KÜKÜRT DİOKSİT GAZI İLE ÜLEKSİT TEN BORİK ASİT ÜRETİMİ

Transkript

1 KÜKÜRT DİOKSİT GAZI İLE ÜLEKSİT TEN BORİK ASİT ÜRETİMİ İbrahim Hakkı Karakaş a*,mehmet Çopur b, M. Muhtar Kocakerim c, Zeynep Karcıoğlu Karakaş d a Bayburt Üniversitesi, Bayburt Meslek Yüksek Okulu, Bayburt b Atatürk Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, Erzurum c Çankırı Karatekin Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, Çankırı d Atatürk Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Erzurum Sorumlu yazar: İbrahim Hakkı KARAKAŞ, Bayburt Üniversitesi, ihkarakas@bayburt.edu.tr ÖZET Bu çalışmada konsantre üleksit belirli ph değerlerinde sabit tutulmak suretiyle SO 2 ile sulu ortamda çözündürülmeye çalışılmıştır. Çözündürme işlemi iki aşamada yapılmıştır. Çözündürmenin optimizasyonu Taguchi Metodu kullanılarak incelenmiştir. Denemelerde, reaksiyon sıcaklığı, katı-sıvı oranı, tane boyutu, ve reaksiyon süresi incelenecek parametreler olarak belirlenmiştir. Çalışmada cevherin içerdiği toplam B 2 O 3 ün yaklaşık %99 u çözeltiye alınabilmiştir. Elde edilen doygun çözelti uygun şartlarda kristallendirilmiştir. Ürün borik asitlerde çeşitli safsızlıklar incelenmiş ve çözündürme şartlarının borik asit ürünlerinin saflıkları üzerindeki etkileri incelenmiştir. Sonuçta herhangi bir rafinasyon işlemine gerek kalmadan oldukça yüksek saflıklarda borik asit üretilmiştir. 1.GİRİŞ Türkiye dünyanın en büyük bor rezervlerine sahip ülkesidir. Dünyada bilinen yaklaşık 230 civarında bor minerali bulunmaktadır. Ülkemizde en sık rastlanan bor mineralleri tinkal kolemanit ve üleksittir. Bu minerallerden tinkal boraks üretiminde ve kolemanit borik asit üretiminde kullanılmaktadır. Üleksit minerali ise ülkemizde kullanılmamakta ve konsantrasyon tesislerinde konsantre hale getirildikten sonra tamamı yurtdışına satılmaktadır. Borik asit, bor türevli maddeler içerisinde en önemli olanlardan birisidir. Borik asit bir çok bor türevinin sentezinde ana çıkış maddelerinden biridir. Borik asit bir çok endüstrin dalı için de önemli bir hammaddedir. Sanayide çok geniş kullanım alanı bulan borik asit, Cam ve seramik endüstrisi, diğer bor türevlerinin hazırlanması, temizlik maddeleri üretiminde, gıda sektöründe, kozmetik sanayi, nükleer teknoloji, tekstil, metal endüstrisi ve tarımda yaygın olarak kullanılmaktadır. Borik asit, Türkiye de kolemanitten sülfürik asit prosesiyle elde edilmektedir. Bu calismada borik asit elde etmek için sülfürik asit yerine kükürt dioksit gazi kullanılmıştır. Kükürt dioksit sülfürik asit üretiminde bir ara üründür. Bu bakımdan bir reaktif olarak kükürt dioksitin sülfürik asitten daha ucuz olduğu bir gerçektir. Bu çalışmada konsantre kolemanitin SO 2 ile doyurulmuş sulardaki çözündürülmesinin optimizasyonu Taguchi Metodu kullanılarak incelenmiştir. Denemelerde, reaksiyon sıcaklığı, katı-sıvı oranı, tane boyutu, karıştırma hızı ve reaksiyon süresi parametre olarak seçilmiştir. Çevre kirlenmesinde en önemli sektörlerden biri olan kimya endüstrisinde, çevre kirlenmesini önlemede alternatiflerden biri, belki de en önemlisi çevre dostu teknolojiler geliştirmektir. Mevcut teknolojide borik asit yanında atık olarak da jips oluşmakta, üretilen 1

2 borik asit başta sülfat ve kalsiyum olmak üzere çeşitli safsızlıklar içermekte ve rafine bir ürün elde edilmesi ilave işlemler gerektirmekte ve bu da maliyeti artırmaktadır. Bu prosesin amacı atıksız çevre dostu bir sistemle sülfürik asit prosesine göre daha ucuz ve daha saf borik asit elde etmektir. Bu çalışmada ülkemizde bol miktarda bulunan fakat işlenemediği için yurt dışına satılan üleksit minerali kullanılarak önemli bir sanayi hammaddesi olan borik asit üretimi incelenmiştir..ayrıca yan ürün olarak sodyum sülfit elde edilmiştir. Bu çalışmada çözündürme işlemi iki aşamada yapılmıştır. Birinci aşamada üleksit minerali su içerisine ilave edilmiştir. Sistemin ph değeri kükürt dioksit gazı ile belli bir değerde sabit tutulmuştur. Bu aşamada cevherin içerdiği Na 2 O içeriğinin çözeltiye alınmasının optimum şartları belirlenmiştir. Daha sonra filtrasyon yapılmıştır ve katı madde üzerine saf su ilave edilerek belli bir sıcaklığa kadar ısıtılarak ilk aşamada çözündürülen fakat katıda kalan B 2 O 3 çözeltiye alınmıştır. Daha sonra elde edilen doygun çözeltiler uygun şartlarda kristallendirilerek borik asit elde edilmiştir. Elde edilen ürünlerin içerdikleri safsızlıklar incelenmiş ve çözündürme parametrelerinin ürün saflığına etkileri de araştırılmıştır. Deneysel çalışmalarda taguchi istatistiksel deney tasarımı metodu kullanılmıştır. 2.MATERYAL VE YÖNTEM Çalışmalarda kullanılan üleksit cevheri Eti Maden İşletmeleri Genel Müdürlüğünün Bigadiç deki tesislerinden temin edilmiştir. Bu örnekler öğütülmüş ve standart eleklerden geçirilerek elek fraksiyonlarına ayrılmıştır. Optimizasyon çalışmaları için -250, -180 ve -150 µm, tane boyutunda örnekler hazırlanmıştır. Deneylerde kullanılan parametreler ve bu parametrelerin seviyeleri Tablo 1 de verilmiştir. Denemeler için taguchi L 18 ortogonal dizisi kullanılmıştır. Tablo 1 Denemelerde incelenen parametreler ve bu parametrelerin seviyeleri Seviye Parametreler A B C D E F ph Katı/sıvı oranı (g/ml) Tane boyutu ( m) Karıştırma Hızı (dev/dak) Sıcaklık (K) Zaman(dak) 4,5 0, , ,5 0, Bu çalışmalarda, çözündürme işlemi iki aşamada uygulanmıştır. Birinci aşamada üleksit minerali düşük sıcaklıklarda ve belirli ph değerlerinde kükürt dioksit gazı ile muamele edilmiştir. Bu işlem sırasında cevherin içerdiği sodyumun büyük bir kısmının çözeltiye alınması ve bu işlemin döngüler halinde yapılarak çözeltinin sodyum içeriğinin derişiklendirilmesi amaçlanmaktadır. Bu işlem sonunda elde edilen karışım oda sıcaklığında, vakum filtrasyonu düzeneği ile filtrelenmiştir. Süzüntüde B 2 O 3, CaO ve Na 2 O analizleri yapılmıştır. Kalan katı kısım ise üzerine belirli bir miktar su alınarak 90 o C ye kadar ısıtılmıştır. Bu aşamada cevher içerisinde kalan borik asitin tamamının çözeltiye alınması amaçlanmaktadır. Çözeltinin soğuyarak içerdiği borik asitin kristallenmesini engellemek için, filtrasyon işlemi ceketli bir huni kullanılarak yapılmıştır. Borik asit, su içerisinde soğukta az çözünürken, sıcaklık arttıkça çözünürlüğünün önemli oranda arttığı bilinmektedir. Dolayısıyla 2

3 kristallendirme işlemi sıcak borik asit çözeltisinin soğutulması ile yapılmıştır. Filtrasyon sonunda elde edilen sıcak ve berrak çözelti sıcaklığı 10 o C ye düşürülünceye kadar soğutuldu. borik asit kristallerini ihtiva eden soğuk çözelti vakum filtrasyon düzeneği ile filtrelendi ve ürün borik asit kristalleri ayrıldı.deneysel prosedürün şematik gösterimi Şekil 1. de verilmiştir. 3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Şekil 1. Deneysel prosedürün şematik gösterimi Bir bilgisayar yardımıyla, toplanan veriler kullanılarak etkin parametreleri ve bunların çözünme prosesi üzerindeki güven seviyelerini bulmak için varyans analizi (ANOVA) yapıldı. B 2 O 3 un optimum çözünme performansını elde etmek için daha büyük-daha iyi performans karakteristiği alınmıştır. Bu çalışmada iki aşamalı bir çözündürme işlemi uygulanmış ve sonuçta oldukça yüksek saflıkta ürünlerin üretilmesi sağlanmaya çalışılmıştır. Bu çalışmada 2 aşamalı bir çözündürme işlemi uygulanmış ve sonuçta oldukça yüksek saflıkta ürünlerin üretilmesi sağlanmaya çalışılmıştır. Çözündürme denemelerinde kullanılan ortogonal deney planı ve deney sonuçları Tablo 2 de verilmiştir. 3

4 Tablo 2. Çözündürme denemelerinde kullanılan ortogonal deney planı ve deney sonuçları Deney % B 2 O 3 %Na 2 O A B C D E F G H No 1.Seri 2.Seri Ort. 1.Seri 2.Seri Ort Na 2 O in optimum çözünme performansını elde etmek için daha büyük-daha iyi performans karakteristiği seçilmiştir. Bu proses için performans karakteristikleri üzerinde parametrelerin etki dereceleri Şekil 2. de grafik olarak verilmektedir. Buna göre optimum şartlar B 2 O 3 için, B 3 (363 K), C 1 (0,25 g/ml), D 3 (30 dak), E 3 (600 rpm), F 3 (-150 µm) dir. 4

5 ETA = -10*log10(1/N*Sum(1/y²)) A B C D E Şekil 2. Na 2 O çözünmesi üzerinde parametrelerin etkinlik değerleri Na 2 O çözünmesinin optimum şartlarını belirlemek içinde yine toplanan veriler kullanılarak etkin parametreleri ve bunların çözünme prosesi üzerindeki güven seviyelerini bulmak için varyans analizi(anova) yapıldı. ANOVA analizi sonuçları için Tablo 3.1. de verilmiştir. Tablo 3. Optimizasyon deneylerinde Na 2 O için ANOVA tablosu Parametreler SS df MS F P A B C D E Hata B 2 O 3 un optimum çözünme performansını elde etmek için daha büyük-daha iyi performans karakteristiği alınmıştır. Performans karakteristikleri üzerinde parametrelerin etki dereceleri B 2 O 3 için Şekil 3 de grafik olarak verilmektedir. Her bir grafikte maksimum noktanın nümerik değeri o parametrenin en iyi değerini gösterir. Buna göre optimum şartlar B 2 O 3 için, A 3 ( ph 4,5 ), B 3 (0,25 g/ml), C 1 (-150 µm), D 3 (363 K), E(600 rpm), F 3 (30 dak) dir. 5

6 ETA = -10*log10(1/N*Sum(1/y²)) A B C D E Şekil 3. B 2 O 3 çözünmesi üzerinde parametrelerin etkinlik değerleri Bir bilgisayar yardımıyla, toplanan veriler kullanılarak etkin parametreleri ve bunların çözünme prosesi üzerindeki güven seviyelerini bulmak için varyans analizi (ANOVA) yapıldı. ANOVA analizi sonuçları B 2 O 3 için Tablo 4. de verilmiştir. Tablo 4. Optimizasyon deneylerinde B 2 O 3 için ANOVA tablosu Parametreler SS df MS F P A B C D E Hata Bu denemelerden elde edilen çözeltilerin kristallendirilmesi sonucu oluşan ürünler analiz edildi. Elde edilen ürünlerin oldukça yüksek saflıkta olduğu görüldü. 6