Boraks dekahidrat kristalizasyonu üzerine safsızlıkların etkisi
Effect of impurities on the boraks decahydrate crystallization
Yazar: NECATİ ERKAN
Danışman: DOÇ. DR. HALE GÜRBÜZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2002
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Boraks dekahidrat = Borax decahydrate ; Büyüme hızı = Growth rate ; Kristalleşme = Crystallization ; Safsızlık verimi = Impurity yield ; Çözünme hızı = Dissolution rate

Özet:
Son yıllarda önemleri gittikçe artan boratlar genel tanımıyla bor oksit içeren minerallerdir. Bor oksit içeren minerallerin sayısının çok fazla olmasına rağmen, boraks bor endüstrisindeki en önemli mineraldir. Boraks ve diğer borat mineralleri Türkiye ve ABD başta olmak üzere çok az sayıdaki ülke tarafından üretilmektedir. Türkiye, Kırka/Eskişehir'de yer alan çok büyük, boraks rezervlerine sahip bulunmaktadır. Saf boraks dekahidrat üretimi, tinkal konsantresinin -2.5 cm boyuta indirgenmesinden sonra, proseste devrettirilen sıcak ana çözelti/su karışımında çözülmesi ve elde edilen çözeltinin kıvamlaştırıcı ve filtrelerde berraklaştırılmasından sonra vakum kristalizörlerinde kristalizasyonu ile, gerçekleştirilmektedir. Kristalizasyon, rafine ürünün özelliklerini etkileyen en önemli kademedir. Boraks dekahidrat yüksek aşırı doygunluktaki çözeltilerde polikristal yapısında kristallenme eğilimi gösterir. Polikristal yapı ve aglomer oluşumu üründe zayıf mekanik dayanıklılık ve düşük saflık oluşturması nedeniyle istenmez ve bu sorun iki farklı yöntem ile önlenebilir. Bunlar: 1. Kristalizasyonun düşük aşırı doygunlukta gerçekleştirilmesi: Bu yöntemin dezavantajı büyük kristalizör hacimleri gerektirmesidir. 2. Kristal şeklinin modifıye edilmesi için bazı katkıların kullanılması: Çözeltide doğal olarak bulunan bazı safsızlıkların veya çözeltiye ilave edilen bazı katkı maddelerinin kristal büyüme hızını ve/veya kristal şeklini etkilediği bilinmekle birlikte, bu yöntemin dezavantajı ilave edilen maddelerin de ürün yapısında ek bir safsızlık oluşturmasıdır. Bu çalışmada, boraks dekahidratın kristal büyüme ve çözünme hızları üzerinde sodyum hidroksit ve borik asit bileşiklerinin katkı maddesi olarak etkileri araştırılmıştır. Kullanılan bu katkı maddeleri çözeltide sodyum metaborat (NaOH ilavesinde) veya sodyum pentaborat (H3BO3 ilavesinde) oluşumuna ve çözeltinin Na20/Ba03 mol oranının stokiometrik orana göre değişmesine neden olmaktadır. Deneysel çalışma laboratuar tipi akışkan yataklı kristalizörde ve aşı kristalli ortamda yapılmış, büyüme ve çözünme hızları farklı katkı maddesi konsantrasyonlarında aşırı doygunluğun fonksiyonu olarak belirlenmiştir. Sonuçlar her iki katkı maddesinin incelenen koşullarda boraks dekahidrat kristalizasyonunda, hem doygunluk sıcaklığını değiştirerek termodinamik bir etki gösterdiğini, hemde büyüme ve çözünme hızlarını azaltarak kinetik bir etki gösterdiğini ortaya koymaktadır.

Abstract:
Borates have gained great importance in recent years. A large number of minerals contain boric oxide, but borax is the most important mineral for the borates industry. Borax and many other borate minerals are produced in a limited number of country dominated by US. and Turkey. Turkey has the huge borax deposits in Kırka/Eskişehir. In the production of refined borax decahydrate, the upgraded tincal ore are crushed to -2.5 cm and dissolved in hot water/recyled mother liquor. The resultant strong solution is clarified in large thickeners, filtered and then fed to vacuum crystallizers. Crystallization is the most important step affecting the properties of refined product. Borax decahydrate is readily crystallizes in polycrystalline habit at high 1 supersaturations. To prevent that, the following two methods can be applied. 1. Performing crystallization at low supersaturation which requires very big crystallizer volume 2. Using some additives to modify the crystal habit. Although it is known that trace amount of impurities present in the solution or additives added to the solution can influence the crystal growth rate and/or habit, this method introduce additional impurities to the product crystals. In this study the effects of sodium hydroxide and boric acid as additives on the crystal growth and dissolution rates of borax decahydrate were examined. In fact, the given additives changes the Na20/B20 mole ratio of the solution. Addition of sodium hydroxide and boric acid causes the formation of sodium metaborate and sodium pentaborate, respectively. Experiments were performed in a fluidized bed crystallizer with added seed. The growth and dissolution rates were determined as a function of supersaturation at different level of additive concentration. It is concluded that both additives have thermodynamic effect on the growth of borax decahydrate by shifting saturation temperatures and show a kinetic effect by retarding the growth and dissolution rates.