Kükürtdioksit gazı kullanılarak kolemanitten borik asitüretiminin optimizasyonu ve kinetiği
Optimization and kinetic of boric acid from colemanite using sulphur dioxide gas
Yazar: MUSTAFA DAĞ
Danışman: PROF. DR. MEHMET MUHTAR KOCAKERİM ; DR. ÖĞR. ÜYESİ MUHAMMED BORA AKIN
Çankırı Karatekin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada kolemanit cevherinden SO2 gazı geçirilmesiyle sulu ortamda borik asit üretiminin optimizasyonu ve kinetiği incelenmiştir. Optimizasyon çalışmalarında amaç; günümüz teknolojisine kıyasla daha az enerji ve maliyet ile daha saf borik asidin en uygun üretim koşullarının optimizasyonudur. Ayrıca kolemanit cevherinden borik asidin çözünme ve meydana gelen reaksiyonların kinetik modeli çıkarılarak bu sistemin hangi modele uygun olduğu ortaya konmuştur. 


Optimizasyon çalışmalarında süre, reaksiyon sıcaklığı ve pH parametre olarak alınmıştır. Her bir parametre için üç seviye uygulanmıştır. Optimizasyon çalışmaları sonucunda parametrelerden pH'nın en etkili parametre olduğu, reaksiyon sıcaklığı ile sürenin ise pek etkili olmadığı görülmüştür. Döngü denemeleri uygulandıktan sonra elde edilen veriler ışığında pH'nın 4, reaksiyon sıcaklığının 70°C ve sürenin 60 dk seçildiği şartlarda en iyi çözünmenin meydana geldiği tespit edilmiştir. Bu şartlar altında yaklaşık olarak %99 seviyesinde bir çözünme olsa da elde edilen borik asidin safsızlıklar içerdiği gözlemlenmiştir. Bu safsızlıkları giderme amacıyla sürenin arttırılmasıyla birlikte borik asidin yıkama işlemine tabi tutulması ve katalizör kullanımı gerektiği görülmüştür. Yıkama işlemi uygulanması, katalizör kullanımı ve sürenin 120 dk'ya çıkarılması sonucunda elde edilen borik asitte Fe3+, SO42-, Ca2+ ve Mg2+ safsızlıklarının piyasada satılmakta olan borik asit değerlerine kıyasla daha düşük düzeyde olduğu tespit edilmiştir.


Kinetik çalışmalarda katı-sıvı oranı, tanecik boyutu, reaksiyon sıcaklığı ve karıştırma hızı parametre olarak seçilmiştir. Kinetik model türetilmesinde veri olarak çözeltiye geçen B2O3 miktarından hesaplanan dönüşüm oranları kullanılmıştır. Elde edilen dönüşüm oranlarından yararlanılarak çizilen dönüşüm-zaman grafikleri yardımıyla heterojen reaksiyon modellerine göre bir kinetik model türetilmiştir. Karıştırma hızı etkili olmadığından model türetilmesinde kullanılmamıştır. Modelin hesaplamalarını gerçekleştirmek için Statistica programının 10.0 sürümü kullanılmıştır. Bu veriler kullanılarak bilgisayar programı yardımıyla yapılan hesaplamalar sonucunda non-linear tahmin modellerinden quasi ve Newton modellerinin kullanılmasıyla aşağıda verilen eşitlik elde edilmiştir:

 1-3(1-X)2/3+2(1-X) = 2.10-8.(K/S)-0,7.(TB)-2,2.e(18183,4/RT).t

Bu eşitliğe göre, sistemin kül veya ürün filmi difüzyon modeline uygun olduğu anlaşılmaktadır. Bu eşitlikte K/S: katı-sıvı oranı (g cevher/mL su), TB: tanecik boyutu(mm), T: reaksiyon sıcaklığı(K), t: süre(dk) dır. Elde edilen eşitlikte aktivasyon enerjisinin 18183,4 Joule/mol.K ve tane boyutu üssünün 2,2 (≈ 2) olması kül veya ürün filmi difüzyon modeli düşüncesini doğrulamaktadır. Ayrıca karıştırma hızının B2O3 dönüşümü üzerinde etkili olmaması da bu görüşü desteklemektedir.

Abstract:
In this study, optimization and kinetics of boric acid production in aqueous medium were investigated by using SO2 gas from colemanite ore. The aim of optimization studies is to optimize the optimum production conditions of pure boric acid with less energy and cost compared to today's technology. In addition, the kinetic model of boric acid dissolution and reactions from the collemanit ore was obtained and it was determined which model is suitable for this system. 


In optimization studies, time, reaction temperature and pH were taken as parameters. Three levels have been applied for each parameter. As a result of optimization studies, it was observed that PH was the most effective parameter of parameters and reaction temperature and duration were not very effective. After the application of the cycle trials, it is determined that the best dissolution occurs in the conditions where the pH is 4, the reaction temperature is 70 ° C and the duration is 60 min. It has been observed that boric acid, although it is dissolved at approximately 99% level under these conditions, contains impurities. It has been observed that boric acid should be treated with washing and catalyst should be used with increasing time to eliminate these impurities. As a result of the application of washing process, the use of catalysts and the increase of time to 120 min, it was determined that Fe3+, SO42-, Ca2+ and Mg2+  impurities in boric acid were lower than the commercially available boric acid values. 


In kinetic studies, solid-liquid ratio, particle size, reaction temperature and mixing speed were chosen as parameters. In the kinetic model derivation, the conversion rates calculated from the amount of B2O3 passed to the solution were used. A kinetic model was derived based on heterogeneous reaction models with the help of transformation-time graphs drawn using the resulting conversion ratios. Since the mixing speed is not effective, it is not used in model derivation. The 10.0 version of the Statistica program was used to perform the calculations of the model. Using these data, the results of the calculations made with the help of the computer program yielded the following equation with the use of quasi and Newton models from non-linear prediction models.:


1-3(1-X)2/3+2(1-X) = 2.10-8.(K/S)-0,7.(TB)-2,2.e(18183,4/RT).t


According to this equation, it is understood that the system is suitable for the ash or product film diffusion model. In this equation, S/L: solid to liquid ratio (g ore/mL water), P.S: particle size (mm), T: reaction temperature (K), t: reaction time (min). In the obtained equation, the activation energy of 18183,4 Joule/mol.K and the particle size of the base is 2.2 (≈ 2) confirms the idea of ash or product film diffusion model. It also supports this view that the mixing speed does not affect the B2O3 conversion.