Hitit Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü,

Transkript

1 TERMİK SANTRAL VE BOR ATIKLARININ DUVAR KAROSU MASSESİNDE KULLANILABİLİRLİĞİNİN İNCELENMESİ M.Volkan OLUM, Mehmet GULA, Elif KARABIYIK, M.Sadrettin ZEYBEK Hitit Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü, ÖZET----Bu çalışmada, Çan Termik Santrali nden alınan uçucu kül atıklarının ve Bandırma Bor ve Asit Fabrikaları İşletmesinden alınan bor atıklarının ağırlıkça belirli oranlarda karıştırılarak bu atıkların duvar karosunda seramik hammaddesi olarak kullanılabilirliğinin incelenmesi amaçlanmıştır. Çalışmada uçucu kül ve bor atıklarının(boraks ve borik asit) Rigaku marka XRF cihazı ile kimyasal bileşimleri belirlenip belirli oranlarda önce teker teker daha sonra ikişerli karışım oluşturacak şekilde katkılar artırılarak hazırlanan karışımlar Nannetti marka el presi ile 105 bar basınçta duvar karosu haline getirildi. Bu karolar üzerinde Gabrielli marka mukavemet cihazı ile ham ve pişmiş mukavemet testi, su emme, kuru pişme ve pişme küçülmesi analizleri yapıldı. Elde edilen sonuçlara göre bu maddelerin TS EN standardına göre duvar karosu hammaddesi uygun olduğu gözlenmiştir. Anahtar kelime: Uçucu kül, Bor, Duvar Karosu Giriş Günümüzde seramik sanayinde kullanılan hammaddelerin tüketimi seramik malzemelerin satışında ve maliyetinde önemli yer tutmaktadır. Kullanılan hammaddeler ürün kalitesini ve ekonomisini doğrudan etkilerler. Hammadde özelliklerindeki olumsuz bir değişim nihai ürün özelliklerini de olumsuz yönde değiştirir.gün geçtikçe daralan rezervler nedeniyle seramik endüstrisinde yüksek kaliteli hammaddelerin temini ve dolayısıyla kullanımı giderek zorlaşmaktadır veya kalitesiz hammaddeler kullanılmaktadır. Kalitesiz hammadde kullanımı yerine, üretim sonucunda elde edilen atık malzemeleri ya da diğer endüstri kollarından gelen ikincil hammadde olarak adlandırılan hammaddelerin yeniden kullanılabileceği yeni yöntemlerin geliştirilmesine yönelik çalışmalar durmadan artmaktadır[1-3]. Son yıllarda teknolojik gelişmelere paralel olarak, artan endüstriyel atıkların neden olduğu çevre kirliliğini önlemek ve ayni zamanda ucuz bir malzeme kaynağı olarak kullanmak amacıyla endüstriyel atıkların (demir-çelik cürufları, bor atıkları, termik santral külleri) çeşitli alanlarda değerlendirilmesine yönelik çalışmalar da hız kazanmıştır. Atıkların en verimli şekilde ekonomiye tekrar kazandırılması ve miktarlarının azaltılması hem ekonomik hem de çevre sorunları açısından oldukça önemlidir. Kuramsal Bilgiler Seramiğin en önemli hammaddesi kildir. Seramik fabrikaları genellikle kil kaynaklarının yakınlarında kurulmaktadır. Türkiye seramik sektörü için üretilen killerin en büyük tüketim alanı, fayans ve seramik üretimleridir. Kil, üretilecek malzeme türüne göre, karıştırıcı, ıslatıcı makinelerde şekillendirilebilmeleri için gerekli su miktarı ilave edilmek suretiyle homojen bir hamur elde edilmeye çalışılır. Seramik malzemesi, elle, kalıplama, presleme, döndürme, filaj veya etraj, döküm teknikleri ile şekillendirilmektedir. Pişirilen ürünlere bisküvi adı verilmektedir. Desenlenmiş (dekorlanmış) ve sırı sürülmüş yarı mamuller geleneksel yöntemlerle fırınlarda pişirimi yapılmaktadır. Şekillendirilen, kurutulan parçalar süreksiz veya sürekli fırınlarda sürekli veya süreksiz fırınlarda, çanak, çömlekler açık ateşte, ince ürünler örtülü fırınlarda pişirilmektedir. Geçmiş 10 yıl içinde dünyada seramik teknolojilerinin gelişmesi sonucu uygulanan tek pişirim, seramik üretim kapasitelerini artırmış, bu artışa bağlı olarak kil taleplerinde de artışlar gözlenmiştir. Dünya ve Türkiye literatürlerinde seramik killeri kil, kaolin, refrakter kil ve bentonit ile birlikte değerlendirilmektedir. Bu nedenle özellikle dünya için yapılan literatür taramalarında seramik killerini diğer killerden ayırmak çok zor olmaktadır. Kil ve kaolinler aynı kimyasal sınıflama içerisinde olan tanımlamalar olup, sadece fiziksel özellikleri birbirinden farklı kavramlardır. Bir seramik bünyenin, kil gibi plastik ve dolgu niteliği olan hammaddeler yanında kuvars gibi plastik olmayan ve yapıyı yüksek sıcaklıklarda ayakta tutacak bir hammaddeye de gereksinimi vardır. Kuvars

2 bünyenin kuruma küçülmesini düşürür, plastikliği düzenlemeye yardımcı olur ve pişme sırasında deformasyon olmaksızın gaz çıkışına izin verir. Türkiye de seramik sektörü, ürün kalitesi ve üretim miktarı bakımından Avrupa ile rekabet edebilecek boyuta gelmiş olup, fayans ve seramik imalinde temel hammaddelerden biri olan feldspatın üretimi ve kalitesi büyük önem taşımaktadır. Feldspat, yerkabuğundaki birçok magmatik, metamorfik ve sedimanter kayacın bileşiminde büyük ölçüde bulunması, dolayısıyla ticari olarak çeşitli kaynaklardan üretimi veya feldspat oranı yeterli olduğu takdirde bu kayaçların doğrudan sanayide kullanımı mümkün olmaktadır. Kural olarak, seramik sanayinde potasyum feldspat daha yaygındır. Potasyum feldspatın avantajı, yüksek viskoziteye sahip bir eriyik oluşturması ve bu eriyiğin sonucu olarak, pişirme sırasında seramiğin şekil bozulmalarına karşı mukavemet sağlamasıdır. Modern termik santrallerde en önemli atık malzeme; toz kömürün yanmasıyla meydana gelen, baca gazlarıyla sürüklenen çok ince kül parçacıklarıdır. Bu ince kül parçacıkları elektrostatik yöntemlerle elektro filtrelerde ve siklonlarda yakalanmakta ve baca gazları ile atmosfere çıkışları önlenmektedir. Uçucu kül (UK) tanecikleri genellikle küresel yapıda olup büyüklükleri l-200um arasında değişmektedir. Küresel biçimde olup, SiO 2, Al 2 O 3 ve Fe 2 O 3 içerirler. Diğer puzolonik maddeler gibi, Ca(OH) 2 ile tepkimelerinde hidrolik bağlayıcı nitelik kazanırlar. Uçucu küllerin biriktirilmesi veya atılması, önemli oranda çevre kirliliğine yol açmaktadır. UK lerin neden olduğu çevre problemleri arasında, tozlanma, tarım ürünlerine zarar verme, yağmur ve rüzgar erozyonu, toprakta süzülme dolayısıyla toksik madde taşınması ve radyasyon sayılabilir. Bu çevre sorunları nedeniyle tarım ürünleri, su ve havanın kalitesi, doğal hayat, bölgenin ekonomik durumu ve çevre güzelliği açısından istenmeyen sonuçlar ortaya çıkmaktadır. Bu sorunların çözümlenmesi, UK lerin çeşitli kullanım alanlarında değerlendirilerek ülke ekonomisine kazandırılması ile mümkün görünmektedir. UK lerin değerlendirildiği sektörlerin başında ağırlıklı olarak inşaat sektörü gelmektedir. Çok geniş ve çeşitli alanlarda ticari olarak kullanılan bor mineralleri ve ürünlerinin kullanım alanları giderek artmaktadır. Üretilen bor minerallerinin % 10'a yakın bir bölümü doğrudan mineral olarak tüketilirken geriye kalan kısmı bor ürünleri elde etmek için kullanılmaktadır. Bor yeryüzünde toprak, kayalar ve suda yaygın olarak bulunan bir elementtir.toprağın bor içeriği genelde ortalama ppm olmakla birlikte ABD'nin Batı bölgelerinde ve Akdeniz'den Kazakistan'a kadar uzanan yörede yüksek konsantrasyonda bulunur. Deniz suyunda 0,5-9,6 ppm,tatlı sularda ise 0,01-1,5 ppm aralığındadır. Yüksek konsantrasyonda ve ekonomik boyutlarda bor yatakları,değişik metal borat bileşikleri olarak daha çok Türkiye ve ABD'nin kurak,volkanik ve hidrotermal aktivitesi olan bölgelerde bulunmaktadır. Bor minerallerinin bileşimleri ve yapısal özellikleri büyük oranda farklılık göstermesine karşın bor mineralleri genellikle Ca, Na ve Mg boratlar olarak görülürler. Birçok ekonomik bor yataklarının ana bileşenleri Ca ve Na boratlardır. Doğada yaklaşık 230'dan fazla bor minerali mevcut olup, ticari öneme sahip olan bor mineralleri; tinkal, kolemanit kernit, üleksit, pandermit, borasit, szaybelit, hidroborasit gibi minerallerdir. Deneysel Çalışmalar Çan Termik Santrali nden alınan uçucu kül atıkları ve Bandırma Bor ve Asit Fabrikaları İşletmesi nden alınan bor atıkları önce belirli oranlarda numuneler alınarak içinde bulunan su kurutucularda kurutularak giderilmiştir. Kurutulan atıklar 150 mikronluk eleklerden geçirilerek belirli bir tane boyutuna ulaşması sağlanmıştır. Belli tane boyutuna ulaşan atıklar, Kale Seramik Çanakkale Kalebodur Seramik Sanayi A.Ş Duvar Karosu Masse Üretimden alınan Sert I, Sert II ve kil açıcılardan oluşan seramik hammaddeleri ile karıştırılmıştır. Oluşturulan reçeteler Tablo 1 de verilmiştir. Karışım hazırlarken Sert I hammaddelerinin katkı oranları düşürülerek atıklarla karıştırılmış ve yeni bir sert I karışımı hazırlanmıştır. Bu şekilde oluşan yeni Sert I karışımı ve fabrikadan alınan Sert II ve kil açıcılar ile yaş olarak 1,6 g/cm 3 yoğunlukta

3 karıştırılmış ve oluşan karışımın iyice homojen olması için 5 dakika boyunca karıştırıcıda karıştırılmıştır. Homojenize olan karışım kurutucularda kurutularak içindeki suyun giderilmesi sağlanmıştır. Suyu giderilen hammadde karışımı tekrar 150 mikronluk elekten geçirilerek tekrar belli tane boyutuna ulaşması sağlanmıştır. Belli tane boyutuna ulaşan karışıma %3-5 oranında nemlendirilerek Nannetti el presi ile 105 bar basınçta basılarak duvar karosu haline getirilerek analizler için hazır hale getirildi. Tablo 1. Katkı Miktarları ve Deney Setleri Karışımlar Sert I (g) Sert II (g) Kil Açıcılar (g) Kül (g) Boraks (g) Borik Asit (g) 1.Karışım 165, , Karışım 161, , Karışım 158, , Karışım 165, ,88-5.Karışım 161, ,32-6.Karışım 158, ,76-7.Karışım 165, ,88 8.Karışım 161, ,32 9.Karışım 158, ,76 Standart A Karışımı 121, ,87 3,87 - B Karışımı 121, ,16 2,58 - C Karışımı 121, ,58 5,16 - D Karışımı 121, ,87 3,87 E Karışımı 121, ,58 5,16 F Karışımı 121, ,16 2,58 Standart Bu karolara kuru ve pişme küçülmesi (numuneler deneylere tabii tutulmadan kumpas yardımıyla boyları ölçülmüştür(a). Kuru küçülme ve Pişme küçülmesi deneylerinde 5,5x11x0,55 cm'lik numuneler, önce 105 C' de kurutularak kuru küçülme değerleri bulunmuş(b).daha sonra işletme fırınlarında elektrikli fırında 1135 C 'de 38 dakika pişirilerek pişme küçülmesi değerleri hesaplanmıştır (C). % Kuru Küçülme= (A-B)/A*100, %Pişme Küçülmesi= (A-C)/C*100), su emme (Numuneler 24 saat süreyle 105 ±5 C derece sıcaklıktaki bir etüvde değişmez ağırlığa kadar kurutulur. Kurutmadan sonra etüvden alınıp oda sıcaklığında 30 dk. bekletilir ya da numuneler hemen tartılmayacaksa desikatör de saklanır. 0,1 gram duyarlıkta tartılır (A).Kurutulan numuneler 4 saat süreyle tamamı su içinde kalacak şekilde bir kap içerisinde kaynatılır. Kaynama işleminden sonra numuneler direk sudan çıkarılmaz 1 saat civarında kendi halinde soğumaya bırakılır. Soğuyan sudaki numuneler sudan çıkarılır ve üzerindeki su damlaları, ıslatılarak sıkılmış bir bez veya sünger parçası ile silinip alındıktan sonra süratle tartılır(b). %Su Emme = (B-A)/A*100), mukavemet testi yapılmış ve bulunun değerler yardımıyla sonuçlar hesaplanmıştır.

4 Bulgular Kimyasal analizler sonucu elde edilen sonuçlar Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Borik Asit, Uçucu Kül ve Boraks Atıklarının Kimyasal Analiz Sonuçları Yapılan Analizler Borik Asit %Bileşimi Uçucu Kül %Bileşimi Boraks A. %Bileşimi K.K. 9,32 5,80 28,57 SiO 2 6,76 36,10 15,00 Al 2 O 3 0,89 14,00 3,20 TiO 2 0,21 0,63 0,19 Fe 2 O 3 0,70 10,18 0,16 CaO 30,17 18,13 14,72 MgO 0,85 1,46 15,00 Na 2 O 0,13 1,14 5,89 K 2 O 0,60 0,31 0,73 TOPLAM 49,63 87,75 83,46 SO 3 49,97 11,97 - SO ,80 B 2 O ,14 Karışımlara ait kuru küçülme ve Pişme küçülmesi Analiz sonuçları Tablo 2 de verilmiştir. Tablo 2. Kuru Küçülme ve Pişme Küçülmesi Analiz Sonuçları Karışımlar Kuru Pişmiş %Kuru %Pişme Ham Boyu Boyu Boyu Küçülme Küçülmesi (cm) (cm) (cm) A Karışımı 11,05 11,04 10,99 0,09 0,54 B Karışımı 11,05 11,03 10,97 0,18 0,72 C Karışımı 11,03 11,01 10,95 0,18 0,73 D Karışımı 11,05 11,03 10,96 0,18 0,81 E Karışımı 11,04 11,03 10,96 0,09 0,72 F Karışımı 11,04 11,02 10,96 0,18 0,72 Standart 11,04 11,03 10,99 0,09 0,45 1.Karışım 11,06 11,06 10,95 0,00 0,99 2.Karışım 11,06 11,05 10,95 0,09 0,99 3.Karışım 11,07 11,05 10,95 0,18 0,80 4.Karışım 11,08 11,07 10,96 0,09 1,08 5.Karışım 11,09 11,07 10,94 0,18 1,35 6.Karışım 11,07 11,06 10,95 0,09 1,08 7.Karışım 11,06 11,05 10,99 0,09 0,63 8.Karışım 11,06 11,05 10,96 0,09 0,90 9.Karışım 11,06 11,04 10,96 0,18 0,90 Standart 11,07 11,06 10,95 0,09 1,08

5 Numunelere ait su emme analiz sonuçları Tablo 3'te belirtilmiştir. Tablo 3 Su Emme Analiz Sonuçları Karışımlar % Su Emme 1.Karışım 22,61 2.Karışım 22,45 3.Karışım 21,29 4.Karışım 23,66 5.Karışım 23,33 6.Karışım 23,50 7.Karışım 20,73 8.Karışım 21,17 9.Karışım 20,46 Standart 23,91 A Karışımı 19,98 B Karışımı 18,48 C Karışımı 16,89 D Karışımı 18,29 E Karışımı 18,26 F Karışımı 18,25 Standart 18,28 Karışımlara ait ham ve pişmiş mukavemet sonuçları Tablo 4. de verilmiştir. Tablo 4. Karışımlara Ait Ham ve Pişmiş Mukavemet Sonuçları Karışımlar Ham Mukavemet(Kg/cm 2 ) Pişmiş Mukavemet(Kg/cm 2 ) Standart 4,90 135,40 1.Karışım 5,80 132,69 2.Karışım 8,05 126,56 3.Karışım 7,75 173,90 4.Karışım 4,67 168,84 5.Karışım 4,28 180,77 6.Karışım 5,61 166,50 7.Karışım 23,62 217,28 8.Karışım 23,53 223,10 9.Karışım 24,91 264,64 Standart 31,69 266,26 A Karışımı 19,28 255,65 B Karışımı 27,96 259,54 C Karışımı 40,95 282,94 D Karışımı 34,58 268,60 E Karışımı 37,28 283,37 F Karışımı 42,08 292,96

6 Sonuçlar ve Tartışma Bu çalışmada Çan Termik Santrali nden alınan termik santral ve Bandırma Asit ve Bor Fabrikaları ndan alınan bor atıkları hammadde olarak kullanılabilirliği incelenmiştir. Bor ve borik asit atıkları katkılı örneklerin en önemli kriter olan mukavemet değerlerinde standardında üzerinde değerlere ulaşılmıştır.tekli karışımlarda standart mukavemet değeri 135,40 kg/cm 2 iken kül atığı katkılı örneklerin mukavemet değerleri 126,56 kg/cm 2 ile 173,90 kg/cm 2 arasında boraks atığı katkılı örneklerde 166,50 kg/cm 2 ile 180,77 kg/cm 2 arasında borik asit atığı katkılı örneklerde ise 217,28 kg/cm 2 ile 264,64 kg/cm 2 arasında çıkmıştır. Tekli karışımların su emme standart değeri %23,91 iken kül atığı katkılı örneklerin su emme değerleri %21,29 ile %22,61 arasında boraks atığı katkılı örneklerde %23,33 ile %23,50 arasında borik asit atığı katkılı örneklerde ise %20,46 ile %21,17 arasında çıkmıştır. Bu sonuçlardan hareketle borik asit atık karışımlarında mukavemet testlerinde standardın üzerinde sonuçlar verdiği fakat su emme analizlerinde standardın altında sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Kül atığı diğer atıklara göre mukavemet testlerinde olumsuz sonuçlar verdiği söylenebilir. Boraks atığı ise mukavemet testlerinde borik asit atıkları kadar olmasa da standardın üzerinde sonuçlar verdiği söylenebilir. Ayrıca boraks atıkları katkılı örneklerin su emme değerlerinin standarda çok yakın olduğu görülmektedir. Yapılan çalışmadan çıkarılabilecek en genel sonuç borik asit atıklarının duvar karosu massesinde hammadde olarak kullanıma en uygun atık olduğudur. Uçucu küllerin ise duvar karosu massesinde kullanılmaya en elverişsiz atık olduğudur. Bu çalışma sonuçlarına göre bu atıklardan borik asit ve boraks atıklarının TS EN standartlarına göre duvar karosu hammaddesi olarak kullanımı uygundur. Atıklar değerlendirilirken atıkların her ne şekilde olursa olsun ortadan kaldırılması gereken malzemeler olarak düşünülmesi yerine atıklarında belli bir değerinin olduğu ve katma değeri yüksek olan ürünlerin eldesinde kullanılabileceği düşünülmelidir. Kaynaklar 1. Kurttepeli, Y., Bor Atıklarının Seramik Endüstrisinde Degerlendirilmesi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Sokolar,R., Smetanova,L. Dry pressed ceramic tiles based on fly ash-clay body: Influence of fly ash granulometry and pentasodium triphosphate addition, Ceramics International, Volume 36, Issue 1, p , Erol, M.,Genç, A., Öveçoğlu, M. L., Yücelen, E., Küçükbayrak, S. Taptık, Y. Characterization of a glass-ceramic produced from thermal power plant fly ashes, Journal of the European Ceramic Society, Volume 20, Issue 12,p , 2000.