Characterization and applications of eutectic freeze crystallization
Ötektik donma kristalizasyonun özellikleri ve uygulamaları
- Tez No: 577195
- Danışmanlar: DOÇ. DR. FATMA ELİF GENCELİ GÜNER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 183
Özet
Dünyadaki önemli sorunlardan birisi tatlı suya ulaşmaktır. Doğal su ve endüstriyel atık su, tatlı su sağlamak için uygun kaynaklardır. Ayrıca, bu su kaynakları çoğu değerli mineraller içerir. Tatlı su sağlamak ve değerli mineralleri ekonomik olarak çıkarmak için sürdürülebilir bir yöntem seçmek önemlidir. Saf olmayan bir akışkandan su ve değerli mineraller elde etmek için kullanılan yeni teknolojilerden biri Ötektik Donma Kristalizasyonu (ÖDK)'dur. ÖDK, evaporasyon gibi benzer ayırma yöntemleriyle karşılaştırıldığında daha ekonomik bir yoldur. ÖDK 'nun ayrılma ilkesi, ötektik noktada tuzlu sudan buz ve tuz elde edip, yoğunluk farklılıklarına dayanarak ayırmaktır. Bor bileşikleri, farklı endüstriyel işlemlerde birçok kullanım alanına sahiptir. Dünyadaki bor yataklarının 2 / 3'ü Türkiye`dir. Ek olarak Türkiye, atık sorununa yol açan büyük miktarda üretim kapasitesine ve kullanım oranına sahiptir. Bu atıklar çevre sorunlarına, hava, toprak ve su kirliliğine neden olmaktadır. Hem çevre dostu hem de ekonomik açıdan faydalı bir seçenek, bor minerallerinin atık su havuzlarından geri kazanılmasıdır. Bu bölümde, başlıca bor bileşiklerinden biri olan borik asit, sulu bir çözeltiden geri kazanılmak üzere incelenmiştir. Çözeltiden buz ve borik asidi çıkarmak için Ötektik Donma Kristalizasyonu (ÖDK) yöntemi uygulanır. Bu çalışmada, borik asit-su sisteminin ötektik noktası -0.75 ºC ve bu sicaklikta konsantrasyonu ağırlık olarak % 2.5 olarak doğrulanmıştır. Ayrica, • Borik asit kristallerinin çekirdeklenme oranı, • Borik asit kristallerinin büyüme hızı, • Borik asit ve buz kristallerinin üretim hızı, kesikli ötektik sistemde incelenmistir. Çekirdeklenme hızı Metastabil Bölge Genişliğine (MSBG) ile orantılıdır ve buna göre hesaplanır. Bu araştırmada, MSBG, çözeltinin minimum sıcaklığı ile ötektik sıcaklık arasındaki farktır. Bu çalışmada çekirdeklenme hızı MSBG esas alınarak hesaplanmış ve çekirdeklenme hız sabiti ve çekirdeklenme sırası belirlenmiştir. ÖDK prosesi için borik asit ve su sistemini karakterize eden diğer bir önemli parametre ise büyüme hızıdır. Büyüme hızı, çekirdeklerin görünür büyüklükte büyümeye başladığı prosestir. Bu çalışmada, buz ve tuz kristalleri ötektik koşullar altında yaklaşık 1 saat tutularak büyümeleri gözlemlenmiştir. Kristal parçacıkları OLYMPUS BX51 ile görüntülenmiştir. Ek olarak, kristal boyutu Image J yazılımıyla belirlenmiştir. Bu çalışmada, buz ve tuz için üretim hızı ele alınmıştır. Üretim hızı, sistemin ekstraksyon kabiliyetini gösteren önemli bir parametredir. Bu araştırmada, buz ve borik asit tuzu üretim hızı incelenmiştir. Bununla birlikte, deneyler ortam sıcaklığında ve buzun erime noktasının üstünde yapıldığı için, buzun üretim hızında bir tutarsızlık gözlenmiştir. Borik asit-su sistemi için, ÖDK işlemi ve evaporasyon ile karşılaştırıldığında, ÖDK yöntemi evaporasyon yönteminden çok daha az enerji tüketir. Böylece, Ötektik Donma Kristalizasyonu, borik asit tuzunun sulu çözeltisinden ekstrakte edilmesi için alternatif bir yöntem sağlar. Bu çalışmada, enerji tüketimine ek olarak, ÖDK 'deki borik asit kristallerinin büyüme hızı evaporasyon yöntemiyle karşılaştırılmıştır. Bu çalışmanın sonucuna göre, ÖDK işleminde borik asit kristallerinin büyüme hızı evaporasyon yönteminden çok daha düşüktür. Bu bölümün sonunda, borik asidin kristal yapısı ötektik nokta etrafında tek kristalli XRD metodu ile değerlendirilmistir. Ötektik nokta çevresinde sentezlenen borik asit (H3BO3) birim hücresinin literatür çalışmalarından farklı olduğu gozlemlenmistir. Yeryüzündeki en çok bulunan tuzlardan biri, doğal kaynakların ve endüstriyel atık suların çoğunda bulunan sodyum klorürdür. Önceki çalışmalarda, sodyum klorürün ÖDK yoluyla tuzlu su çözeltilerinden ekstraksiyonu evaporasyon gibi çeşitli geleneksel yöntemlerle karşılaştırılmıştır. Bu çalışmalarda ÖDK sürecinin enerjik olarak daha avantajlı olduğu belgelenmiştir. Yeryüzündeki en çok bulunan tuzlardan biri, doğal kaynakların ve endüstriyel atık suların çoğunda bulunan sodyum klorürdür. Önceki çalışmalarda, sodyum klorürün ÖDK yoluyla tuzlu su çözeltilerinden ekstraksiyonu evaporasyon gibi çeşitli geleneksel yöntemlerle karşılaştırılmıştır. Bu çalışmalarda ÖDK sürecinin enerjik olarak daha avantajlı olduğu belgelenmiştir. Bu çalışmada, buz ve sodyum klorürün çözeltiden kesikli ÖDK işlemi ile ayrılması teorik olarak ele alınmıştır. Bu bağlamda, ilk önce, farklı işlem koşullarında, kristalleşmeyen durumdaki ötektik sıcaklıkta sabit bir çözelti sıcaklığı (TEUT) ile ısı transferi değerlendirilmiştir. Soğutucunun giriş sıcaklığı (𝑇 ) doğrudan soğutucunun çıkış sıcaklığı (𝑇 ) ve kristalleştiricinin (Tb) iç sıcaklığı ile doğrudan ilgili ve soğutucudan çözeltiye olan ısı akısı (𝑄̇ ) ile ters orantılıdır. Bu durumda, soğutucu hacimsel akış hızı (𝑉 ̇ ) daha yüksek akış hızlarında 𝑇 , 𝑄̇ ve 𝑇 'yi önemli ölçüde etkilemez. Ayrıca, kristallenmenin olmadığı durumda (𝑇 ), (𝑄̇ ) ve (𝑇 ), karıştırıcı/kazıyıcı dönme hızından (N) önemli ölçüde etkilenmez. Kristalleşmeyen durumun ikinci aşamasında, çözelti sıcaklığının kararsız hal durumu göz önünde bulundurulmuştur. Bu durumda, çözeltinin soğutma hızı doğrudan 𝑉 ̇ ile doğrudan orantılı ve N ve soğutucu sıcaklığı (𝑇 ) ile ters orantılıdır. Son olarak, kristalleşme koşulundaki ısı transferi ve kristal parçacıklarının çözeltinin fiziksel özellikleri üzerindeki etkisi belirlenmiştir. Çoğunlukla oluşan buz kristalleri nedeniyle, buz parçacıkları tüm kristal parçacıklarının özelliği olarak kabul edilir. Sonuçlar, buz kristallerinin, viskozite dışındaki çözeltinin fiziksel özellikleri üzerindeki etkisinin önemsiz olduğunu göstermektedir. Ayrıca, belirli miktarlarda kristal üretmek için gereken süre, soğutucu akışkan sıcaklığıyla doğrudan ilgilidir, soğutucu akışkanın hacimsel akış hızı ile ters olarak ilişkilidir ve sırasıyla 100 rpm'den daha düşük ve daha yüksek hızlarda karıştırıcı/kazıyıcı dönüş hızlarıyla ters ve doğrudan ilgilidir.
Özet (Çeviri)
One of the serious problems throughout the world is to access fresh water. Natural water and industrial wastewater are suitable sources to provide fresh water. Besides, most of these water sources contain valuable minerals. It is important to choose a sustainable method to provide fresh water and extract valuable minerals economically. One of the novel technologies to gain water and valuable minerals from an impure fluent is Eutectic Freeze Crystallization (EFC). EFC is a more economical way in comparison with similar methods such as evaporation. Separation principle of EFC is to isolated ice and salt from a saline solution based on their density differences at the eutectic point. Boron compounds have many usage areas in different industrial operations. Turkey has the 2/3 of overall earth's boron deposits and huge amount of production and usage rate bringing up a waste problem. These wastes causing environmental problems, air, soil and water pollution. A both ecologically friendly and economically beneficial option is recovery of boron minerals from waste water ponds. In this section, boric acid which is one of the major boron compounds is investigated to recover from an aqueous solution. Eutectic Freeze Crystallization (EFC) method is applied to extract ice and boric acid from the solution. In this study, boric acid-water system eutectic point is confirmed at -0.75 ºC and 2.5 wt% and the nucleation rate of the boric acid crystals growth rate of the boric acid crystals production rate of the boric acid and ice crystals under batch eutectic operation are investigated. The nucleation rate is proportional to the Metastable Zone Width (MSZW) and calculated based on that. In this research, MSZW is the difference between the minimum temperature of the solution and the eutectic temperature. In this study, the nucleation rate is calculated based on MSWZ and the nucleation rate constant and nucleation order are determined. Another important parameter to characterize boric acid and water system for EFC process is the growth rate. the growth rate is the process that nuclei begin to grow into visible size. In this study, ice and salt crystals grew around 1 hour residence time, under eutectic conditions. The crystal particles were screened via OLYMPUS BX51. Moreover, the crystal size was determined by Image J software. In this study production rate for ice and salt is considered. the production rate is a significant parameter which can show the ability of the system to extract the component. In this investigation, the production rate of ice and boric acid salt is determined. However, due to the experiments were carried at the ambient temperature and above the melting point of ice, there is a contradiction in the production rate of ice. In comparison with EFC process and evaporation for boric acid-water system, EFC method consumes much less energy than evaporation method. Eutectic Freeze Crystallization provides an attractive method for extraction of boric acid salt from its aqueous solution. in this study, In addition to the energy consumption, the growth rate of of boric acid crystals in EFC were compared with the evaporation method. According to the result of this study, the growth rate of boric acid crystals in EFC process is much less than the evaporation method. At the end of this section, the crystal structure of boric acid is considered around the eutectic point via single crystal XRD method. Unit cell of boric acid (H3BO3) synthesized around eutectic point, is reported to be different from literature studies. One of the most abundant salts on earth is sodium chloride which is contained in most of natural sources and industrial wastewaters. In previous studies, extraction of sodium chloride from saline solutions via EFC was compared to various conventional methods, such as evaporation. EFC process was reported to be energetically more favorable. In the second part of thesis, separation of ice and sodium chloride by a batch EFC process is considered theoretically. In this regard, at first, the heat transfer at the different process condition in the non-crystallizing condition with the constant solution temperature at the eutectic temperature (𝑇 ) is evaluated. In this condition, the inlet temperature of coolant (𝑇 ) is directly related to the outlet temperature of coolant (𝑇) and the inner bottom of crystallizer (Tb) and is inversely related to the heat flux from the coolant to the solution (𝑄̇ ). In this condition, the coolant volumetric flow rate (𝑉 ̇) does not affect significantly 𝑇 , 𝑄̇ and 𝑇 at higher flow rates. Furthermore, in non-crystallizing condition 𝑇 , 𝑄̇ and 𝑇 are not influenced significantly by the scraper rotational speed (N). In the second step of non-crystallizing condition, unsteady state condition of the solution temperature is considered. In this condition, the cooling rate of the solution is directly proportional to 𝑉 ̇ and inversely related to N and the coolant temperature (𝑇 ). Finally, heat transfer in the crystallization condition and effect of crystal particles on the physical properties of the solution are determined. Due to mainly formed ice crystals, properies of ice is assumed as the whole crystal particles's property. Results show that, effect of ice crystals on the physical properties of the solution except viscosity is negligible. Furthermore, time required to produce specific amounts of crystals is directly related to coolant temperature, inversely related to coolant volumetric flow rate and inversely and directly related to the scraper rotational rates at speeds lower and higher than 100 rpm, respectively.
Benzer Tezler
- Beyaz eşya uygulamalarında enerji tasarrufu amacıyla faz değiştiren malzeme hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of phase change materials for energy efficiency in white good applications
ÖYKÜ GÜNGÖR
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. CEVAT FAHİR ARISOY
- Preparation and characterization of phase change materials to reduce internal temperature changes in refrigerators
Buzdolabı iç sıcaklık değişimini azaltmak amacıyla faz değiştiren malzeme hazırlanması ve karakterizasyonu
ÖZGE PAYANDA
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADRİYE OSKAY
- Mekanik alaşımlama süreçleri ile Al-20Si esaslı toz ve sinter kompozitlerin geliştirilmesi ve karakterizasyon çalışmaları
Studies of development and characterization of Al-20Si based powder and sintered composites by mechanical alloying processes
HASAN GÖKÇE
Doktora
Türkçe
2013
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA LUTFİ ÖVEÇOĞLU
- Binalarda ısıl enerji depolama amaçlı kompozit faz değişim malzemelerinin geliştirilmesi, karakterizasyonu ve laboratuvar ölçekli uygulamaları
Development, characterization and laboratory scale applications of composite phase change materials for thermal energy storage in buildings
GÖKHAN HEKİMOĞLU
Doktora
Türkçe
2022
Mühendislik BilimleriKaradeniz Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET SARI
- Spark plazma sinterleme yöntemi ile üretilen molibden-molibden karbür esaslı yapıların mikroyapı ve tribolojik karakterizasyonu
Microstructural and tribologic characterization of molybdenum-molybdenum carbide structures produced by spark plasma sintering (SPS)
CAN ÇEKLİ
Doktora
Türkçe
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLTEKİN GÖLLER