Yüksek sıcaklıklarda nikel oksit tozunun etanol ile reaksiyonu
Reaction of nickel oxide powder with ethanol at high temperatures
Yazar: FARUK COŞKUN
Danışman: PROF. DR. ŞERAFETTİN EROĞLU ; YRD. DOÇ. DR. ŞENOL ÇETİNKAYA
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Nikel sahip olduğu üstün fiziksel ve kimyasal özellikleri nedeniyle paslanmaz çelik, elektronik ve otomotiv endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Nikel oksit (NiO) metalik nikel üretiminin esas kaynağıdır. 
NiO, karbotermal redüksiyon ile katı karbon kullanılarak yüksek sıcaklıklarda (1633-1883 K) metalik Ni'e indirgenmektedir. Ancak bu reaksiyon ile nikel oksitin indirgenmesi için uzun sürelere ihtiyaç vardır. Ayrıca metalik nikel, bu işlemde kullanılan katı karbon nedeniyle P, S gibi empüriteler ile kirlenebilir. Metalik nikel üretiminde alternatif bir yöntem olarak gazla indirgeme yöntemi kullanılmaktadır. Bu proseste reaksiyon, gaz ve katı reaktanlar arasında daha düşük bir sıcaklıkta meydana gelmektedir. Yüksek indirgeyici özellikleri nedeniyle, H2 ve CH4 gazları oksitleri redüklemek için kullanılmaktadır.
Etanol (C2H5OH) buharı da, içerdiği yüksek miktarda H2 sayesinde iyi oksit indirgeme potansiyeline sahiptir. Ayrıca etanol yenilenebilir, düşük toksikliğe sahip, doğada kolay çözünen ve biyokütlesel kaynaklardan (bitkilerden ve atık malzemelerden) yüksek miktarlarda üretilebilen kimyasaldır.
Mevcut tez çalışmasında NiO tozunun reaksiyon davranışı Ar-C2H5OH gaz atmosferinde 14,9 Ar / C2H5OH mol oranında incelenmiştir. Deneysel çalışmalar yapılmadan önce, Ni metali elde etmek için gerekli deneysel şartları tahmin etmek ve indirgeme prosesini daha iyi anlayabilmek için NiO-C2H5OH-Ar sisteminde termodinamik analiz yapılmıştır.
Bu çalışmanın amacı, 600-1100 K sıcaklık aralığında, 60 dakikalık reaksiyon süresine kadar nikel oksit tozunun etanol buharı ile olan reaksiyon davranışını araştırmaktır. Elde edilen reaksiyon ürünleri, kütle ölçüm, X-ışınları difraksiyonu ve taramalı elektron mikroskobu teknikleri ile karakterize edilmiştir. NiO'in etanol ile reaksiyonunda esasen önce oksit redüksiyonu, sonra karbon birikmesi gözlenmiştir. Önemli ölçüde indirgenme 600 K'de 45 dakika içinde elde edilmiştir. Tam oksit indirgenmesinin 650-1100 K'de 10-15 dakika içerisinde meydana geldiği görülmüştür. Bu sıcaklık aralığında indirgenme reaksiyonu, gaz reaktanların dış kütle transferi ile kontrol edilmektedir. Daha düşük sıcaklıklarda (600-650 K), indirgenme hızı, sıcaklık değişimine duyarlı olmakla birlikte, toplam gaz akış hızıyla nispeten az da olsa artmaktadır. Karbon birikiminin sıcaklığa bağımlılığı Boudouard reaksiyonu ile açıklanmıştır. Bu çalışma, termodinamik analiz tarafından öngördüğü üzere NiO in etanol kullanılarak tamamen Ni'e indirgenebildiğini göstermektedir.

Abstract:
Nickel (Ni) is widely used in stainless steel, electronic and automotive industries because of its superior chemical and physical properties. Nickel oxide (NiO) is the main source to produce metallic Ni.
NiO is generally reduced to metallic Ni with carbothermal reduction at high temperatures (1633-1883 K) using solid C. However, this proses requires a long reaction time for the reduction of nickel oxide. Nickel can also be contaminated by impurities (e.g. P,S) because of coal used in the process.  Gaseous reduction is used as an alternative production method for metallic nickel. In this process, the reaction between gas and solid reactants takes place at a lower temperature in a shorter time. Because of their high reducing capacity, H2 and CH4 are important reducing agents used in gaseous reduction process. 
Ethanol vapor (C2H5OH) with its high H2 content is also a good reducing gas for oxides. On the other hand, ethanol is renewable, safe to handle, biodegradable, increasingly available low in toxicity, relatively cheap, and obtained in large quantities from various sources such as biomass, plants, wasted materials.  
In this thesis, reaction behavior of NiO was investigated in a flowing Ar-C2H5OH atmosphere at Ar/C2H5OH molar ratio of 14.9. Prior to the experiments, thermodynamic analysis was executed to predict the experimental conditions for Ni formation in the NiO-C2H5OH-Ar system and to better understand the reduction process.
This work aims to investigate reaction behavior of NiO powder in ethanol vapor at 600-1100 K for the reaction times up to 60 min.  The products were characterized by mass measurement, X-ray diffraction and scanning electron microscopy techniques.  The reaction of NiO with ethanol essentially consisted of oxide reduction followed by C deposition.  At 600 K, significant oxide reduction was attained within 45 min.  Full oxide reduction was observed at 650-1100 K within 10-15 min.  At this temperature range, the reduction reaction was controlled by external mass transfer of gaseous species.  At the lower temperature range 600-650 K, the reduction rate was rather sensitive to the temperature change and influenced by the total gas flow rate to a lesser degree.  The temperature dependence of C uptake was explained by Boudouard reaction.  This study demonstrates that NiO can be completely reduced to Ni by ethanol as predicted by the thermodynamic analysis.