit formlarındadırlar. Katyon değiştirici, tuttuğu katyonların yerine H+ iyonu, anyon değiştirici ise anyonların yerine OH- iyonu verir. Bu iki iyon nötrleşerek suya dönüşür. Böylece, suyun içindeki tüm iyonlar giderilmiş olur. Karbondioksit de uzaklaştırılması istenilirse, anyon değiştiriciyi takiben bir gaz giderici kullanılır. İletkenliğin ve silisin de azaltılması istenilirse karma yataklı sistemleri kullanılabilir (Yalçın, 2010). Şekil 3.5’de demineralizasyon çalışma sistemi gösterilmiştir.

3.5.3. Dealkalizasyon

Sulardaki alkaliniteyi gidermek amaçlı kullanılırlar. Alkalinite "mg/l CaCO3" türünden ifade edilir. OH- _{, CO}

3-, HCO3- iyonları sulardaki alkaliniteye sebep olan iyonlardır. Genellikle katyonik değiştiriciler kullanılır. Bu yöntemin avantajı, alkalinitenin yanında sertliğin de azaltılmasıdır. Zayıf asidik katyon değiştirici reçinenin içinden, alkali su geçirilir ve sodyum iyonları, hidrojen iyonlarıyla yer değiştirir. Bu adımda suyun azalan pH’ı, bikarbonatı karbonik asit veya karbondioksite dönüştürür. Buna dealkalizasyon denir. Katyon iyon değiştiriciyle alkalinite giderilirken, gaz alıcıya da ihtiyaç duyulur. Çünkü alkaliniteyi, gazla dışarıya atabiliriz. Bu yüzden, fazla sayıda pompa kullanılması gerekir. Rejenerasyonlarında genellikle HCl kullanılması ve fazla sayıda pompaya ihtiyaç duyulması, sistemin dezavantajıdır. Katyonik iyon değiştiriciyle alkalinitenin giderilmesi denklem 3.31’deki gibidir. "K" katyonik değiştiriciyi temsil etmektedir (Schmidt, 1974).

Ca (HCO3)2 + H2 "K" → Ca"K" + 2H2O + 2CO2 (3.31) 2 HCO3 + "A" Cl 2 ↔ "A" (HCO3)2 + 2 Cl (3.32)

Anyon değiştiricilerle alkaliniteyi giderme yöntemi ise, zararlı ve tehlikeli olan HCI asidini işletmeye sokmamak için kullanılır. Çünkü anyon değiştiriciler, NaCl ile rejenere edilebilirler. Katyon değiştiricilere kıyasla olumsuz tarafı, sertlik veren iyonlara etki etmemesidir. Olumlu tarafı ise katyon iyonu değiştiricilerdeki gibi alkalinite gaz gidericiyle giderilmediği için, ne gaz alıcıya ne de pompaya ihtiyaç duyulmamasıdır. Anyon değiştiriciyi "A" diye ifade edersek denklem 3.32’de ki reaksiyon gerçekleşir.

Şekil 3.6. Dealkalizasyon çalışma sistemi (URL-6, 2016)

Ters osmoz yöntemiyle de dealkalizasyon sağlanabilir. Bu sistemin uygulanmasıyla hem sertliğin giderilmesi hem de atık oluşturmaması nedeniyle işletmelerde en çok tercih edilen yöntem olmuştur. Kireç ile çöktürme yöntemiyle dealkalizasyon yapılması, atıklarının çok fazla olması ve uzaklaştırılmasının çevre açısından sıkıntılı olması sebebiyle, tercih edilmeyen bir sistem olmuştur. Bu yöntem uygulandığında, bir miktar sertlik de giderilmiş olur (Albek, 2007). Şekil 3.6’da dealkalizasyon çalışma sistemi gösterilmiştir.