Heterosiklik monokarboksilik asitlerin sulu çözeltiden amin/seyreltici çözücü sistemi ile ekstraksiyonu
Extraction of heterocyclic monocarboxylic acids from aqueous solution by amine/diluent solvent system
Yazar: ÖZLEM YALÇINKAYA
Danışman: PROF. DR. AYNUR ŞENOL ; YRD. DOÇ. DR. İBRAHİM METİN HASDEMİR
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Temel İşlemler ve Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Sıvı-sıvı ekstraksiyonu kimya endüstrisinde kıymetli asitlerin fermantasyon çözeltisinden ayrılmasında kullanılan en önemli ayırma yöntemlerinden biridir. Bu çalışma kapsamında heterosiklik yapıdaki asitlerin sıvı-sıvı ekstraksiyonu yöntemiyle sulu ve organik fazlar arasındaki dağılımı incelenmiştir. Sulu çözeltiden asidi geri kazanmak amacıyla amin/seyreltici çözücü sistemini kullanarak reaktif ekstaksiyonu işlemi uygulanmıştır. Reaktif ekstraktan (çözücü) ise ticari ismi Alamine 300 olan tersiyer amin (R3N) kullanılmıştır. Amin için seyreltici olarak da polar, apolar, inert ve aktif niteliğindeki n-heptan, 2-heptanon, 1-heptanol ve 1,2-dikloretan konvansiyonel organik çözücüler kullanılmıştır. Denemelerde, kimyasal yapıları itibarıyla halkalı heterosiklik asitler grubuna mensup tetrahidro-2-furoik asit (TH2FA), kinik asit, orotik asit, 2-pikolinik asit, alfa-okso-2-furanasetik asit ve furoik asidin ayırma etkinlikleri birbirinden bağımsız olarak test edilmiştir. 
Birinci grup denemelerde, hacimce %3, %6, %9 ve %12 Alamine 300 içeren Amin/seyreltici çözeltileri hazırlanmış olup bu çözücü sistemleri aracılıyla önceden derişimi bilinen sulu çözeltiden ilgili asitleri (TH2FA, kinik asit, orotik asit, 2-pikolinik asit, alfa-okso-2-furanasetik asit, furoik asit) ekstrakte edilerek dağılım dengeleri incelenmiştir. İkinci grup denemeler kapsamında ise, değişik sulu faz başlangıç asit konsantrasyonuna karşılık %6 Alamine 300/seyreltici çözücü sisteminin ekstraksiyon etkinliği incelenmiştir. Bu bağlamda, seyreltici olarak kullanılan n-heptan, 2-heptanon, 1-heptanol ve 1,2-dikloretan seyrelticinin amin-asit solvatasyon etkinliği ve iki faz arasında asit dağılım dengesi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bütün denemeler sabit sıcaklıkta (298 K'de) gerçekleştirilmiştir.  Sistem dengesini tanımlayabilmek için de asidin dağılma oranı (D), asidin ekstraksiyon derecesi (%E), aminin yükleme faktörü (Zt) ve asit/anim stokiometrik oranı (Zs) karşılaştırma ölçütleri olarak kullanılmıştır. Yapılan deneysel ölçümler sonucunda saf seyrelticinin ayırma etkinliği n-heptan < 1,2-dikloretan < 2-heptanon < 1-heptanol şeklinde cereyan etmektedir. Amin/seyreltici çözücü sisteminin toplam ayırma etkinliği ise şu sırayı takip etmektedir. n-heptan < 2-heptanon < 1,2-dikloretan  1-heptanol. Amin ekstraksiyınu üzerine asidin kimyasal yapısının etkisi de gözlemlenmiş olup önemli bir ekstrkasyon etkeni olarak dağılma sürecini belirlemektedir. Elde edilen bulgulara göre, seyreltici tipine bakılmaksızın Alamine 300/seyreltici sistemine ilişkin asit ayırma etkinliği şu şekilde gerçekleşmektedir: orotik asit > alfa-okso-2-furanasetik asit > furoik asit > tetrahidro-2-furoik asit > 2-pikolinik asit >  kinik asit. Ayırma etkinliği açısından orotik ve alfa-okso-2-furanasetik asitlerin dağılım dengesi seyreltici yapısına tabi değildir, buna karşılık furoik ve tetrahidro-2-furoik asitlerin fazlar arasındaki dağılımı seyreltici tipinden etkilenmektedir. Kinik asit ise, hidrofil yapısı nedeni ile, düşük amin ilgisi sergilemektedir.
Elde edilen bulgular kaydedilmiştir. Elde edilen sonuçlar tablolar, grafikler üzerinde değerlendirilmiştir.

Abstract:
Liquid-liquid extraction is the most promising and effective chemical process used for the separation of valuable carboxylic acids from the fermentation broth. In this study, the separation of heterocyclic acids from aqueous solution by reactive extraction using amine diluent solvent system was investigated. The main goal is placed on exploring the distribution behavior of the acid between water and organic solvent and the factors affecting the liquid-liquid equilibrium of the examined extraction system  The recovery of heterocyclic acids from aqueous solution was carried out by means of a commercial extractant Alamine 300, a mixture of tertiary aliphatic amines with three octyl amine being prevalent, dissolved in various diluents of polar, nonpolar, active  and inert types, i.e., n-heptane, 2-heptanone, 1-heptanol and 1,2-dichloroethane.
Distribution of tetrahydro-2-furoic acid, quinic acid, orotic acid, 2-picolinic acid, alpha-oxo-2-furanacetic acid and furoic acid between water and Alamine 336/diluent solvent system, as well as a comparison with the extraction equilibria of pure diluent alone have been studied at 298 K. The effect of the acid structure, acid and amine concentrations and the diluent type over the distribution equilibrium of the acid is evaluated through comparing the extractabilities of the above mentioned six acids containing different functional groups on the heterocyclic ring to which a carboxylic group (COOH) is connected. Mainly, two group experiments have been carried out consecutively; (1) the extractability of the acid at a fixed initial concentration in the aqueous phase has been studied against varying the concentration of Alamine 300 in the amine/diluent mixture restricted in the ranges of 3%, 6%, 9% and 12% by volume for each examined diluent (n-heptane, 2-heptanone, 1-heptanol and 1,2-dichloroethane), (2) By using a constantly fixed content of 6% (by volume) Alamine 300  in the amine/diluent solvent mixture, the extraction equilibrium of the acid has been explored against varying the initial aqueous acid concentration and the diluent type. Details underlying some aspects of selection of an appropriate diluent for the Alamine 300 are discussed. To enable a more quantitative comparison, the phase behavior of relevant acids was analyzed in terms of four extraction factors, namely distribution ratio of the acid (D), extraction degree of the acid (%E), amine loading factor (Zt) and stoichiometric loading factor (Zs). The experimental results show that the extraction efficiency of pure diluent alone is ranging in the order: n-heptane < 1,2-dichlorethane < 2-heptanone < 1-heptanol, while the uptake capacities of Alamine 300/diluent mixture appear as follows: n-heptane < 2-heptanone < 1,2-dichloroethane  1-heptanol, and orotic acid > alfa-oxo-2-furanacetic acid > furoic acid > tetrahydro-2-furoic acid > 2-picolinic acid > quinic acid. The distribution behavior of orotic and alfa-oxo-2-furanacetic acids is almost invariably sensitive to the diluent structure, while furoic and tetrahydro-2-furoic acids play an intermediate role on this account. Quinic acid is ineffectively extractable by the amine due to a hydrophilic nature of the acid. The results are shown on relevant graphs and tables.