Kolemanitin potasyum dihidrojen fosfat çözeltilerinde çözünme kinetiği, optimizasyonu ve potasyum pentaborat eldesi
Dissolution kinetics, optimization and potassium pentaborate output of colemanite in potassium dihydrogen phosphate solutions
Yazar: ÖZLEM KARAGÖZ
Danışman: PROF. DR. SONER KUŞLU
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Dünyanın toplam bor rezervinin %72,5' ini bünyesinde barındıran Türkiye, tam anlamıyla büyük bir servete sahiptir. Kolemanit cevheri, zengin B_2 O_3 içeriği sebebiyle en çok tercih edilen ve farklı bor bileşikleri üretmek için en fazla kullanılan bir hammaddedir. Bu işlemin ilk adımı ise, farklı reaktifler kullanarak kolemanitin çözünmesini sağlamaktır. Bu amaçla bu çalışmada öncelikle kolemanit cevherinin potasyum dihidrojen fosfat (〖KH〗_2 〖PO〗_4) çözeltilerinde çözündürülmesinin kinetiği incelendi. Kinetik çalışmada seçilen parametreler ve aralıkları sırasıyla: tepkime sıcaklığı, 293-333 K; tane boyutu, 1550-165 m; katı/sıvı oranı, 0,02-0,33 g/mL; karıştırma hızı, 150-700 rpm; 〖KH〗_2 〖PO〗_4  derişimderişimi, 0,50-2,50 M olarak belirlendi. Heterojen reaksiyon kinetik modellerinin denendiği kinetik hesaplamalar, Statistica paket programı kullanılarak yapıldı. Tepkimenin kimyasal reaksiyon ile kontrol edildiği ve aktivasyon enerjisinin 41,88 kJ/mol olduğu bulundu. İkinci aşamada, Taguchi deney tasarımı kullanılarak çözünmenin optimum olduğu koşullar incelendi. Optimum koşullar: tepkime sıcaklığı; 333 K, tane boyutu; 165 µm, katı/sıvı oranı; 0,02 g/mL, 〖KH〗_2 〖PO〗_4  derişimderişimi; 2,00 M, ve zaman; 60 dk olarak bulundu. Bu koşullarda yapılan doğrulama deneyi sonucunda %98 B_2 O_3' ün çözeltiye geçtiği belirlendi. Üçüncü ve son aşamada potasyum pentaborat tetrahidrat (〖KB〗_5 O_8.〖4H〗_2 O) ürününü sentezlemek amacıyla doğrulama deneyinin çözeltisi kullanıldı. Optimum koşullar altında elde edilen bu çözelti farklı sürelerde kristallendirildi. Zamanın kristalizasyon üzerine etkisi incelendi. Yapılan analizler ve çektirilen XRD, FT-IR, RAMAN ve SEM görüntüleri,  sentezlenen ürünün ICSD: 96-026-1927 pdf koduna sahip potasyum pentaborat (〖KB〗_5 O_8.〖4H〗_2 O) bileşiği olduğunu kanıtladı.

Abstract:
Turkey, containing 72,5 % of total boron reserves of the world, exactly has great fortune. Colemanite ore is a raw material which is most preferred due to its rich B_2 O_3 content and is commonly used in order to produce different boron minerals. The first step of that process is to make colemanite dissolve using different reactives. For this purpose, firstly the kinetics of solutionizing colemanite ore in potassium dihydrogen phosphate (〖KH〗_2 〖PO〗_4) solutions was examined in the present study. The parameters and ranges chosen in the kinetic study were determined respectively: reaction temperature, 293-333 K; grain size, 1550-165 m; solid/liquid rate, 0,02-0,33 g/mL; stirring speed, 150-700 rpm; 〖KH〗_2 〖PO〗_4 concentration, 0,50-2,50 M. Kinetic calculations at which heterogeneous reaction kinetic models were tried were made using the Statistica packaged software. It was found out that reaction was controlled by chemical reaction and activation energy was 41,88 kJ/mol. At the second stage, the conditions under which dissolution was optimum were examined using Taguchi experimental design. Optimum conditions were found as: reaction temperature; 333 K, grain size; 165 µm, solid/liquid rate; 0, 02 g/mL, 〖KH〗_2 〖PO〗_4 concentration; 2, 00 M, and time; 60 minute. 98 % of B_2 O_3was determined to dissolve as a result of verification experiment carried out under the mentioned conditions. At third and the last stage, the solution of verification experiment was used in order to synthesize potassium pentaborate tetrahydrate (〖KB〗_5 O_8.〖4H〗_2 O) product. This solution obtained under optimum conditions was crystallized in different times. The effect of time on crystallization was examined. The analyses made and the taken XRD, FT-IR, RAMAN and SEM images proved that the synthesized product was the potassium pentaborate (〖KB〗_5 O_8.〖4H〗_2 O) mineral having the ICSD: 96-026-1927 pdf code.