PÜSKÜRTMELİ KURUTUCU KULLANARAK ULEKSİTTEN MONOSODYUM PENTABORAT ÜRETİMİ

Transkript

1 PÜSKÜRTMELİ KURUTUCU KULLANARAK ULEKSİTTEN MONOSODYUM PENTABORAT ÜRETİMİ Özkan KÜÇÜK, M. Muhtar KOCAKERİM, Cengiz ÖZMETİN, Melike SINIRKAYA Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, ERZURUM ÖZET Bu çalışmada, uleksit SO 2 ile doyurulmuş sularda çözündürülmüş, çözünme sonucu elde edilen süspansiyonlar süzülmüş, elde edilen çözelti kaynatılarak SO 2 nin tamamı uçurulmuştur. Daha sonra kurutma havasının hızı ve sıcaklığı parametre olarak seçilerek çözelti kurutucuda kurutulmuş ve farklı kristal suyu içeren monosodyum pentaboratlar üretilmiştir. Burada, çözelti besleme hızı tüm çözeltinin kurutulabileceği bir değerde sabit tutulmuştur. Anahtar Kelimeler: Uleksit, SO 2, püskürtmeli kurutma, monosodyum pentaborat 1. GİRİŞ Türkiye dünyadaki bor cevherlerinin yaklaşık %60 ına sahiptir. Bor tabiatta özellikle kalsiyum ve/veya sodyum boratları halinde bulunur. En yaygın bor minerallerinden biri olan uleksit Na 2 O.2CaO.5B 2 O 3.16H 2 O kimyasal formülüne ve triklinal kristal yapısına sahiptir [1]. Bor cevherleri ve bor bileşikleri çok geniş uygulama alanları ile özellikle endüstrileşmiş ülkelerde stratejik konumda olan maddelerdir. Gelişmekte olan ülkemiz için de gerek günümüzde gerekse gelecekte önemini koruyacağı kuşkusuzdur. Bu bakımdan Türkiye de bor cevherlerinden bor bileşiklerinin üretilmesi, bu bileşiklerin çeşit veya kalite olarak geliştirilmesi hem Türkiye nin ihtiyacının hem de diğer ülkelerin ihtiyaçlarının karşılanması ve bu pazarda ülkemizin hak ettiği yeri alması bakımından önemlidir. Bu çalışma ile üretilmesi amaçlanan monosodyum pentaborat halen ülkemizde üretilmemektedir. Monosodyum pentaborat cam üretiminde ve tarımda gübre olarak kullanılmanın ötesinde, alev almayı önleyici malzeme üretiminde ve küf ve bakterilerin gelişmesini önleyici özelliğinden dolayı, ahşap koruyucusu olarak uygulama alanı bulan önemli bir bor bileşiğidir. Bu maddenin üretilmesiyle hem bu alandaki ihtiyaç giderilmiş olacak, hem değerlendiremediğimiz ve tamamını ihraç ettiğimiz uleksit için bir kullanım alanı oluşacak ve hem de Türkiye dünya pazarlarına çok önemli bir bor bileşiğini sunma imkanına sahip olacaktır. Püskürtmeli kurutma ile ilgili bir çok çalışma literatürde mevcuttur. Cao tarafından yapılan bir çalışmada termal bariyer kaplamalar için aday madde olan seramiklerin püskürtmeli kurutma işlemleri tartışılmıştır[2]. Li et al.tarafından yapılan bir çalışmada ise, bir püskürtmeli kurutma metodu yardımı ile çok ince LiCoO 2 tozlarının elde edilmesi ve karakterizasyonu incelenmiştir[3]. Liang tarafından sabit hız periyodu boyunca uygun yüksek katı içerikli çamur damlacıklarının püskürtmeli kurutulması için bir model geliştirilmiştir. Kütle ve ısı transfer olaylarını yönlendiren eşitlikler nümerik olarak sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak çözülmüştür[4]. Yine bir çalışmada, yeniden kristallendirilmiş burkeite (Na 2 CO 3.2Na 2 SO 4 ) in tanecik özellikleri üzerine püskürtmeli kurutma şartlarının etkisi incelenmiştir[5]. Başka bir çalışmada, püskürtmeli kurutmada farklı ürünlerin kurutma kinetiğinin ölçülmesi için bir model geliştirilmiştir ve bu çalışma için 9 m uzunluğunda bir püskürtmeli kurutucu tüneli dizayn edilmiştir[6].

2 2. KURAMSAL Püskürtmeli kurutma; akışkan yatak kurutma, flaş kurutma, sprey granülasyon, sprey aglomerasyon, sprey reaksiyon, sprey soğutma ve sprey absorpsiyon ailesinden, süspansiyonların işlendiği sistemlerden biridir. Püskürtmeli kurutma, hem tanecik oluşumunu sağladığı ve hem de kurutmayı gerçekleştirdiği için pompalanabilir sıvıların kurutulmasında kullanılan nadir bir kurutma prosesidir. Ürün özellikleri kontrol edilebilir. Püskürtmeli kurutma işleminde beslenen çözelti sıcak bir kurutma ortamına beslenir. Sıvı faz, süspansiyon, emülsiyon veya hamur olabilir. Sonuçta, kuru ürünler tozlar, granüller veya aglomeratlar olabilir. Bu oluşan ürünler beslemenin fiziksel ve kimyasal özelliklerine, kurutucu dizaynına ve kurutma operasyonuna bağlıdır. Püskürtmeli kurutma, dört basamaktan oluşur. Bunlar, beslemenin atomizasyonu, kurutma ortamı ile püskürtülen sıvının teması ve sonuç olarak nemin buharlaşması ve nemin uzaklaşması sonucu kuru taneciklerin havadan ayrılması. Püskürtülen damlalar kurutma havası ile temas eder etmez buharlaşma olur ve hızlı bir şekilde tanecik yüzeyinde doygun sıvı filmi oluşur. Tanecik yüzeyindeki sıcaklık kuru havanın yaş termometre sıcaklığına yaklaşır. Buharlaşma iki aşamada meydana gelir. İlk aşamada yüzeydeki nem kaybını yeniden doldurmak için damlacık içerisinde yeterli nem vardır. Damlacık içindeki nemin difüzyonu belirli bir süre devam eder. Buharlaşma sabit bir hızda gerçekleşir. Bu kurutmanın ilk periyodu veya sabit hız bölgesidir. Nem içeriği daha çok düşerse, kritik nokta olarak adlandırılan noktaya erişilir ve damlacık yüzeyinde kabuk oluşur. Burada, buharlaşma, kurumuş yüzeydeki kabuğun içerisinden nemin difüzyonunun hızına bağlıdır. Kuru kabuğun kalınlığı zamanla artar ve buharlaşma hızının azalmasına sebep olur. Bu ise kurutmanın ikici periyodu veya düşen hız bölgesi olarak adlandırılır[7]. Buharlaşma esnasında, atomize sprey dağıtımı değişikliğe uğrar. Farklı ürünler farklı buharlaşma özellikleri sergilerler. Tanecikler kuruduklarında şekil 1 deki şekilleri oluşturma temayülündedirler[7]. Şekil 1. Damlacığın Kuruma Mekanizmasının Basitleştirilmiş Gösterimi 3. DENEYSEL Kurutulacak çözelti şu şekilde hazırlanmıştır. İlk olarak uleksit cevheri kil minerallerinden yıkanarak arındırılmıştır. Daha sonra bu elde edilen temiz uleksit kaynama noktasında SO 2 ile doyurulmuş sularda çözündürülmüştür. Çözeltideki SO 2 kokusu tamamen uzaklaşana kadar çözelti kaynatılmıştır. Sonra bu bulamaç süzülmüş ve berrak çözelti kalsiyum sülfit ve magnezyum sülfitlerin tamamen çökmesi için tekrar kaynatılmıştır. Daha sonra süzülen kısımda Ca ve Mg tayinleri volumetrik olarak yapılmış ve analiz sonucunda Ca ve Mg un bulunmadığı tespit edilmiştir. Püskürtmeli kurutucuda, elde edilen bu çözelti kullanılmıştır.

3 Denemelerde kullanılan püskürtmeli kurutucu LAB-PLANT SD-04 (Şekil 2) marka laboratuar tipi bir kurutucudur. Maksimum hava giriş sıcaklığı 250 o C dir. İlk olarak belirli konsantrasyonda (0,04 g.ml -1 B 2 O 3 ) yukarıda bahsedildiği şekilde hazırlanan çözelti püskürtmeli kurutucuya verilmeden önce, kurutucunun kararlı hale gelmesi için gerekli sıcaklık ayarları yapıldıktan sonra 15 dakika beklenmiştir. Sıcaklık sabitleştikten sonra, hava besleme ve çözelti besleme hızları ayarlanmış, daha sonra çözelti sisteme beslenmeye başlanmıştır. Deneylerde, çözelti besleme hızı 0,15 ml/s değerinde sabit tutulmuş, üç farklı hava hızı ve yedi farklı ürün giriş sıcaklığı kullanılmıştır. Ürün çıkış sıcaklığı, diğer parametrelerdeki değişmeye göre farklı değerler almış olup, bunlar kaydedilmiştir. Deneyler sonunda elde edilen numunelerin X-ray difraktogramları ve SEM fotoğrafları çekilmiş ve kimyasal analizleri yapılmıştır. 4. SONUÇLAR Püskürtmeli kurutma çalışmalarında kullanılan çözeltinin kurutulmasında SEM fotoğrafları incelendiğinde elde edilen taneciklerin 200 o C nin altında küre şeklinde ve içlerinin boş olduğu görülür. Bu husus şu şekilde açıklanabilir. Teşekkül eden damlacıkların dış yüzü kuruduktan sonra, iç kısımda kalan nemin dışarıya doğru difüzlenmesinden daha hızlı olarak, damlacığa ısı transferi olmaktadır.bu hal damlacık içerisinde buhar teşekkülüne sebep olmakta; bu buhar, viskoz olan damlacığı bir balon gibi şişirerek ona küre şekli vermekte ve kendisi de, küre kabuğunu çatlatarak kaçmaktadır. Yüksek sıcaklıklarda tanecikler küre şeklinden parçalı bir şekle dönüştüğü görülmüştür. Bu da damlacık içerisindeki buharın çok daha hızlı bir şekilde küreciği patlatarak parçalara ayırmasından kaynaklanmaktadır. Amerikan Potash şirketi tarafından borospray adı ile piyasaya arz edilen monosodyum pentaboratpentahidrat 1/6 mol oranında granüle boraks ve borik asitten üretilmekte olup, Boraks ve borik asit ise ayrı ayrı işletmelerde elde edilmektedir.. Sunulan çalışmada ise monosodyum pentaborat-pentahidrat ham uleksitten direkt olarak tek bir işletmede üretilebilecektir. Monosodyum pentaborat halen ülkemizde üretilmemektedir. Bu maddenin üretilmesiyle hem bu alandaki ihtiyaç giderilmiş olacak, hem değerlendiremediğimiz ve tamamını ihraç ettiğimiz uleksit için bir kullanım alanı oluşacak ve hem de Türkiye dünya pazarlarına çok önemli bir bor bileşiğini sunma imkanına sahip olacaktır. Sonuç itibariyle hem bir istihdam ve hem de bir ekonomik katkı sağlanacaktır. KAYNAKLAR [1]. Tunç, M., Uleksitin sülfürik asit çözeltileri ile çözünürleştirilmesinin kinetiği ve mekanizması, Doktora Tezi, Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Eğitim Kimya Anabilim Dalı, Erzurum, s 1-6, [2]. Cao, X.Q., Vassen, R., Schwartz, S., Jungen, W., Tietz, F., and Stöever, D. Spray-drying of ceramics for plasma-spray coating. Journal of European Ceramic Society, 20, , [3]. Li, Y., Wan, C., Wu, Y., Jiang, C., Zhu, Y. Synthesis and characterization of ultrafine LiCoO 2 powders by a spray-drying method, Journal of Powder Sources. 85, , [4]. Liang, H., Shinohara, K., Minoshima, H., Matsushima, K. Analysis of constant rate period of spray drying of slurry, Chemical Engineering Science, 56, , [5]. Meenan, P. Roberts, K.J., Knight, P.C., Yuregir, K. The influence of spray drying conditions on the particle properties of recrystallized burkeite (Na 2 CO 3.(Na 2 SO 4 ) 2 ), Powder Technology, 90, [6]. Zbicinski, I., Delag, A., Strumillo, C., Adamiec, J. Advance experimental analysis of drying kinetics in spray drying, Chemical Engineering Journal, 86, , [7]. Masters, K. Spray Drying Handbook, Longman Scientific & Technical, England, Fifth published, pp 1-66, 1991.

4 Şekil 2. LAB-PLANT SD-04 Püskürtmeli Kurutucu Tablo 1. Püskürtmeli kurutucuda elde edilen ürünlerin kimyasal bileşimi ve formülleri Deney Şartları Deney (Sıcaklık, Hava hızı, % % % Elde Edilen Ürünün No Çözelti konsantrasyonu, B 2 O 3 Na 2 O H 2 O Formülü g/ml B 2 O 3 ) o C, 0,5 m/s, 0,04 52,56 9,36 38,08 Na 2 O.5B 2 O 3.14H 2 O o C, 0,75 m/s, 0,04 55,78 9,94 34,28 Na 2 O.5B 2 O H 2 O o C, 1 m/s, 0,04 60,09 10,70 29,21 Na 2 O.5B 2 O H 2 O o C, 0,5 m/s, 0,04 58,36 10,40 31,24 Na 2 O.5B 2 O H 2 O o C, 0,75 m/s, 0,04 61,15 10,89 27,96 Na 2 O.5B 2 O H 2 O o C, 1 m/s, 0,04 57,73 10,28 31,99 Na 2 O.5B 2 O H 2 O o C, 0,5 m/s, 0,04 59,08 10,52 30,40 Na 2 O.5B 2 O H 2 O o C, 0,75 m/s, 0,04 60,06 10,70 29,24 Na 2 O.5B 2 O H 2 O o C, 1 m/s, 0,04 59,93 10,67 29,40 Na 2 O.5B 2 O H 2 O o C, 0,5 m/s, 0,04 58,40 10,40 31,20 Na 2 O.5B 2 O H 2 O o C, 0,75 m/s, 0,04 58,18 10,36 31,46 Na 2 O.5B 2 O H 2 O o C, 1 m/s, 0,04 52,30 9,31 38,39 Na 2 O.5B 2 O H 2 O o C, 0,5 m/s, 0,04 58,95 10,50 30,55 Na 2 O.5B 2 O H 2 O o C, 0,75 m/s, 0,04 63,74 11,35 24,91 Na 2 O.5B 2 O H 2 O o C, 1 m/s, 0,04 60,61 10,79 28,60 Na 2 O.5B 2 O H 2 O o C, 0,5 m/s, 0,04 61,92 11,03 27,05 Na 2 O.5B 2 O H 2 O o C, 0,75 m/s, 0,04 67,43 12,01 20,56 Na 2 O.5B 2 O H 2 O o C, 1 m/s, 0,04 64,17 11,43 24,40 Na 2 O.5B 2 O H 2 O o C, 0,5 m/s, 0,04 66,98 11,93 21,09 Na 2 O.5B 2 O H 2 O o C, 0,75 m/s, 0,04 69,38 12,36 18,26 Na 2 O.5B 2 O H 2 O o C, 1 m/s, 0,04 70,65 12,58 16,77 Na 2 O.5B 2 O H 2 O

5 Tablo 2. Püskürtmeli kurutucuda beslenen hava hızına göre çıkış sıcaklığındaki değişim Hava Giriş Sıcaklığı Beslenen Çözelti Beslemeden Çözelti Besledikten ( o C) Hava Hızı (m/s) Önce Çıkış Sıcaklığı Sonra Çıkış ( o C) Sıcaklığı( o C) 105 0, , , , , , , , , , , , , , Şekil Deney sonucunda elde edilen ürünün X-ray difraktogramı (Sıcaklık:200 o C, Beslenen havanın hızı:0,5 m/s)

6 Şekil Deney sonucunda elde edilen ürünün SEM fotoğrafı Şekil Deney sonucunda elde edilen ürünün X-ray difraktogramı (Sıcaklık:250 o C, Beslenen havanın hızı:1 m/s) Şekil Deney sonucunda elde edilen ürünün SEM fotoğrafı