Endüstriyel atık boraks çözeltisinin ötektik donma kristalizasyonu yöntemi ile geri kazanılmasının incelenmesi
Investigation of recovery of industrial waste borax solution by eutectic freeze crystallization method
Yazar: AYŞE GÜL OKUMUŞ
Danışman: DOÇ. DR. FATMA ELİF GENCELİ GÜNER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Dünyadaki önemli minerallerden biri olan borun, endüstriyel alanda birçok kullanım alanı bulunmaktadır. Türkiye, dünyanın en fazla bor rezervine sahip ülkesidir. Maden çıkarma, işleme ve stratejik öneme sahip ürünlerin üretimi esnasında günde tonlarca bor atığı oluşmaktadır. Endüstriyel süreçlerde açığa çıkan bu katı ve sıvı atıklar yüksek miktarda bor bileşikleri içermektedir. Bor atıklarını geri dönüştürmek hem ülke ekonomisi için hem de çevre temizliği ve insan sağlığı için önemli bir rol oynamaktadır.

Endüstride bor minerallerinden çok çeşitli bileşikler elde edilmekte ve bu minerallerin üretimi ve işlenmesi sürecinde de çeşitli atık maddeler oluşmaktadır. Sadece bor üretimi değil, aynı zamanda bor atıklarının deşarjı da çevre açısından önemli sorunlara neden olmaktadır. Proses atıklarından su ve bor minerallerinin geri kazanılması ve atıkların en aza indirilmesi gelecekteki proses teknolojilerinin hedefidir. Ötektik donma kristalizasyonu (ÖDK), bu soruna alternatif bir çözüm getirmek için iyi bir adaydır.

Yenilikçi bir yöntem olan ötektik donma kristalizasyonu, bu çalışmada, endüstriyel atık boraks çözeltisinin geri kazanılması amacıyla kullanılmıştır. ÖDK, daha önce birçok atık çözeltiye uygulanan, üretilen saf buzun proses suyu olarak kullanılabildiği ve saf tuzun bir ürün olarak değerlendirilebildiği, atığın ekonomik ve ekolojik değere dönüştürülmesi açısından dikkat çekici bir ayırma ve saflaştırma işlemidir. 

Faz diyagramında ötektik nokta, termodinamik olarak buz-tuz-çözelti sistemin dengede bulunabileceği en düşük sıcaklık değeridir. Atık boraks çözeltisinin ötektik noktasına kadar soğutulması, aynı anda buz ve tuz kristallerinin oluşmasına neden olur. Bu buz ve tuz kristalleri oldukça saftır ve yoğunluk farkı sayesinde birbirlerinden kolaylıkla ayrılır. Son üründe son derecede yüksek saflık sunan ÖDK, cazip bir teknolojidir. ÖDK, fiziksel hesaplamalara göre atıkları düşük enerjili bir şekilde hammaddeye dönüştüren yeni bir ayırma sürecini başlatarak odağı maliyetten değere değiştirir. 

Bu araştırma kapsamında Türkiye'deki Bandırma Eti Maden firmasından temin edilen endüstriyel boraks atık çözeltisi kullanılmıştır. 

ÖDK deneyleri, 0 °C sıcaklıkta tutulan soğuk bir odada bulunan, özel olarak tasarlanmış 4,5 litrelik ceketli bir kristalizatörde gerçekleştirilmiştir. Toplamda  9 deney seti, 3 farklı soğutucu akışkan set (ayar) sıcaklığında (-8, -10 ve -12 °C) ve 3 farklı 𝜏 değerinde (2, 4 ve 8 saat) çalıştırılmıştır. Bu deneyler, kristalizatöre farklı debilerde atık boraks çözeltisi beslenerek gerçekleştirilmiştir. 

4,5 litre atık boraks çözeltisi ile doldurulan, belli bir karıştırma hızında, alt ve üst kısımlarında sırasıyla musluk ve hortum yardımıyla tuz ve buz ürün toplama çıkışları olan, dört farklı noktasından sıcaklık verileri hassas bir şekilde toplanıp kontrol edilen kristalizatör, ötektik noktaya gelip buz ve tuz kristalleri görülünceye kadar kesikli sistem olarak çalıştırılmaktadır. Ötektik noktaya ulaşılması, sıcaklık profilinde ani bir sıçramanın meydana gelmesiyle ve buz ve tuz kristal oluşumunun gözlemlenmesiyle anlaşılmaktadır. Ötektik noktaya ulaşılınca önceden kalibrasyonu yapılmış olan pompa yardımıyla kristalizatöre önceden soğutulmuş atık boraks çözeltisi sürekli olarak belirlenmiş debilerde beslenir. Bu aşamadan sonra sistem sürekli olarak çalışacak şekilde ayarlanır. 

Ötektik noktaya ulaşıldığında yerçekimi kuvveti nedeniyle tuz ve buzun birbirlerinden iyi bir şekilde ayrıldığı yani buz ve tuzun birbirleri içinde kalmadığı gözlemlenmiştir. Daha sonra yaklaşık 4 saat civarında yürütülen deneylerde, boyut ve safsızlık içeriklerinin tayini için kristalizatörün alt ve üst çıkışlarından belirli zaman aralıklarında tuz, buz ve çözelti numuneleri alınmıştır. 

Yapılan deneylerde boraks-su (Na2B4O7-H2O) sisteminin ötektik noktası tayin edilmiştir. Buz ve boraks tuz kristallerinin boyutları, görünümü, büyüme kinetikleri ve safsızlık içerikleri  incelenmiştir. 

ÖDK deneyleri için aşırı doygunluk (ΔT), soğutucu akışkan set (ayar) sıcaklığı ile ötektik nokta arasındaki fark olarak tanımlanır. Na2B4O7.10H2O tuz kristallerinin büyüme hızı, aşırı doygunluğun (ΔT) bir fonksiyonu olarak GRtuz = 0.0112×(ΔT) şeklinde lineer olarak tanımlanmıştır. Bu denklemde, GR ve ΔT sırasıyla µm/dk ve ºC birimlerine sahiptir. 

Image-J programı ile gerçekleştirilen boyut analizlerinin sonucunda 𝜏 = 2, 𝜏 = 4, 𝜏 = 8 saat için Tset sıcaklığına göre 7.3 °C ve 11.5 °C aralıklarında değişen aşırı doygunlukta boraks tuz kristallerinin karakteristik yarıçapları 10-30 µm arasında bulunmuştur.

Boraks tuz kristallerinin büyüme hızı 0.074 - 0.144 µm/dk arasında ölçülmüştür. Artan aşırı doygunluk ile boraks tuzu büyüme hızı artmakta ve aralarında lineer bir ilişki bulunmaktadır. Aşırı doygunluğun artması ile boraks tuz kristallerinin karakteristik uzunlukları da artmıştır.

Buz kristallerinin büyüme hızı, aşırı doygunluğun (ΔT) bir fonksiyonu olarak GRbuz = 0.0315×(ΔT) şeklinde lineer olarak tanımlanmıştır. Bu denklemde, GR ve ΔT sırasıyla µm/dk ve ºC birimlerine sahiptir. Na2B4O7.10H2O boraks tuz kristallerinin büyüme hızı ile karşılaştırıldığında buz kristallerinin büyüme hızının üç kat daha hızlı olduğu bulunmuştur. 

Image-J programı ile gerçekleştirilen boyut analizlerinin sonucunda 𝜏 = 2, 𝜏 = 4, 𝜏 = 8 saat için Tset sıcaklığına göre 7.3 °C ve 11.5 °C aralıklarında değişen aşırı doygunlukta buz kristallerinin karakteristik yarıçapları 65-90 µm arasında bulunmuştur. 

Buz kristallerinin büyüme hızı 0.176 - 0.465 µm/dk arasında ölçülmüştür. Artan aşırı doygunluk ile buz büyüme hızı artmakta ve aralarında lineer bir ilişki bulunmaktadır. Aşırı doygunluğun artması ile buz kristallerinin karakteristik uzunlukları artmıştır.

Üretilen buz ve boraks tuz kristallerinin optik mikroskop altında çekilen resimleri sonucunda ise Na2B4O7.10H2O tuzunun dikdörtgen benzeri, buz kristallerinin dairesel bir şekle sahip olduğu görülmüştür. 

Yıkama deneyleri de yapılarak endüstriyel atık boraks çözeltisinden, ÖDK ile kristallendirilen tuz ve buz kristallerinin içerdiği safsızlıklar tayin edilmiştir. 3 kez yıkanmış buz kristallerinin safsızlık içeriği 2500 ppm'den azdır ve bu da bir proses suyu olarak kullanılması için oldukça idealdir. 3 kez yıkanmış tuz kristallerinin ise ÖDK teknolojisinden beklenildiği üzere oldukça saf yani 5 ppm'den daha az safsızlık içeriğine sahip olduğu görülmüştür. 

Bu deneysel veriler kullanılarak 2000 ton/yıl kapasitede çalışan bir boraks arıtma tesisi tasarımı da yapılmıştır. Yapılan ekonomik değerlendirmeler sonucunda ÖDK tesisinin 9,2 yılda yatırım maliyetini karşılayacağı hesaplanmıştır. Dolayısıyla  uzun vadede karlı ve sürdürülebilir bir projedir. 

Sonuçlar, endüstriyel atık boraks çözeltisinin temiz ve çevre dostu bir teknoloji olan ÖDK yöntemi ile geri kazanılabileceğini ve her iki ürünün de (yani, buz ve tuz) filtrelenebilir ve teknik saflıkta olduğunu göstermektedir.

Abstract:
Boron, which is one of the important minerals in the world, has many uses in the industrial field. Turkey has the world's most boron reserves. During mining, mineral processing and production of strategically important products; tons of boron waste is generated daily. These solid and liquid wastes generated in industrial processes still contain high levels of boron compounds. Recycling boron waste plays an important role both for the national economy and for environmental cleaning and human health.

A wide variety of compounds is obtained from boron minerals in the industry and various waste materials are formed during the production and processing processes of these minerals. Not only boron production but also discharge of boron waste streams play a significant problem for the environment. Recovery of water and boron minerals from the process effluent, and minimizing the waste is the target of future process technologies. Eutectic freeze crystallization (EFC) is a good candidate to bring an alternative solution to this issue. 

In this study, eutectic freeze crystallization (EFC), an innovative method, was used for the recovery of industrial waste borax solution. EFC is a remarkable separation and purification process in terms of converting the waste into economic and ecological value, which previously applied to many waste solutions, where the produced pure ice can be used as process water and pure salt can be considered as a product. 

The eutectic point in the phase diagram is the lowest temperature at which the ice-salt-solution system can be thermodynamically equilibrium. Cooling down the waste borax solution till its eutectic point leads ice and salt crystals to form simultaneously. These ice and salt crystals are highly pure and easily separated from each other thanks to their density difference. EFC is an attractive technology and it offers extremely high levels of purity of the end products. EFC changes the focus from cost to value by introducing a new separation process which converts waste into raw materials by a low-energy manner in accordance with physical calculations.

Industrial borax waste solution received from Bandırma Eti Maden Company in Turkey was used in the content of this investigation. 

EFC experiments were carried out in a specially designed 4.5 liters jacketed crystallizer, located in a cold room kept at 0 °C. Totally, nine experimental sets were operated at 3 different coolant set temperatures (-8, -10 and -12 °C) and 3 different 𝜏 values (2, 4 and 8 hours). These experiments were carried out by feeding waste borax solution at different flow rates to the crystallizer.

The crystallizer was filled with 4.5 liters of waste borax solution. The crystallizer, which was operated at a certain mixing speed, has salt and ice product collection outlets at the bottom and top parts, respectively. Temperature data were collected and controlled sensitively from four different points of the crystallizer. Crystallizer was operated batch until it reached the eutectic point and ice and salt crystals were seen. Onset of eutectic point was detected by the occurrence of a sudden jump in the temperature profile and observation of ice and salt crystal formation. When eutectic point was reached, the pre-cooled waste borax solution was continuously fed to the crystallizer at certain flow rates thanks to the previously calibrated pump. After this stage, the system was adjusted to be operated continuously. 

At eutectic point, ice and salt were separated from each other due to gravitational forces. Neither ice nor salt was incorporated in one and other. Salt, ice and solution samples were collected at certain time intervals from the bottom and top outlets of the crystallizer to determine the size and impurity contents. Samplings were carried out for about 4 hours.

In the experiments, the eutectic point of the borax-water (Na2B4O7-H2O) system was investigated. The particle size, appearance, growth kinetics and impurity contents of ice and borax salt crystals were investigated.

For EFC experiments, supersaturation (ΔT) is defined to be the difference between the coolant set temperature and the eutectic point. Growth rate of Na2B4O7.10H2O salt crystals as a function of supersaturation (ΔT) is defined to be GR = 0.0112×(ΔT), having a lineer relation. In this equation, GR and ΔT have µm/min and ºC units, respectively. 

As a result of size analysis carried out with Image-J program, characteristic radii of the borax salt crystals were found out to be around 10-30 µm at supersaturation and residence time (𝜏) varying between 7.3-11.5 °C and 2-8 hours, respectively. 

The growth rate of borax salt crystals was measured between 0.074 - 0.144 µm/min. Growth rate of borax salt increases with the increasing supersaturation and there is a linear relationship between them. The characteristic lengths of borax salt crystals also increase with the increase of supersaturation.

Growth rate of ice crystals as a function of supersaturation is defined to be GR = 0.0315×(ΔT), having a lineer relation. In this equation, GR and ΔT have µm/min and ºC units, respectively. Growth rate of ice crystals was found to be three times faster when compared to the growth rate of Na2B4O7.10H2O salt crystals.

As a result of size analysis carried out with Image-J program, characteristic radii of the ice crystals were found out to be around 65-90 µm at supersaturation and residence time (𝜏) varying between 7.3-11.5 °C and 2-8 hours, respectively. 

The growth rate of ice crystals was measured between 0.176 - 0.465 µm/min. Growth rate of ice increases with the increasing supersaturation and there is a linear relationship between them. The characteristic lengths of ice crystals increase with the increase of supersaturation.

Pictures of ice and borax salt crystals were taken under an optical microscope. It was seen that Na2B4O7.10H2O salt had a rectangular shape whereas ice crystals had a circular shape.
 
Impurity content of salt and ice crystals were also determined via washing experiments. 3 times washed ice crystals have impurity content less than 2500 ppm which is rather good to be used as process water. 3 times washed salt crystals were found to be highly pure, i.e., have less than 5 ppm impurity content, as expected from the EFC technology.

Using these experimental data, a borax treatment plant operating at a capacity of 2000 tons/year was also designed. As a result of the economical evaluations made, it was calculated that EFC plant will meet the investment cost in 9.2 years. Thus, it is a profitable and sustainable project in the long term. 

Results show that industrial waste borax solution can be recovered via EFC, a clean and environmentally friendly technology, and both products (i.e., ice and salt) were well filterable and of technically pure.