Duyuru

Collapse
No announcement yet.

Borik asitten çinko borat üretimi

Collapse
X
  • Filtrele
  • Zaman
  • Göster
Hepsini Sil
new posts

  • Borik asitten çinko borat üretimi

    BORİK ASİTTEN ÇİNKO BORAT ÜRETİMİ
    Merve ZAKUT, M.Sadrettin ZEYBEK
    Hitit Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü, Çorum,19030,sadrettinzeybek@hitit.edu.tr
    Özet
    Yapılan çalışma borik asit ve çinko oksit kullanarak uygun sıcaklıklar altında çinko borat üretimini, üretimdeki verimi ve ekonomik
    değerlendirmesini içermektedir. Bu amaçla; literatürdeki üretim bilgileri de dikkate alınarak laboratuvar ortamında kimyasal yolla çinko
    borat üretimi gerçekleştirilmiştir. Numunelere B2O3, ZnO, Zn analizleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar ticari çinko borat numuneleriyle
    karşılaştırılmıştır. Ticari çinko borat numunesine en yakın analiz sonucunu veren numuneler elde edilmiştir. Ayrıca örneklerin hepsinin
    fiziko-kimyasal özellikleri FTIR cihazıyla analiz edilmiştir. Literatürdeki çinko borat numunesinin FTIR sonuçlarıyla elde ettiğimiz
    numuneler karşılaştırılmıştır. Optimum koşullar 100°C ve 3 saatlik çalışma sonucunda elde edilmiştir.
    Anahtar kelimeler: Çinkoborat, Borik Asit, FTIR, Çinko Oksit
    Giriş
    Türkiye sahip olduğu bor rezervleri ve cevherlerinin kalitesi ile dünyanın önde gelen ülkelerindendir.
    Dolayısı ile değişik bor ürünleri elde edilmesine yönelik çalışmaların yapılmasına ihtiyaç duyulmaktadır.
    Dünyada ticari olarak üretilen 175 civarında özel bor kimyasalı mevcut olup, çinko borat bunlardan bir
    tanesidir [1].
    Son yıllarda bor minerallerinin ticari ve endüstriyel kullanım alanları giderek çeşitlenmekte ve
    genişlemektedir. Üretilen bor cevher ve konsantrelerinin küçük bir kısmı doğrudan tüketilirken, önemli
    bir bölümü ise çeşitli bor bileşikleri üretiminde kullanılmaktadır. Üleksit, kolemanit, tinkal gibi bor
    konsantreleri kullanılarak borik asit, susuz borik asit, sodyum perborat, boraks pentahidrat, boraks
    dekahidrat, susuz boraks gibi çeşitli bor bileşikleri üretilmektedir. Bununla birlikte bor ile ilgili olarak
    yapılan çalışmalar bor bileşikleri üretiminin çeşitlendirilmesi konusuna yoğunlaşmıştır. Çinko borat, bor
    karbür, flora boratlar, ferro bor ve bor fiberler bu konuda verilebilecek örnekler arasındadır.
    Türkiye dünya bor rezervlerinin %72' sine sahiptir. Kütahya ilinin Emet ilçesi ile Balıkesir ilinin Bigadiç
    ilçesi dünyanın en geniş kolemanit ve üleksit yataklarına sahiptir [3].
    Cam, seramik, temizlik, beyazlatıcı ve yanmayı önleyici (geciktirici) madde üretimine yönelik sanayi
    dallarının yanı sıra, metalürji, nükleer uygulamalar ve tarım; bor mineralleri ve ürünlerinin günümüzdeki
    kullanım alanları arasında sayılabilirler. Bor mineralleri ve ürünlerinin kullanım alanları ülkelerin
    ihtiyaçlarına, sahip oldukları üretim koşullarına, maden kaynaklarının özelliklerine ve ticari pazar
    özelliklerine göre değişkenlik göstermektedir.
    Önemli bor bileşiklerinden biri olan çinko boratlar; kablolarda, yanmaya dayanıklı boyalarda,
    kumaşlarda, elektrik/elektronik cihaz parçalarında, yanmaya dayanıklı halı kaplamalarında,
    otomobil/uçak iç aksamlarında, tekstil ve kağıt endüstrisinde kullanım alanına sahiptir. Ancak çinko
    boratların katkı malzemesi olarak en geniş kullanım bulduğu alan basta alev geciktirici, duman bastırıcı,
    korozyon önleyici olarak polimer ve kaplamalarda kullanılır olmasıdır. Çinko boratlar yüksek
    dehidrasyon sıcaklığına sahip olduğu için polimerlerde katkı malzemesi olarak kullanıldığı gibi duman bastırıcı özelliklerinin daha etkili olması ve fiyatının ucuz olması nedeniyle de diğer bazı alev
    geciktiricilerin, örneğin Sb2O3 ve Al(OH)3 gibi, yerini kısmen almaya başlamıştır.
    Bu çalışmada, çinko borat eldesinin laboratuar ölçekli üretim koşulları tespit edilmeye çalışılmıştır. Bu
    çalışmanın temel amacı alev geciktirici ve duman bastırıcı gibi geniş alanlarda kullanılan çinko boratın
    üretimidir. Ticari çinko borat üretim prosesinin geliştirilmesi birçok farklı görüşten araştırılmıştır ve elde
    edilen numunelere çeşitli tekniklerde analizler uygulanmıştır.
    Kuramsal Bilgiler
    Bor elementi, periyodik sistemin üçüncü grubunda yer alır. Atom numarası 5, atom ağırlığı 10,81 ve
    özgül ağırlığı 2,30-2,46 olan bor elementinin amorf bir toz halindeki rengi koyu kahverengi ve çok
    gevrek, sert yapılı monoklinik kristal halinin rengi ise sarımsı kahverengidir. Ergime noktası yaklaşık
    2300 o
    C' dir. Bor'un elektrik iletkenliği oda sıcaklığında çok düşük olmasına rağmen ısıtıldıkça süratle
    artar. Bu metallere has bir özellik değildir. Diğer metalik özelliklerinin de çok az olmasından dolayı bir
    ametaldir. 2300 °C'de eriyen, 2550 °C'de kaynayan borun kimyası, silisyumunkine çok benzer.
    Bileşikleri kovalent bağlarıyla kurulur ve burada bor, +3 yükseltgenme derecesini taşır. Yüksek
    sıcaklıkta, güçlü bir indirgendir. Halojenlerle birleşir (en önemli bileşiği, organik kimyada katalizör
    olarak kullanılan BF3' tür). Oksijende yanarak bor trioksidi (B2O3) verir. Buna denk gelen hidratlar HBO2
    ve H3BO3 borik asitlerdir (bu asitlerden oluşan tuzlar borat diye adlandırılır). Bor azotla, yüksek
    sıcaklıklara dayanıklı, grafit tipinde yapraklı olan nitrürü (BN) oluşturur. B4C karbürü, indirgendir ve
    çeşitli yapılarda olan, çok sert, sıcağa dayanıklı ve iyi iletken olan metal borürlerin hazırlanmasında
    kullanılır.
    Çinko boratlar bor bazlı xZnO.yB2O3zH2O kimyasal bileşimine sahip bir alev geciktiricidir. PVC,
    poliolefinlerde, elastomerlerde, poliamitlerde, epoksi reçinelerde kullanılmaktadır.
    Halojen içeren sistemlerde antimon oksitle birlikte kullanılır. Halojen içermeyen sistemlerde ise ATH
    (Al(OH)3, Al2O3. 3H2O), MH ile birlikte kullanılır.
    Çinko borat; halojen kaynaklarının bozunmasını hızlandıran çinko oksi halidler üzerinde etkilidir. Ayrıca
    borat bileşimi düştükçe daha düşük bir ergime camı oluşur bu da kavrulmuş parçayı daha dengeli bir hale
    getirir. Endotermik olusu kavrulmuş kısım üzerinde su oluşumunda etkilidir. Ayrıca yapılan bilimsel
    çalışmalar alev geciktirici olarak çinko borat içeren malzemelerin yanması sonucu sulu bileşiklerin
    oluştuğunu ve kalıntıyı kaplayarak daha da oksitlenmesini engelleyen bir camsı fazın kalıntıyı örttüğünü
    göstermiştir. Diğer taraftan aynı amaçla kullanılan antimon oksidin (daha çok buhar fazında alev
    durdurucu olan) malzeme yüzeyini örten camsı faz oluşumuna çok az etkisi olduğu belirlenmiştir.
    Klor içeren ürünlerin yanma ürünlerinden olan ve yangın sonrası bina içindeki metal alaşımın korozyona
    uğramasına sebep olan HCl gazı da çinko borat kullanımı ile kontrol altına alınabilmektedir. Oluşan HCl
    aşağıdaki reaksiyona göre nötralize edilebilmektedir. 2ZnO.3B2O3 + 12 HCl → Zn(HO)CI + ZnCI2 + BCI3 + 3HBO2 + H2O
    Son zamanlarda çinko boratlar, ATH ile rekabet içindedir. Yeni ürün olan çinko boratlar 300 – 450 0
    C
    sıcaklık aralığında ağırlıklarının %10 'undan fazlasını kaybetmektedir. Bununla birlikte ısı etkisi altında
    çinko borat camsı faza dönüşerek yalıtkan bir bariyer oluşturmakta ve yanmayı engellemektedir. ZB ve
    ATH birlikte kullanımda, daha yüksek sıcaklıklarda bile malzemenin mekanik ve elektrik özelliklerini
    korumasını sağladığından, özellikle kablo üretiminde sıkça tercih edilen bir yöntemdir.
    Çinko boratlar, beyaz renkte, granüler görünümde, 550 0
    C civarında ergime noktasına sahip, 8 – 20 μm
    parçacık boyutlu, 7.6 pH' lı malzemelerdir. Bölünebilir yalıtkan kablolar silikon etilen propilen dien
    monomer (EPDM) 'den üretilmektedir. ATH ve çinko borat ile takviye edilmektedir. Bunlar ergidiğinde
    seramik sert kalıntı oluşmaktadır. Bu sert kalıntı termal engel oluşturmakta hem yangını yayılmasını
    engellemekte hem de çoklu kablolarda kısa devre oluşumunu engellemektedir.
    İlk ticari çinko borat bileşikleri daha çok kristal suyu içeren 2ZnO. 3B2O3. 7,5H2O bileşiminde
    oluşmuştur. Böylece yangın etkisiyle oluşan yüksek ısı ile daha çok su moleküllerinin yüzeyden dışarı
    çıkacağı böylece su molekülünün büyük oranda ısıyı absorblayacağı ve yüzeyi soğutacağı, aleve direncin
    artacağı düşünülmüştür. Ancak günümüzde hem nakliye masraflarının azalması düşüncesi hem de çinko
    borat bileşiklerinin daha yüksek sıcaklıkta üretilen polimerlere katılabilmesi amacıyla daha düşük su
    içerikli çinko borat bileşiklerinin üretimine yönelmiştir. Üretilen (2ZnO.3B2O3.3,5H2O) bileşimindeki
    düşük su içerikli çinko borat yüksek sıcaklıkta üretilen polimerlere katkı maddesi olarak kullanıldığında
    daha az su buharlaşması problemleri çıkmakta böylece plastikte boşluk oluşumu azalmaktadır .
    Myhren ve Nelson (1946) tarafından yapılan patent çalışmasında boraks ve çinko sülfat çözeltileri
    kullanılarak tepkime gerçekleştirilmiştir. Daha sonra ortama NaOH ilave edilerek, çinko sülfatın fazlası
    ile etkileşimi sonucu ZnO oluşumu sağlanmış ve sonuçta ZnO-H3BO3 etkileşimi yoluyla da
    2ZnO·3B2O3·7H2O bileşiminde çinko borat elde edilmiştir. Oluşan çinko boratın hidroliz yoluyla
    parçalanmaması için tepkime oda sıcaklığında gerçekleştirilmiş ve tepkime süresince 18-20 saat
    karıştırmanın gerekliliğine değinilmiştir.
    Nies ve Hulbert tarafından yapılan bir başka patent çalışmasında boraks ve/veya borik asit çözeltisine
    ZnO veya H2SO4-ZnO veya ZnSO4 ilave edilerek 70- 100 °C arasındaki sıcaklıklarda gerçekleştirilen
    tepkime sonucunda 2ZnO·3B2O3·nH2O (n=3,3 3,7) bileşiminde bir bileşik sentezlenmiştir.
    Sodyum veya potasyum tetraborat ve suda çözünür çinko bileşikleri kullanılarak 90-100 °C arasındaki
    sıcaklıklarda 2ZnO·3B2O3·3,5H2O bileşiği sentezlenmiştir. Bu patent çalışmasında çinko tuzu/borat molar
    oranının kritik olduğu ve bu oranın 1/1,5 olması ve tepkime sonunda ortamda bir miktar fazladan borik
    asit kalması gerektiği ifade edilmiştir. Ayrıca ortama bir miktar çinko borat ilavesi ile aşılama yapılarak
    kristallenme hızının artırılabileceği belirtilmiştir . Çinko borat konusunda ülkemizde yapılan çalışmalar dikkate alındığında, Mergen, tarafından çinko oksit
    ve borik asit kullanılarak 4ZnO·B2O3·H2O bileşimindeki bileşiğin sentezlenmesinin hedeflendiği
    görülmektedir. Deneysel çalışma sonuçları H3BO3/ZnO molar oranı 0,42 olan koşulda, 98 °C sıcaklıkta,
    borik asit ilavesinin kademeli ve aşılama işleminin yapılması ile ancak 6 saatlik bir tepkime sonucunda
    ürün alınabileceğini göstermiştir.
    Ülkemizde yapılan diğer çalışmalarda ise borik asit ve çinko oksit kullanılarak 2ZnO·3B2O3·3,5H2O
    bileşiminde borat sentezlenmesi yoluna gidilmiştir. Gürhan tarafından yapılan çalışmada 95-98 °C
    arasındaki sıcaklıklarda, Ülkü ve Balköse (2005) tarafından yapılan çalışmada ise 60-90 °C arasındaki
    sıcaklıklarda çalışılmış, her iki çalışmada aşılama kullanılarak elde edilen ürünlerin bazı özellikleri
    belirlenmeye çalışılmıştır.
    Deneysel Çalışmalar
    Çinko borat üretiminde kullanılan borik asit ve çinko oksit Bandırma Etibor Fabrikası' ndan temin
    edilmiştir. Borik asidin ve çinko oksidin fiziksel ve kimyasal özellikleri Tablo 1. de verilmiştir.
    Tablo 1 Borik asit ve Çinko oksit fiziksel ve kimyasal özellikleri
    Özellikler/Bileşik Borik asit Çinko oksit
    Formül yapısı H3BO3 ZnO
    Bileşimi % 56,30 B2O3 - % 43,70 H2O %80,30 Zn - % 19,6 O
    Molekül ağırlığı 61,84 g/mol 81,37 g/mol
    Özgül ağırlığı 1,435 g/cm3 5,59 g/cm3
    Ergime noktası 170,9 °C
    Deneysel çalışmalarda 1,17 mol/L borik asit öncelikle suda çözüldü. Belirli oranlarda ZnO ve borik asit
    hazırlandı. Ardından stokiyometrik oranlarda hazırlanan ZnO ve borik asit eklendi. Reaksiyona girmeleri
    sağlandı. Deney düzeneği ısıtıcı yardımıyla ölçülmek istenen sıcaklıklara getirildi. 90 °C ve 100 °C ' de
    ölçümler yapılarak 2, 2,5 ve 3 saat için sırasıyla numuneler alındı. Aynı zamanda hammaddeler
    eklendikten sonra aşı kristali ilavesi yapıldı. Numuneler alındıktan sonra etüvde kurumaya bırakıldı.
    Safsızlıkları gidermek amacıyla elde edilen numuneler sıcak saf suyla yıkandı. Yapılan deneysel
    çalışmalarda, optimum koşullar için elde edilen numuneler FTIR ile analiz edilmiştir. Şekil 1' de çinko
    borat üretim düzeneği gösterilmiştir.






    Şekil 1. Çinko borat üretimi deney düzeneği
    Numunelerin B2O3 Analizi
    Yaklaşık 1 gr olacak şekilde madde tartımı yapılır.400 ml bir behere konur. Üzerine 100 ml su eklenir.
    Sonra üzerine 1+3'lük H2SO4'ten 10 ml eklenir. 10 dakika kaynamaya bırakılır. Ortam asidik olduğu için
    Na2CO3 ile nötrleştirme işlemi yapılır. Erlende süzme işlemi gerçekleştirilir. Üzerine bir miktar 1+3'lük
    H2SO4 ilave edilir. Kaynamaya başladıktan sonra 5 dk tutulur. Soğuk suda belirli bir süre soğumaya
    bırakılır. Nötralleştirmek için 6 N' te de NaOH eklenir. Daha sonra %1 lik fenolftaleinden 8-9 damla,
    magnitten 5 gr eklenir. Daha sonra 0,5 N NaOH ile titrasyona devam edilir. Renk dönümüne yakın 2 gr
    daha magnit ilave ediyoruz. Renk soğan kabuğu kırmızısı rengini alınca titrasyon sona erdirilir.
    Aşağıdaki formül yardımıyla %B2O3 hesaplanır.
    %B2O3 = 0,017405 * 100 * f * 5 / tartım

    Numunelerin Zn Analizi
    Bir gram numune tartılır. Üzerine %10'luk HCI asitten 20 ml alınır. Numune belli bir sıcaklıkla
    çözündürülür. Çözelti soğuduktan sonra balon jojede 500 ml'ye tamamlanır. Son çözeltiden 50 ml alınır.
    0,5 N NaOH ile pH 'ı 4'e getirilir. Ortama tampon çözelti eklenir. Erio Krom Black T ekledikten sonra
    EDTA ile titrasyon yapılır. Aşağıdaki formül yardımıyla %Zn hesaplanır.
    %Zn=1,3076 * 100 * 55 * 5 / tartım * 1000

    Şekil 2. Analiz edilen çinko borat numuneleri Şekil 3. Analiz için ısıtılan numuneler



    Bulgular
    90°C ve 100°C için elde edilen B2O3 , ZnO, Zn analiz sonuçları Tablo 2 ve Tablo 3'te verilmiştir.
    Tablo 2. 90°C için B2O3 Analiz Sonuçları
    Numune (zaman için) % Zn % ZnO % B2O3
    2 saat 27,73 34,38 51,36
    2,5 saat 26,44 32,78 52,71
    3 saat 26,82 33,31 51,58
    3 saat temel (yıkanmış) 32,0 39,712 47,66

    Tablo 3. 100°C için ZnO Analiz Sonuçları
    Numune (zaman için) % Zn % ZnO % B2O3
    3 saat temel (yıkanmış) 31,35 38,88 48,02

    Sonuç ve Öneriler
    Üretilen çinko boratın FTIR spektrum sonuçları alınmış, B2O3, ZnO, Zn analizleri yapılmıştır. Çinko
    borat üretimi için zaman ve sıcaklık faktörleri önemlidir. Belirlediğimiz sıcaklık ve zaman aralıklarında
    örnek numuneler alınmıştır. B2O3 analizleri çinko boratın içindeki B2O3 yüzdesini bularak ticari çinko
    borat numunesine yakınlığını tespit etmek için yapılır. B2O3 analizleri yapılarak çinko borat oluşumu
    kontrol edilmiştir. Ticari çinko borat numunesinde bulunması gereken % B2O3 %48 civarında olmalıdır.
    90°C' de bulduğumuz % B2O3 ise %47,66' dır. İstenilen % B2O3' e yaklaşılmış olsa bile bu bizim için
    yeterli değildir. 100°C ve 3 saatte istediğimiz B2O3 yüzdesine ulaştık. Daha verimli sonuçlar elde etmek
    amacıyla daha küçük sıcaklık aralıklarıyla çalışmak gerekir. Optimum koşullarda üretilen FTIR spektrum
    sonuçları aşağıdaki gibidir. Ticari numune ile elde ettiğimiz ürünün karşılaştırılmalarında ZnO.B2O3 ' ün
    temel noktasının 3227 cm-1 olduğu açıkça görülmektedir. ZnO' nun 500 ve 600 cm-1 'de temel noktalara
    sahip olduğu görülmektedir. Ticari numunede görülen piklerle, elde ettiğimiz üründeki pikler hemen
    hemen aynıdır. Bazı ölçümlerde dalgalanma sayılarına denk gelen absorbans sayıları farklıdır. Bunun da
    deneyde ve hassas ölçümlerdeki safsızlıklardan kaynaklandığını düşünülmektedir.





    Şekil 4. Elde edilen ürün Şekil 5. Ticari Numune örneği





    Şekil 6. Elde edilen ürün tepe noktaları Şekil 7. Ticari numune tepe noktaları

    Kaynaklar
    1) ELTEPE, E., “Çinko Borat Üretim Prosesi” Yüksek Lisan Tezi, İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü,
    İzmir, 2004
    2) Eti Holding A.Ş. Genel Müdürlüğü, Araştırma Geliştirme Dairesi Başkanlığı, “Çinko Borat Üretim
    Raporu”, 27-35, Mayıs 2005.
    3) AYAR, B., “Çinko Borat Sentezi Ve Yüksek Sıcaklıklarda Pigment Olarak Kullanılabilmesi”,
    Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Şubat 2007.
    4) BOREN - Ulusal Bor Araştırma Enstitüsü
    5) boraxtr.com - En iyi boraxtr bilgi ve alim kaynaklar.
    6) Madencilik Özel İhtisas Komisyonu, “Endüstriyel Hammaddeler Alt Komisyonu Kimya Sanayii
    Hammaddeleri Cilt 2 (Bor Tuzları-Trona-Kaya Tuzu- Sodyum Sülfat-Stronsiyum) Çalışma Grubu
    Raporu” 2000.
    7) KOCAKUŞAK S., YALAZ N., KALFATOĞLU E., “Bor Mineralleri ve İnorganik Bor Bileşikleri”,
    TÜBİTAK
Hazırlanıyor...
X