Boraks Dekahidrat ve Çinkosülfat Heptahidrat Çözeltilerinin Metastabil Bölge Genişliğinin Ultrasonik Yöntemle Belirlenmesi


Thesis Type: Postgraduate

Institution Of The Thesis: Istanbul Technical University, Kimya-Metalurji, Kimya Mühendisliği, Turkey

Approval Date: 2001

Thesis Language: Turkish

Student: Banu Özdemir

Supervisor: Hale Gürbüz

Abstract:

Kristalizasyon kimya endüstrisinde gıda ve ilaç üretimlerinde yaygın bir şekilde kullanılan bir temel işlemdir. Kristalizasyonla partikül yapısında madde üretiminde iki temel kademe vardır: Nükleasyon ve kristal büyümesi. Nükleasyon basit olarak yeni bir kristalin oluşumu olarak tanımlanabilir. Kristallerin oluşup büyümeleri için çözeltide belli sayıda nükleilerin bulunması gereklidir. Denge doygunluk değerinden daha fazla çözünmüş madde içeren bir çözelti aşın doygun çözelti olarak tanımlanır ve hem nükleasyon hem de kristal büyümesi için gerekli itici güç aşırı doygunluktur. Aşın doygunluk Ostwald tarafından labil aşın doygunluk ve metastabil aşın doygunluk olarak sınıflandınlmıştır. Bu sınıflandırmaya göre bir maddenin doygunluk-aşm doygunluk diyagramında üç bölge bulunmaktadır:. Doygunluk eğrisinin altında kalan ve kristalizasyonun mümkün olmadığı stabil (doymamış) bölge. Doygunluk ve aşın doygunluk eğrileri arasında kalan, kendiliğinden nükleasyonun mümkün olmadığı, ancak aşı kristalleri varlığında kristal büyümesinin gerçekleştiği metastabil bölge. Aşın doygunluk eğrisinin üzerinde kalan kendiliğinden kristalizasyonun gerçekleştiği labil bölge Kristalizasyon proseslerinin temel amaçlarından biri ayırma ve saflaştırma etkilerinin yamsıra belli bir boyut dağılımında kristal ürün üretimidir. Bu nedenle, endüstriyel kristalizörlerin yeterli miktarda, belli bir kristal boyut dağılımında, belli bir şekil ve saflıkta kristal yapılı ürünü mümkün olan en ucuz şekilde üretmeye uygun bir şekilde tasarlanıp, çalıştınlmalan gereklidir. Bütün kristalizasyon prosesleri metastabil bölge sınırlan içinde gerçekleştirilir. Bir kristalizörün metastabil bölgenin üst sınınna yakın bölgede çalıştınlması üretim kapasitesini arttınr. Fakat bu şartlarda kristal büyüme hızının da çok yüksek olması, kristaller içine ana çözeltinin hapsolmasma, böylece kristal saflığının azalmasına neden olur. Diğer taraftan, kristalizörün metastabil bölgenin alt sınınna yakın şartlarda çalıştınlması üretim hızım azalttığı için ekonomik açıdan uygun değildir. Bir kristalizörün optimum bir aşın doygunlukta çalıştınlması için metastabil bölge genişliğinin bilinmesi çok önemlidir. Belli bir madde sisteminin metastabil bölge genişliği, çözeltinin soğutma hızına, çözeltideki çözünmüş veya çözünmemiş safsızlıklann varlığına ve kristalizördeki hidrodinamik şartlara bağlı olarak değişir. Bu nedenle, bir maddenin metastabil bölge genişliğinin üretim şartlarında belirlenmesi gerekir. Üretim şartlanndaki metastabil bölge genişliğinin belirlenmesi için proses sırasında yerinde ölçüm yapmaya olanak sağlayan yeni teknik ve yöntemlere gerek duyulmaktadır. Aşırı doygunluğun proses sırasında ölçümü ve kontrolü için birçok analitik teknik geliştirilmiştir. Bu teknikler iletkenlik, yoğunluk, viskozite kalibrasyonlan gibibilinen tekniklerden, ATR FTIR spektroskopisi gibi çok daha karmaşık yöntemlere kadar değişmektedir. Bu konudaki son gelişmelerden biri de hem aşın doygunluk, hem de metastabil bölge genişliğinin ölçümü ve kontrolü için umut verici bir yöntem olduğu öne sürülen ultrasonik yöntemdir. Ultrasonik yöntem kristalizasyon ortamında ultrasonik hızın ve sıcaklığın bir ultrasonik sensör ile ölçülmesine dayanmaktadır. Bu çalışmada, yeni bir yöntem olması nedeniyle, çeşitli madde sistemleri için uygulanabilirliğinin araştırılması gerekli olan ultrasonik yöntemin boraks ve çinkosülfat çözeltilerinin metastabil bölge genişliğinin ölçümünde kullanılabilirliği araştırılmıştır. Deneysel çalışmalarda:. Boraks ve çinkosülfat çözeltilerinin metastabil bölge genişliklerinin, çözeltinin doygunluk sıcaklığına ve soğutma hızına bağlı olarak değişimi. Boraks ve çinkosülfat doygun çözeltilerinde ultrasonik hızın sıcaklığa ve çözelti konsantrasyonuna bağlı olarak değişimi. Boraks ve çinkosülfat doygun çözeltilerinde ultrasonik hızın süspansiyon yoğunluğuna bağlı olarak değişimi. Boraks çözeltilerinin metastabil bölge genişliğinin çözeltideki Ca+2 ve Mg+2 iyonu konsantrasyonlarına bağlı olarak değişimi incelenmiştir. Metastabil bölge genişliğinin ultrasonik yöntem ile belirlendiği tüm deneylerde nükleasyon ve doygunluk sıcaklıkları gözlemsel olarak da belirlenmiş ve iki yöntem kıyaslanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre:. Boraks ve çinkosülfat çözeltilerinin metastabil bölge genişliklerinin soğutma hızı ile artıp, doygunluk sıcaklığındaki artışla azaldığı. Hem boraks hem de çinkosülfat için ultrasonik yöntemle belirlenen metastabil bölge genişliklerinin, gözlemsel yöntemle belirlenen değerlere göre daha büyük olduğu, ancak farkın küçük olması ve çalışılan maddelerin metastabil bölgelerinin de bağıl olarak geniş olması nedeniyle bu farklılığın özellikle endüstriyel kristalizasyon proseslerinde ihmal edilebilir düzeyde olduğu. Ultrasonik hızın çözelti konsantrasyonu ve sıcaklığa bağlı olarak değişiminin boraks-su ve çinkosülfat-su sistemleri için sırasıyla aşağıdaki korelasyonlarla tanımlanabildiği u= 1423.1526 + 8.4086C + 3.8737T-0.0267T2 (1) u= 1311.4544+ 14.4747C + 3.1398T- 0.00695 T2 (2). Süspansiyon yoğunluğundaki % l'lik bir artışın ultrasonik hızı boraks çözeltilerinde 0.8 m/s, çinkosülfat çözeltilerinde ise 2 m/s arttırdığı. Boraks çözeltilerinde Ca+2 ve Mg+2 iyonlarının metastabil bölge genişliğini değiştirdikleri belli bir eşik konsantrasyon değerinin olduğu, 20 °C'de doygun boraks çözeltilerinde metastabil bölge genişliğinin 140 ppm Ca+2 konsantrasyonundan sonra arttığı, Mg+2 iyonlarının ise 140 ppm konsantrasyona kadar metastabil bölge genişliğini etkilemediği, 30 °C'de doygun boraks çözeltilerinde ise Ca+2 iyonlarının 200 ppm'e kadar bir etkisinin olmadığı, Mg+2 iyonlarının ise 200 ppm konsantrasyonda metastabil bölge genişliğini önemli ölçüde arttırdığı belirlenmiştir