Amonyum sülfit çözeltilerinden optimum şartlarda elde edilen çevrel tuzunun hidroklorik asit çözeltisinde çözündürülmesinin kinetiği
Chevreul's salt obtained from amonium sulphite solutions with optimum conditions and kinetics of leaching chevreul's salt in hydrochloric acid solution
Yazar: BURAK KAYNARCA
Danışman: DOÇ. DR. TURAN ÇALBAN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmanın ilk aşamasında Çevrel tuzu [Cu2SO3.CuSO3.2H2O] belli konsantrasyonlardaki amonyum sülfit [(NH4)2SO3] çözeltileri kullanılarak sentetik sulu bakır(II) sülfat [CuSO4] çözeltilerinden çöktürülmüştür. Elde edilen Çevrel tuzu XRD ve SEM analizleri ile karakterize edilmiştir. Çevrel tuzunun çöktürülmesi aşamasında amonyum sülfit konsantrasyonunun, sıcaklığın, karıştırma hızının ve reaksiyon süresinin çökmeye olan etkileri incelenmiştir. Çöktürme deneyleri sırasında 2n faktöriyel deney tasarımı ve ortogonal  merkezi bileşkeli deney tasarımı metotları kullanılmıştır. Çevrel tuzunun çökmesine en çok etki eden parametrelerin sıcaklık ve karıştırma hızı olduğu gözlenmiştir. Bakırın maksimum miktarda çöktürülmesi için bulunan optimum şartlar: amonyum sülfit konsantrasyonu; 0,4 M , sıcaklık; 60oC, karıştırma hızı; 700 devir/dakika ve reaksiyon süresi; 15 dakika şeklindedir. Çevrel tuzunu çöktürme esnasında seçilen sabit parametreler ise bakır sülfat konsantrasyonu 0,25 M ve pH 4?tür. Bu optimum şartlar altında çöktürülen bakır oranı %98,4 olarak bulunmuştur.
	
Bu çalışmanın ikinci aşamasında Çevrel tuzunun hidroklorik asit çözeltilerinde çözünmesinin kinetiği incelenmiştir. Seçilen parametreler; reaksiyon sıcaklığı, hidroklorik asit konsantrasyonu, karıştırma hızı ve katı/sıvı oranıdır. Deneysel sonuçların, lineer regresyon ile istatistik paket programı kullanılarak başarılı bir şekilde korelasyonu sağlanmıştır. Çözünme kinetiği katı-sıvı reaksiyon sistemlerindeki büzülen tanecik modellerini kullanarak incelenmiştir. Çevrel tuzunun çözünme hızının, reaksiyon sıcaklığının artması ve katı/sıvı oranının azalması ile arttığı tespit edilmiştir. Çözünme hızı hidroklorik asit konsantrasyonunun artması ile ciddi derecede artmıştır. Aktivasyon enerjisi yaklaşık 57 kJ/mol olarak bulunmuştur. Çevrel tuzunun çözündürülmesi kül filminden (veya ürün tabakasından) difüzyon ile kontrol edilmektedir. Çözünme hızına ait denklemin eşitliği aşağıdaki gibidir: 

1-3(1-X)2/3 + 2(1-X)  = 0,93 . C^5,86 . W^0,49 . (S/L)^-0,34 . e^(-57/R T) . t
Anahtar Kelimeler: Çevrel tuzu; Bakır; Faktöriyel deney tasarımı; Sentetik çözelti; Ortogonal merkezi bileşkeli deney tasarımı; Optimizasyon; Hidroklorik asit; Çözündürme kinetiği

Abstract:
In the first stage of this study was to precipitate Chevreul?s salt [Cu2SO3.CuSO3.2H2O] using Ammonium sulfide [(NH4)2SO3] solutions at various concentrations from synthetic aqueous Copper(II) sulfate[CuSO4] solutions. Chevreul?s salt was characterised by XRD and SEM analysis. The effects of parameters such as (NH4)2SO3 concentration, temperature, stirring speed and reaction time were investigated on precipitation of Chevreul?s salt. 2n factorial experimental design and orthogonal central composite design methods in the precipitation experiments were used. It was observed that the most effective parameters on the precipitation of Chevreul?s salt were the temperature and the stirring speed. The obtained optimum conditions on maximum copper precipitation were: the (NH4)2SO3 concentration 0,4 M, the temperature at 60oC, the stirring speed was at 700 rpm and 15 minutes for reaction time. The chosen stationary parameters at the initial stage of the reaction were concentration of CuSO4 solution 0,25 M and pH 4. Under these optimum conditions, the precipitated copper was 98,4%.

In the second stage of this study was to investigate the dissolution kinetics ofChevreul?s salt in Hydrochloric acid [HCl] solutions. Reaction temperature, concentration of HCl, stirring speed and solid/liquid ratio were selected as parameters. The experimental results were successfully correlated by linear regression using Statistica Package Program. Dissolution curves were evaluated in order to test shrinking core models for solid-fluid systems. It was observed that increase in the reaction temperature and decrease in the solid/liquid ratio causes an increase the dissolution rate of Chevreul?s salt. The dissolution extent is highly increased with increase the concentration of HCl solutions in the experimental conditions. The activation energy was found to be as 57 kJ/mol. The leaching of Chevreul?s salt was controlled by diffusion through the ash or product layer. The rate expression associated with the dissolution rate of Chevreul?s salt depending on the parameters chosen may be summarized as follows:

1-3(1-X)2/3 + 2(1-X)  = 0,93 . C^5,86 . W^0,49 . (S/L)^-0,34 . e^(-57/R T) . t
Keywords: Chevreul?s salt; Copper; Factorial experimental design; Synthetic solutions; Orthogonal central composite experimental design; Optimization; Hydrochloric acid; Leaching 
kinetics